800V高压系统介绍|盖世大学堂电气化系列知识讲解（五）

在新能源汽车领域，800V高压系统成为提升车辆性能的关键技术。该系统指整车高压电气系统电压范围在550-930V区间的系统，能有效提升电动汽车的补能效率和能耗表现，为解决续航和补能焦虑提供了新方向。目前，提升补能效率的方式多样，如蔚来的换电模式、特斯拉的大电流充电模式以及保时捷等的大电压充电模式，而800V高压系统正是大电压充电模式的核心。

一、800V高压系统对电控系统EMC的挑战

（一）开关速度与电磁干扰

在800V高压系统的电控部分，功率开关器件的开关速度对系统性能和电磁兼容性（EMC）有着重要影响。以金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）为例，其通常具备较快的开关速度。这种快速的开关特性能够减少导通损耗，进而提高系统效率，在高压系统的能量转换过程中发挥着积极作用。

然而，事物具有两面性。过快的开关速度会引发较高的电压变化率（dv/dt）和电流变化率（di/dt）。dv/dt和di/dt过高时，会导致产生较强的电磁干扰（EMI）。这种电磁干扰可能会影响车内其他电子设备的正常运行，降低整个系统的稳定性和可靠性。

相比之下，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的开关速度通常较慢。虽然在高功率应用场景中，IGBT能展现出较高的效率，但其较慢的开关速度也并非毫无缺点。一方面，较慢的开关速度会增加开关损耗；另一方面，它在一定程度上减少了电磁干扰的产生。因此，在实际选型过程中，工程师需要在开关速度和EMC性能之间进行权衡，综合考虑不同应用场景下的需求，选择最合适的开关速度和器件，以确保系统在高效运行的同时满足EMC要求。

此外，高开关频率在800V高压系统中也有独特的影响。从积极方面看，高开关频率可以减小电感和电容的尺寸，这对于优化系统的空间布局和减轻重量具有重要意义。但高开关频率也带来了负面影响，即增加了开关损耗和EMI问题。这就要求在系统设计时，必须全面考虑开关频率的选择，平衡其带来的利弊。

（二）dv/dt和di/dt的影响

dv/dt和di/dt作为影响电磁干扰的关键因素，对800V高压系统的EMC性能起着决定性作用。当dv/dt和di/dt较高时，会在系统中产生更强的电磁干扰，这种干扰不仅会对车内的电子设备造成影响，还可能干扰车辆与外部设备之间的通信。

因此，在选择功率开关器件时，深入研究和权衡开关速度与EMC之间的关系至关重要。企业供应商通常会提供详细的技术资料（datasheet），其中包含电子开关与EMC之间的关系曲线，这些数据为工程师的选型工作提供了重要依据。同时，芯片在研发过程中也会进行单独的EMC测试，工程师可以通过对比零部件级和电机系统级的EMC测试结果，进行权衡比对和评价，根据系统的实际需求，优先选择EMC性能更优的方案。

（三）封装和布局的作用

器件的封装类型和布局同样对800V高压系统的EMC性能有着不可忽视的影响。在封装选择上，应尽量选用散热性能良好且寄生电感低的封装形式。良好的散热性能有助于功率器件在工作过程中保持稳定的温度，避免因过热导致性能下降或损坏；而低寄生电感则可以减少电流变化时产生的自感电动势，从而降低电磁干扰的产生。

在实际应用中，采用表面贴装技术（SMT）的器件通常比引脚插装器件（DIP）具有更低的寄生电感。这是因为SMT器件在安装时与电路板的连接更为紧密，电流路径更短，寄生电感也就更小。因此，在设计电路板布局时，优先选用SMT器件有助于降低系统的EMI，提高系统的整体性能。

