关于高电压架构分析和其在电动车化中的应用

就目前而言，电动车保有量在不断增长,但目前仍存在电动轿车实际购置成本过高的问题。为了进一步挖掘其潜力，Continental公司根据成本要素系统评价了其功能，并寻找高电压、传动机构、充电和热管理等系统的协同运作方案。

1 市场发展及其要求

早在2016年，德国纯电动车（BEV）的保有量就已增加到53 800辆，但如果就翌年登记的轿车数量（2017年的3.4百万辆）和德国轿车的总保有量（到2018.1.1为止为46.5百万辆）相比的话，则需限制该车型的购买以防止其总保有量的突飞猛进。纯电动车的行驶里程已有所提高，并预示着短期至中期仍需提高蓄电池的能量密度。对于充电公共设施而言，其在实现现有扩建计划的同时，还要做到既能实现交流充电又能实现快速直流充电，而大功率充电（HPC）还要预先考虑到充电功率为150～350 kW的下一代充电设施。

除了广泛地为各种不同的车辆等级提供相应的电动车型之外，进一步降低成本和提高可靠性是未来积极开发的重要成功因素。图1示出了Continental公司对直至2025年全球轿车电气化的切合实际的预测。

图1 2016-2025年全球轿车电气化发展和

差别化的预测

因此，预期到2025年，在全球范围内的新登记轿车中电动车将占约10%，其中C级车型所占份额将超过44%。根据Continental公司自身所提出的A～E各车型等级的发展计划，预期将呈现出如表1所示的驱动功率和充电功率。

表1 未来A～E各车型等级纯电动车对牵引和充电性能的要求

因此，所有等级车型的最大驱动功率不断增大，其最大交流电（AC）充电功率根据装备方案的不同，大约在7～22 kW的范围内，直流电（DC）充电功率在较低等级的车型中可刚好投入使用，而应用于较高等级车型的最大充电功率则需达到150 kW以上。

可选择智能充电方法将能量购买成本降低到最低程度以及可利用电网功能（Vehicle-to-Grid，车辆至电网，V2G），例如在某些市场则需求充电设施供电（Vehicle-to-Device，车辆至充电设施，V2D）。V2G和V2D在供电电网与汽车蓄电池之间需要一个双向功率转换器。汽车价格将受到表1所示功率需求的影响。

蓄电池成本是系统中最大的单项费用,其占据了系统总成本的绝大部分（图2），但是对诸如高电压电子系统（HV）、传动系统、充电系统和热管理系统等子系统也需进行全面分析。仅从总体角度来看，就能看出相互作用的重要意义和节约的可能性。例如后续的阐述表明Continental公司作为系统集成者和供应商是怎样涉及到该主题的以及在高电压架构中如何降低成本。

图2 纯电动车典型的HV系统和成本结构

2 更高的集成度

另外，通过应用改进型或全新的技术（例如在制造中或材料/半导体方面）、广泛应用标准化接口（例如所谓的组合充电系统）或合适平台的批量效应即可优化成本。系统的架构，即怎样将相应的功能集成到纯电动车上的问题也对成本具有重大影响，目前在各种情况下都是采用许多单独的专用部件来实现的，其通常以1:1的比例来对某些功能进行配置（见图2）。

此类解决方案会导致在不同部件中存在多个具有相似性能的构件，而且在该典型高压架构中几类部件的彼此相互连接是一种浪费（例如采用多个插座连接或采用过多冷却接头），因此问题主要在于如何才能组合某些构件和功能，从而降低硬件成本。一个典型例子就是车桥驱动装置，借助于集成不仅能节约成本和结构空间，同时还明显简化了其在整车上的集成，其将电机、功率电子器件和变速器档位组合在同一个模块中。

持续的模块化和所有单个器件的可划分性是将功能集成为一个较大单元的前提条件。原则上，面对全球范围内日益严格的废气排放法规，由此使得针对传统动力传动系统的开发费用也在日益提升，除了降低蓄电池成本之外，最佳的高压架构明显有助于降低纯电动车驱动系统和充电系统的成本（图3）。因此从该契合点起，纯电动车在市场中是具有一定竞争力的。

图3 2015-2030年间纯电动车驱动系统

期望成本与传统动力传动系统成本

比较示意图

在最佳集成度分析中还要考虑到许多其他影响因素，例如对于具有更高集成度的组合单元也应布设其所必需的安装空间，在这种情况下前置和后置驱动装置之间也可能存在明显的差别，而且高电压硬件必须布置在碰撞途径之外，同时为了便于维修，具有可维护性的高度集成单元的部件必须易于接近。

