電源模組為電動汽車提供 400V 與 800V 系統的高效轉換

作者：Seishi Tsukimoto，高級應用工程師

目前，純電動汽車（BEV）和插電式混合動力汽車（PHEV）的運行電池電壓為 800V，超過了常規 400V 系列。採用 800V 電池是為了提高效能，减少快速充電的時間，應對不斷增加的功耗並延長續航里程。

電動汽車採用 800V 電池面臨重大挑戰，即大部分快速充電的公共基礎設施還不相容 800V 電池。因此，已採取措施為 800V 車輛配備內寘電源適配器，使 800V 汽車能够在常規 400V 充電樁上充電。雙向電源模組是 800V 電動汽車支持 400V 基礎設施的一種方式，也是 400V 和 800V 之間獨特的電壓轉換方式。現在，OEM 廠商正以具有各種效率的不同方式解决這個問題。

保時捷 Taycan 是首款量產的 800V 電動汽車，是 2019 年發佈的一款純電動汽車。這是一個使用 400V 充電基礎設施充電的 800V 汽車的典型示例。將充電器的 400V 輸入轉換為適合車輛 800V 電池的升壓轉換器安裝在車上，用作 DC 車載充電器。這款升壓轉換器有一個繞過轉換器輸入輸出的電路。使用 800V 充電器充電時，將繞過升壓轉換器，直接為 800V 電池充電。

據製造商介紹，通過 800V 充電器充電時，使用 270kW 的快充將電池電量充至 80%，用時約 20 分鐘。另一方面，在使用 400V 充電器時，最大容量為 150kW，充至相同的電量大約需要 35 分鐘。

現代 IONIQ 5 也使用了 800V 主電池（2021 年上市）。IONIQ 5 同樣也有一個升壓功能，可使用常規 400V 充電器為車輛的 800V 電池充電。 但與保時捷 Taycan 不同，它沒有 DC 車載充電器，主要使用驅動電機和逆變器實現升壓功能（圖 2）。

A 和 B 分別是驅動電機和逆變器，快速充電器通過開關 S1 連接至電池高壓端，通過開關 S2 連接至電機中性點。 車輛運行時，會打開 S1 和 S2，A 和 B 將作為正常的電機和逆變器運行。 使用 400V 充電器充電時，會關閉 S2，從而會按升壓轉換器電抗器運行電機 A，並按升壓轉換器開關運行逆變器 B，以便為車輛的 800V 電池充電。 如果充電器支持 800V，關閉 S1 並打開 S2，將繞過 A 和 B，直接為 800V 車載電池充電。 使用這種方法，無需安裝專用升壓轉換器，即可使用 400V 充電器為 800V 車輛充電。

通用悍馬電動汽車是 2021 年開始生產的純電動汽車。與之前的 800V 純電動汽車不同，高壓主電池為 400V。該車雖然採用 400V 系統，但相容 800V 充電器，提高了快速充電效能。

它具有獨特的配寘（圖 3），支持 400V 及 800V 快速充電器。車上安裝的 400V 電池分為兩個 400V 電池組。兩個 400V 電池組可通過開關 S1、S2 和 S3 的連接進行並聯或串聯。在正常情况下，包括車輛行駛時，只關閉開關 S1 和 S2，且並聯這兩個電池組，可將其用作 400V 電池。使用 400V 充電器充電時也是如此。支持 800V 充電器時，打開 S1 和 S2 開關，只關閉 S3 開關，將串聯這兩個電池組，將其用作 800V 電池。

據製造商介紹，支持 800V 充電器，不僅可實現 350kW 的快速充電，而且只需充電 10 分鐘，車輛即可行駛 160 公里。

Vicor 的電池虛擬化解決方案

電源模組製造商 Vicor 使用該公司的高密度電源模組提出了一種獨特的“電池虛擬化解決方案”。這是一種使用 400V 充電器為 800V 電池充電的升壓轉換器技術，主要使用該公司支持固定電壓轉換比的專有雙向 DC-DC 轉換器。

雙向固定比率 DC-DC 轉換器是一種沒有調節（穩壓）功能的轉換器，其中 DC-DC 轉換器的輸入輸出電壓比是固定的，電壓可用下列方程式表示：

輸出電壓=輸入電壓 x 變壓比 K

它是雙向的，因此可進行反向轉換（反向運行時，輸出電壓=輸入電壓/K），而且內部串聯阻抗小，所以可用作可轉換直流的變壓器。

電池虛擬化解決方案在 800V 電池前部置一個變壓比為 2 的固定電壓轉換比雙向轉換器，使 800V 車輛的電池電壓看起來是400V電壓的一半（圖 5）。隨著充電的進行，800V 電池的電壓會上升，而且從充電器端看到的電壓也會按比例上升（1/2）。

該模組（圖 4）輸出功率為 37.5kW，峰值效率為 99%，尺寸為 92 x 80 x 7.4 毫米。通過並聯，可在狹小的空間內支持大功率、快速充電。

使用雙向電源模組的優勢是，當電池不充電時，800V 電池可為 400V 負載供電。

參考資料

1. 保時捷網站
   https://media.porsche.com/mediakit/taycan/ja/porsche-taycan/das-laden
2. JOACHIMWAGNER 博士：“電動汽車快速靈活充電的諧振解決方案”，2018 年 05 月 19 日
   https://www.sae.org/news/2021/05/resonant-solution-for-fast-flexible-ev-charging
3. 美國專利：US-20190023136-A1
   https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/20190023136
4. 美國專利：US-11358492
   https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/11358492
5. Vicor 網站
   https://www.vicorpower.com/industries-and-innovations/automotive/automotive-products
6. Vicor 網站
   https://www.vicorpower.com/ja-jp/industries-and-innovations/automotive/dc-fast-charging

Tsukimoto 擁有 20 多年的工業設備、汽車與衛星等領域 DC-DC 轉換研發/設計經驗，同時有 10 多年的電機逆變器研發經驗。自 2018 年以來，身為 Vicor 高級應用工程師的他，主要負責汽車技術支援。

Seishi Tsukimoto，高級應用工程師