（四）驱动电路设计要点

驱动电路作为控制功率开关器件的关键部分，其设计的合理性对开关元件的性能有着极大的影响。合理设计驱动电路可以实现对开关速度的有效控制，通过调整驱动电压的大小和波形，能够优化开关元件的导通和关断过程。例如，在驱动电路中增加阻尼电阻是一种常见的优化手段。阻尼电阻可以减缓开关速度，降低dv/dt，从而减少电磁干扰的产生。此外，合理设计驱动电路的参数，如驱动电流、驱动信号的上升沿和下降沿时间等，都能在提高开关元件性能的同时，降低对系统EMC性能的影响。

（五）滤波和屏蔽措施

为了有效抑制800V高压系统中的电磁干扰，采用适当的滤波和屏蔽措施必不可少。在开关元件附近增加滤波电容是常用的滤波方法之一。滤波电容能够对高频干扰信号进行旁路，使其无法在电路中传播，从而减少对其他电路的影响。设计合理的电路板布局也是关键。通过合理规划电路走线，避免信号之间的相互干扰，同时增加接地层和屏蔽层，能够提高电路板的抗干扰能力。在关键路径上增加EMI滤波器，如共模滤波器、差模滤波器等，可以进一步抑制电磁干扰的传播，确保系统的EMC性能满足要求。

（六）热管理需求

由于800V高压系统中的开关器件在高频率下工作，会产生大量的热量。如果这些热量不能及时散发出去，将会导致器件温度过高，影响其性能和寿命，甚至可能引发故障。因此，设计有效的散热方案至关重要。常见的散热方式包括使用散热片和风扇。散热片通过增加散热面积，将热量快速散发到周围环境中；风扇则通过强制空气流动，加速散热片表面的热量交换，提高散热效率。在一些高性能的800V高压系统中，还可能采用液冷等更为先进的散热技术，以确保开关器件在稳定的温度范围内工作。

二、驱动充电一体化集成器控制

（一）功率电路拓扑结构设计

在800V高压系统中，驱动充电一体化集成器控制是一项重要技术，其核心在于功率电路拓扑结构的设计。该设计将电驱动系统和直流升压充电系统深度融合，充分利用逆变器的三相桥臂和电机的三相绕组，组成典型的Boost升压电路。通过对三相桥臂进行斩波控制，实现泵升充电桩电压，进而为动力电池充电。这种复用设计不仅提高了系统的集成度，还降低了成本和系统复杂度。

为了实现驱动和充电工况的分时复用，该技术通过电机中性点引出线，配合继电器、电感和电容组成的电路来完成。在驱动工况下，系统按照正常的电驱动模式工作；而在充电工况时，通过控制继电器的开合和电路参数的调整，将电机三相绕组作为充电电路的一部分，实现对动力电池的充电。这种分时复用的方式，有效提高了系统的利用率，减少了额外的硬件成本。

（二）电路参数计算与分析

在驱动充电一体化集成器的设计中，电路参数的计算和分析至关重要。以一个具体的例子来说明，假设输入电压Vin为400V，直流输出电压Vo为800V，功率器件开关周期T为100μs，电感L为70μH，直流滤波电容为500μF。根据Boost变换器输入输出电压之间的关系，可以计算出占空比D的变化范围。占空比D的计算公式为D=(Vo-Vin)/Vo，代入上述参数可得D=0.5。

为了确保电路工作的稳定性与可靠性，流过电感的峰值电流需要进行严格控制。通常情况下，流过电感的峰值电流不大于功率器件额定电流的1/2，同时要避免因电流过大导致电感饱和。电感输出电流Io的计算公式为Io=Vin*D*(1-D)*T/(2*L)，代入参数计算可得Io=0.83A。对于一套峰值功率为150kW的电驱动系统，其直流侧额定电流超过100A，交流侧额定电流设计超过110A。由此可见，Io未超过功率器件的通流能力，能够承受超过60分钟的充电时间。根据输出功率公式Pout=Io*U0，可计算出输出功率Pout为66.3kW。这些参数的准确计算和分析，为驱动充电一体化集成器的设计和优化提供了重要依据。