3 车载充电单元和DC/DC转换器的集成

典型的例子是将车载充电单元（车载充电器，OBC）和DC/DC转换器（HV/12V）集成到汽车电子电路中，其中除了基本选项1之外还可有4种选项（图4）。可将器件都包含在一个整体式壳体中，以此即可减小结构空间并减少接插件和电缆束，但即便如此，成本降低效果却并不显著（选项2）。更好的方法是以机电式集成作为目标导向，将OBC与涉及到滤波器和控制逻辑电路的DC/DC转换器融合成一种新的混合电子器件，以此新部件节约成本的潜力可达到8%～15%。

图4 可能的5种集成级选项

除此之外，还能获得附加的可能性（选项4），将诸如水冷却器和加热器等更多的功能组合成一个共同的机械式冷却-加热方案，它能尽可能通过OBC和DC/DC转换器等现有的硬件来实现加热器电子器件的功率/控制器件，以此还可开发出高达5%～8%的成本节约潜力。

中期可通过应用碳化硅（SiC）或氮化镓（GeN）半导体技术和合适的拓扑结构使功率密度提高约2倍，当然目前尚无法降低成本（选项5）。此外，电联接的AC充电系统能进一步将效率提高达1%～2%，并使体积缩小达20%，但是需考虑采用附加的安全技术。

4 可选择的高电压架构的评价

除了标准架构的更高集成度之外，还能考虑采取可供选择的架构方式，可从图5中清晰地看到。推荐使用具有400 V系统电压、100 kW牵引功率以及与供电网进行电隔离的11 kW或22 kW-AC单向充电单元的典型纯电动车方案。

Continental公司的所有400 V充电架构能将这种充电功率和驱动功率通过所谓的“换流器充电”（仍应用换流器和电机充电）与牵引DC/DC转换器（HV/HV）双向地组合起来，而且可改变其成本结构。采用该类方式能在世界统一的轻型车试验规范（WLTP）行驶循环中使效率提高达3%～5%，并能在保持行驶里程不变的情况下降低蓄电池容量。

图5 采用400 V系统的各种不同高电压架构

期望成本结构的示意图

通过在蓄电池和集成所有400 V充电单个部件方面的成本节约，期望在以22 kW-OBC作为比较基准的情况下降低总成本。除此之外，这种方案因内部双向能量转换且并无较大的电功率附加损耗能，能以最低成本实现V2D（例如由汽车上的230 V供电装置）、V2G（反馈到低电压网络）或独立电网功能，但是这些功能在相应匹配功率电子器件的情况下也可选择采用双向OBC来实现。基于OBC架构或所有400 V充电架构最终都必须对总成本、功能、结构空间和集成到车辆的费用进行总体评价。

另一个例子是采用150 kW以上功率的DC快速充电能力，这对HV架构及其成本结构具有重大影响，因为对于这些充电器件不可避免地要采用400 V以上的电压。无论是对400 V还是800 V充电桩的兼容性都能以不同的方式来实现，在该方面所采用的DC/DC转换器是最简单的解决方案，也可选择通过蓄电池转换成两种电压水平，同时也可以将牵引系统和充电系统的电压水平设计成400 V或800 V。

除此之外，也可选择将蓄电池设计成800 V，而通过电机实现与400 V充电桩的电压匹配。根据设计的不同会导致不同的成本结构和总成本，以此始终需针对应用和用户来进行评价。

5 结语和展望

为了使电动车更具市场竞争力，除了扩建广泛覆盖的具有相应供电能力的充电公共设施以及在蓄电池单元和系统技术方面的进步之外，高电压系统成本得以优化的重要杠杆是实现全新的系统架构。全面分析高电压架构使得目前占统治地位的1:1部件和功能配置可得以取消，并通过此类功能的智能组合和重复利用来降低系统成本。

Continental公司在本文中所示出的带有DC/DC转换器（HV/12 V）的高度集成的OBC表明，除了整体式方案之外，多次利用恰到好处且具有不同功能的组合模块起到了显著降低成本的效果。通过硬件的不断重复利用，所有400 V充电架构除了所举例子中显示出来的优点之外，还获得了最佳的充电灵活性和附加功能。