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800V快充缓解“里程焦虑”   SiC将成汽车半导体“香饽饽”

时间:2022-06-10 09:26:39 作者:张河勋 阅读:
未来,无论电池技术如何发展,更先进的充电技术都会让新能源汽车锦上添花。在各大车厂以及配套厂商的推动下,800V高压快充平台将在未来两三年内得到普及。不过值得一提的是,既然目前来看800V高压快充平台是一个可行路径,那么800V以上的更高电压的平台也将成为可能。
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在近日粤港澳大湾区国际车展上,小鹏汽车展出了首款中大型SUV——小鹏G9,其搭载基于800V高压SiC平台,拥有48小时IP68级防护等级的电池包以及智能高压保护系统,在超充状态下能够实现充电5分钟,续航200公里的能力;极狐阿尔法S全新HI版也搭载了800V高压快充技术,充电功率最高可达187KV,从30%充电至80%仅需15分钟,充电10分钟即可补充可供行程200公里的续航里程,妥妥解决了新能源汽车的“里程焦虑”。

实际上,2019年,保时捷就在Taycan搭载800V高压快充平台,也是最早搭载该技术的车企,一度成为新能源汽车发展的新风向。2021年,车企掀起了一轮800V高压充电平台车型的发布热潮,其中比亚迪、吉利、现代、广汽等都陆续发布了搭载800V高压充电平台车型,预计也将在今年推出相关量产车型。

未来,这一技术将进入更多的新能源汽车中,800V平台架构更将成为高压快充的重要解决方案。由此,2022年也被认为是中国800V高压充电平台的发展元年。

值得一提的是,这场高压快充“升级革命”让碳化硅材料成为焦点。尽管SiC成本过高的问题一直被诟病,但据天风证券测算,使用碳化硅材料可让电机逆变器效率提升4%,这将让电动车的续航里程至少提高7%。这似乎证明搭载SiC器件的新能源汽车已有明显的综合成本优势。本文从碳化硅这一材料的角度,探讨与分析一下碳化硅在800V高压快充技术上的应用前景,以及800V高压快充技术落地的掣肘因素。

业界热捧的800V高压快充平台

一直以来,新能源汽车里程续航能力都是绕不开的话题。

然而,要解决续航焦虑的问题,无非两个思路:一是把电池做大;二是让充电变快。不过,在新能源汽车内置大容量电池包,不仅会使成本、重量增加,甚至可能导致危险系数上升。因此,让充电变快似乎是更好的解决路径。由此,800V高压快充技术也迅速成为新能源汽车领域的热点话题。

大家都知道这个物理公式:P(功率)=U(电压)*I(电流)。这个公式表明:充电功率由电压和电流两个变量决定。因此,总体来看,提高电动汽车充电功率的两条路径:

一是提高电流。即保留其他的部件不变,选择提升电流的路径,主要的限制在于大电流产生的热损失,这会导致整体的设计会有很大的差异。针对电池在充电期间出现过热的情况,则需要在设计导电元件和确定尺寸时考虑这些热损失,以避免发生过载、过热或充电电流受控降额等问题。不过,提高电流的方式不仅有极限的,而且对新能源汽车的安全性带来隐患。

二是提高电压。目前极限的电流一般定义为500A,所能达到的功率大约200kW(特斯拉在400V设计了600A以上进行了尝试),而增加电压把400V系统切换成800V就是成为一个选择。

根据中国汽车工程学会发布的2022年度中国汽车技术十大趋势:国产高性能电动乘用车将更多采用800V电压平台。这一预测正是切中了新能源汽车续航里程短、充电难的关键问题。

毫无疑问,800V高压快充平台具有太多的优势,主要体现在以下几个方面:一是在800V高压下,电动车内的高压线束的截面积会更小,这样能大幅减小安装面积,减轻车内重量;二是高压充电桩的成本比低压大电流的充电桩要低上许多,只需要把充电枪、接触器、线束、熔丝等部件更换升级成耐高压材料即可,而低压大电流充电桩,必须加底部电扇,桩内还要用循环液冷,充电桩的成本实际更高;三是能显著提高充电效率。

作为最早搭载800V高压快充平台的车企,保时捷不仅于2019年就在其Taycan率先使用了800V架构,并且PPE平台的Macan也已经确定会使用800V架构。根据相关资料,Taycan由LG提供的电池包,共33个模组,每个模组共有12个软包电芯,续航里程为450km。在800V高压平台的加持下,Taycan提供交流、400V直流快充、800V直流快充。在22.5分钟内能从5%充到80%的电量,而刚开始时无法直接进行最大功率充电,电量达到40%左右时才能最大功率充电。充电功率达到350kW时,30分钟可以充满。