（三）放电方式及特点

在800V高压系统中，车辆的放电方式主要有泄放电路放电、电机控制器桥臂直通放电以及电机绕组放电三种。

泄放电路放电由并联在母线电容上的大功率开关和大功率电阻组成。当整车停电或处于紧急工况时，开关闭合，母线电容存储的能量迅速通过电阻转化为热量耗散掉。这种放电方式的优点是方案简单、可靠性高；缺点是额外增加的零部件增大了控制器的体积和质量，提高了成本。

电机控制器桥臂直通放电将电机控制器电阻作为母线电容能量的泄放电阻，通过控制不同功率模块按顺序导通，造成逆变器瞬时短路，使电容储存的能量耗散到电机控制器上。该方式成本低、放电速度快且无需增加额外元器件，但功率器件瞬时短路容易产生较大的短路电流，高压回路中的杂散电感会导致功率器件关断时电压应力较大。

电机绕组放电通过控制Q轴电流Iq为0，给定D轴电流Id的方式，将电容储存的能量泄放到电机三相绕组上。由于电机三相绕组阻值小，放电速度快。此方式无需增加额外元器件，控制难度相对较低，但当旋变初始位置角度或电流采样与位置采样存在偏差时，会出现扭矩抖动，影响驾乘体验。因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的放电方式。

三、800V对电池系统的影响

（一）电池组布局与车辆性能

800V高压系统对电池系统的布局产生了重要影响。通过降低平面高容量电池组的高度并将其安装在地板下，不仅实现了车内宽敞的内部空间，使第二排座椅脚周围形成平坦地板，提升了乘客的乘坐舒适性，还有助于降低车辆重心，提高车辆的动力性能和操控稳定性。

以某款采用800V高压系统的纯电动汽车为例，其电池组由96个电芯组成，额定电压为355.2V，电池容量达201Ah，总电池功率为71.4kWh，工作温度范围为-30℃至60℃。若要将电池的工作温度降低到-40℃，则需要采取热管理措施，如增加相变材料（PC）或热泵，在低温环境下对电池进行预温或保护，以实现低温下的放电功能。不过，在低温情况下，电池的放电功率会受到一定限制，通常只能实现低车速起步等低功率需求的功能。

（二）电池安全设计

为确保800V高压系统下电池的安全性，采用了一系列先进的设计和措施。在防止自热和短路方面，通过优化电池内部结构和材料，有效降低了电池自热和短路的风险。采用单独的冷却结构，并使用高电阻的专用冷却剂，在冷却剂发生泄漏时，能够避免与电池接触，防止短路事故的发生。

在电池外壳结构设计上，采用内部交叉构架、前后框架和EA加固等方式，增强了电池的机械强度，使其能够有效抵御碰撞，保持机械完整性。同时，在底部采用剪切板（如铝底板），保护电池免受路面接触和磕碰，进一步提高了电池的安全性。

（三）电池退化与寿命延长

电池退化是影响电动汽车性能和使用寿命的关键因素。为最大限度地减少电池退化，800V高压系统利用从混合动力汽车发展中获得的技术，在材料选择、电池组结构设计和控制系统优化等方面采取了多种措施。

在材料方面，通过对阳极表面进行适当处理，抑制阳极表面劣化产物的生成，这是延长电池寿命的关键。在电池组结构上，采用能够实现均匀冷却的设计，确保电池各部分温度一致，减少因温度差异导致的电池退化。在控制系统方面，通过精准控制，防止电池在整个使用过程中承受过大的负载，从而有效减缓电池的退化速度。

开发目标是使电池在10年后仍能保持世界领先的电池容量。以凯美瑞混动车型为例，其小电池包容量约为两度电，在五年内油耗基本稳定在4.0左右，但五年后可能会升至5.0。对于国产纯电动车型，电池容量通常在四五十度，维修成本较高。不过，国内的换电策略为解决这一问题提供了途径，但在电池更换过程中，需要考虑底板拧紧次数和维护等因素。

（四）电池热管理系统

纯电动汽车在高温和低温环境下分别面临电池寿命缩短和续航里程下降的问题。为解决这些问题，800V高压系统开发了创新的热管理系统。

有的系统采用连接到暖通空调系统热回路的最佳热控制技术，在为车内人员提供有效加热和冷却的同时，保持电池的最佳温度。通过简单的制冷循环，提高了热泵的制热效率。此外，还采用了辐射加热器，进一步优化了热管理效果。

在冷却方法上，通过使用冷却液降低电池温度，并利用空调制冷剂的冷水机将电池冷却到低于环境温度，有效抑制了电池容量的下降，使电池功率最大化。同时，采用调节冷却性能的控制器，根据电池的输入/输出功率值计算产生的热量，并相应地调整冷却水平。构建协调空调系统和冷却系统的协同控制系统，根据电池温度的变化，自动调整冷却液位，确保电池和乘员舱的冷却性能之间达到最佳平衡。

四、高电压对高压连接器选型影响

（一）基本性能要求

在800V高压系统中，高压连接器的性能直接关系到系统的安全性和可靠性。其基本性能要求涵盖机械性能、电气性能和环境性能三个主要方面。

在机械性能方面，插拔力是重要指标之一。插入力应尽量小，以便于连接器的安装操作；而分离力要大，这样在车辆行驶过程中，即使受到震动和冲击，连接器也能保持可靠连接，避免出现松动、脱落等情况，影响接触的可靠性。机械寿命也是衡量机械性能的关键因素，通常以在规定的插拔循环次数后，连接器能否正常完成连接功能（如接触电阻值是否在规定范围内）作为评判依据。

电气性能对高压连接器至关重要。接触电阻应具有低而稳定的特性，一般连接器的接触电阻范围在几毫欧到数十毫欧之间。较低的接触电阻可以减少电流通过时的能量损耗，降低连接器发热的风险。绝缘电阻用于衡量电连接器接触件之间和接触件与外壳之间的绝缘性能，其值通常在数百兆欧至数千兆欧之间。抗电强度（或称耐电压、介质耐压）表征连接器接触件之间或接触件与外壳之间耐受额定试验电压的能力，确保在高电压环境下不会发生击穿等电气故障。电磁干扰泄漏衰减用于评价连接器的电磁干扰屏蔽效果，一般在100MHz-10GHz频率范围内进行测试，良好的屏蔽效果可以减少连接器对周围电子设备的电磁干扰。

环境性能方面，耐温性能是关键。目前连接器的最高工作温度一般为200°C（少数高温特种连接器除外），最低温度为-65°C。由于连接器工作时电流在接触点会产生热量，导致温升，因此工作温度等于环境温度与接点温升之和。耐湿性能也不容忽视，潮气的侵入会影响连接器的绝缘性能，还可能锈蚀金属零件。耐盐雾性能要求连接器在含有潮气和盐分的环境中工作时，其金属结构件和接触件表面处理层不会因电化腐蚀而影响物理和电气性能。耐振动和冲击性能在特殊应用环境（如航空航天、铁路和公路运输等）中尤为重要，它是检验电连接器机械结构坚固性和电接触可靠性的重要指标。

（二）在纯电动汽车上的应用

在纯电动汽车中，许多系统单元需要在高电压大电流条件下工作，如电池、电机、变压器、车载充电机（OBC）、电源分配单元（PDU）、电池管理系统（BMS）、驱动电机控制器（MCU）、空调压缩机、加热器和充电接口等。这些系统单元之间的连接需要使用高压连接器，以确保高电压大电流的可靠传输。

与低压连接器相比，高压连接器在电气性能方面需要承受更高的电压、具备更大的载流能力和良好的电磁屏蔽特性。例如，现阶段电动汽车充电电压大部分为400V，而800V高压系统的应用对高压连接器提出了更高的要求。在实际应用中，驱动电机MCU与高压分配单元、高压分配单元与BMS、直流充电口与交流充电口、车载充电机、DCDC变换器、空调系统以及电池热管理系统等之间都需要通过高压连接器进行连接，确保整个系统的正常运行。