800V高压快充平台的优势体现在同等功率,电流减半。这就意味着800V架构下的动力性能和电池性能衰减会更小,从而可以使用更加轻便的铜线,有提升整个电池系统热量管理水平的优势。不过,其弊端也是显而易见的,整个电池系统的能量密度会受到制约,这也是保时捷Taycan仅有450km续航里程的重要原因。

同时,作为800V高压快充平台配套使用的充电桩,当电压达到800V时,普通充电桩充电速度已经无法满足用户需求,可以说如果没有超级充电桩搭配使用,车载800V高压快充平台无法真正发挥功效。

目前,国内外厂商都已经开始涉足这个领域,但要实现800V高压快充技术的应用是需要匹配350kW超高充电系统。而无论国内还是国外,目前常见的都是匹配400V充电技术设立的50-150kW级别的充电桩。犹如保时捷Taycan要想800V充电需要适配自己独有的lonity充电桩,而在使用普通充电桩时候则要使用自带的50kW的升压器。

根据英飞凌数据,对于直流充电桩,20kW充电桩充满电需要120min,150kW需要16min,而350kW仅需要7min。因此,800V高压快充平台+超级充电桩已成为未来发展趋势。

SiC成为800V高压快充自然选择

当前,800V高压快充技术已经成为众多新能源车厂差异化竞争的重点手段之一。不过,800V高压快充会涉及到车内电源到车外充电整个强电链路。然而,因硅基器件无法承载电压的大幅升高,未来,以SiC为核心的800V强电系统,将在主逆变器、DC-DC、AC-DC、车载充电器、充电桩模组等领域全面替代硅基器件。此外,硅基高压驱动、高效输配电技术、新式BMS系统、电容电感、高压线束连接器等,均存在广阔的技术迭代空间。

如果要说SiC在800V高压快充平台中的优势,那主要体现在:

一是稳定高效,适用高压高频领域。以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势。因此,采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,适用于高电压、高频率场景,还能以较少的电能消耗,获得更高的运行能力。

相比于Si,SiC具有10倍的击穿电场强度、3倍的禁带、2倍的极限工作温度和超过2倍的饱和电子漂移速率。SiC还具有3倍的热导率,这意味着3倍于Si的冷却能力。

二是节能+减重,新能源领域潜力大。罗姆在WLTC(全球统一轻型车辆测试循环)行驶循环的模拟行驶试验条件下,对逆变器进行采用第四代SiC MOSFET和IGBT的行驶电费试验。该结果显示,采用SiC MOSFET总电费比IGBT改善6%,市区模式改善10%。改善电力消耗也意味着,维持行车距离不变的情况下可以降低电池电容。

另一方面,碳化硅基逆变器通过提高能量传导效率,可以做到比硅基逆变器更小更轻。罗姆在Formula E电动方程式世界锦标赛中提供的SiC逆变器,将逆变器重量降低至9kg,相较传统逆变器减重6kg。

特别说明一下,尽管800V平台也仍然可以采用耐高压的Si-IGBT作为功率器件,但IGBT的下一代SIC(碳化硅)技术已在美国、欧洲、日本等国家和地区开始全面普及。对比Si与SiC,最核心的指标包括击穿场强、饱和电子漂移速率、热导率。击穿场强决定了耐压性,SiC击穿场强最高,更适合高压场景,如果在相同电压情况下,SiC器件厚度更薄,尺寸更小,重量更轻,导通电阻更低,能量损失更小;热导率决定了散热性,SiC的热导率最高,因此散热片等冷却部件体积可以做到更小。因此,SiC正成为800V高压快充平台应用的最优选项。

根据浙商证券发布的研究报告,Yole预计2026年SiC功率器件市场规模将达45亿美元,2020-2026年CAGR为36%。在新能源车方面,目前单特斯拉Model 3/Y一年需求量就能消耗全球SiC晶圆绝大产能。如果2025年SiC在新能源车渗透率达60%,预计6英寸SiC衬底需求达587万片/年,市场空间达231亿元。