（三）高压连接器发展历程

高压连接器的发展经历了多个阶段。第一代高压连接器主要由当时的工业连接器改款而来，以金属连接壳体为主，不具备高压互锁功能，防护插入效果较差。安费诺公司的HV系列金属连接器是这一代产品的代表，后续市场上许多连接器产品都是在此基础上延伸扩展而来。

第二代高压连接器在第一代的基础上增加了高压互锁功能，提高了连接的安全性。同时，连接器的外壳逐渐由金属变为塑料，减轻了重量，降低了成本。

第三代高压连接器在塑料外壳的基础上增加了屏蔽功能和高压互锁功能，进一步提升了性能。行业中的800系列产品是这一代的典型代表，其通过操作顺序实现部分二级解锁功能，但并非直接机械式结构。

第四代高压连接器在第三代的基础上增加了二级解锁功能，通过机械结构实现，安全性更高。行业中的280系列产品，如TE、智绿及国内新一代产品，都具备这一特性。

未来一代高压连接器将在第四代的基础上考虑冷却方式，如配合大功率充电采用液冷、风冷等方式，以此有效提高传输能量密度，降低产品质量，提升产品综合性能。这一发展方向是顺应新能源汽车行业不断提升充电功率、缩短充电时间需求的必然选择。

（四）技术指标

高压连接器有着严格的技术指标要求。在工作温度方面，通常需满足-40℃到125℃的范围，以适应不同的使用环境。电压方面，要满足爬电距离和电气间隙要求，对于800V高压系统相关的连接器，需满足750V额定电压要求，这是因为实际应用中存在电压波动，750V的额定电压设计能确保连接器在800V高压系统下稳定运行。

绝缘电阻指标上，正常条件下应大于等于500兆欧，湿热条件下大于50兆欧，良好的绝缘性能可防止电流泄漏，保障系统安全。接触电阻应小于0.2毫欧，低接触电阻能降低能量损耗，减少发热。插拔次数至少大于500次，以保证在车辆使用寿命内连接器能稳定工作。

密封防护等级至关重要，除铜接头连接器外，在接合状态下，无论安装位置如何，连接器防护等级都不应小于IP68，这一等级能有效防止水和灰尘侵入，满足车辆在各种恶劣环境下的使用需求。高压互锁功能则根据具体客户类型和需求确定，以确保连接安全。

在电磁兼容性（EMC）方面，由于多数高压连接器具备屏蔽功能，需实现360度屏蔽，并符合国标337133要求。线束总成的屏蔽效能应大于75DB，有效减少电磁干扰对其他电子设备的影响。

防腐蚀要求旨在防止铜接头被腐蚀，通常对连接器表面进行镀锡处理，并按照LV214车载连接器测试规范进行盐雾测试，要求测试后的导通率为百分之百，保证连接器在潮湿、含盐等恶劣环境下正常工作。

使用寿命上，所有连接器插拔需满足相关插拔需求，连接器必须满足15年之内的使用寿命要求，且在使用过程中要满足终身免维护的标准，降低车辆使用和维护成本。在颜色设计上，目前普遍为橙色，与高压导线同色，便于识别和区分，保障操作安全。

800V高压系统在新能源汽车领域的应用是一项复杂而系统的工程，涉及电控系统、驱动充电一体化、电池系统以及高压连接器等多个关键部分。每个部分都面临着独特的技术挑战，同时也蕴含着创新和发展的机遇。随着技术的不断进步和完善，800V高压系统将在提升电动汽车性能、推动新能源汽车行业发展方面发挥越来越重要的作用。无论是在提高补能效率、优化电池管理，还是在保障系统安全可靠运行等方面，持续的研发和创新将为新能源汽车的未来发展奠定坚实基础。