尽管SiC有诸多技术优势,也具有很好的市场发展潜力,但由于SiC衬底生长速率慢、制备技术难度较大,导致大尺寸、高品质 SiC 衬底产量低、成本高。从产业链来看,SiC产业链主要包括衬底材料制备、外延层生长、器件制造以及下游应用。衬底、外延、栅氧工艺,是最关键的三大技术领域,材料成本占产业链70%以上。其中,衬底占SiC价值链50%左右,外延环节价值链占比20%-25%。在器件与模组环节,当前热点聚焦在SiC MOSFET上,国内尚无稳定量产出货的车规级SiC MOSFET产线,但相对中低压、非车规的领域,已逐步实现突破,包括Foundry和IDM。至于碳化硅模组,国内车厂大多使用英飞凌的方案,未来塑封、DSC等方向均值得关注。

800V高压快如何落地 

毋庸置疑,800V高压快充将是未来新能源汽车重要发展趋势之一。目前,国家政策层面也在快速推进高压充电桩等基础设施,同时一些掌握高压快充技术的企业也在积极响应国家政策。未来两三年内,800V高压快充技术将得到大范围普及应用。从消费者的角度,如果新能源汽车能用高压充电桩,将大幅缩短充电时间,有效提升新能源汽车体验感,加快消费者对新能源汽车的接受速度。从国家战略层面,800V高压快充技术将利好新能源汽车的快速发展,可以更好地支持国家“双碳”的发展目标。

不过,800V高压快充技术普及应用并非一蹴而就,主要面临的三大问题:一是基础设施不匹配;二是技术挑战;三是成本问题。

关于基础设施不匹配,大家都知道,目前国内绝大部分公共充电桩还都是400V平台,要实现800V高压快充,最关键的问题是配套的供电体系跟不上。比如上文所提到的保时捷Taycan,其800V高压充电平台并不是完全的高压平台,而是做了部分妥协,比如空调压缩机是耐400V的,利用额外配置的高压转换器,把400V提升至800V高压。比亚迪内部的800V平台其实也内置了升压器,与真正的800V高压快充配套设施还是有一些差异。

(图片来源:汽车之家)

不过,值得一提的是,升压快充还是非常有意义的。毕竟这项技术解决了800V电动车与800V充电设施“先有鸡还是先有蛋”的悖论。在这种技术的加持下,800V平台的电动车可以与800V充电网络同步开发建设,即:当下,800V平台电动车可以用400V电桩充电;未来,800V平台可以用800V电桩充电。这在很大程度上解决了前期800V高压充电桩不足的问题。

再谈一下技术挑战。从车端技术变革的角度,要想实现800V高压充电,SiC必然要全面的介入,但其技术主要被国外几家企业所垄断,且处于供需失衡的状态。据悉,英飞凌积压的订单超过310亿欧元,是其产能的两三倍,其中就包括SiC器件。同时,车企想要落地800V高压快充,必须要具备一定的技术基础。目前国内主要厂商只有比亚迪,其本身从做电池起家,在高压充电方面的技术积累比较深厚,技术也比较成熟,优先在车辆上适配高压快充技术,实现了800V高压快充的落地。然而,国内其他车企在这方面的技术积累相对比较薄弱,更多是依赖外部技术支持,这就限制了800V高压充电技术的普及。

另外,成本也是800V高压充电普及的掣肘因素。据了解,800V高压充电零部件会让整车成本增加1-2万元/台,可能在一些高端或价格较高的新能源车型中还不算敏感的因素,但在普通大众对新能源汽车接受度还不是很高的情况下,增加1-2万元的价格,可能就会成为致命的问题。从车厂的角度,新技术的投入,必定会带来相应研发成本的提高,导致企业成本增加,而很多车企还不是很愿意在这一块投入太大预算,至少要经过一些市场验证才行。

除了用车成本,配套的高压充电桩成本过高也是整个800V高压充电系统普及的一大难题。相对当前主流的400V充电桩,800V高压充电桩在设计架构上就有所不同,除了要搭配SiC MOSFET,还需要用液冷的系统才能解决系统高压充电问题。如此,更高成本的高压充电桩将由谁来承担?谁来推动高压充电桩的部署?据说,特斯拉V3超级充电桩已经在全球部署超过25000个,但相对当前新能源汽车市场不断上升的发展态势估计还是有些滞后。

这里我们也讨论一下换电池的模式。即电池可以更换,没电了就去换电站,把车上的电池取下,换上充满电的电池,同时支付相应的电池使用费用。从理论的角度,这种模式也是可行的,可以将漫长的充电过程和电动车运行相分离,充电过程由换电站负责,换电过程仅需要数分钟,大大提升了用车效率。特别是从成本的角度来考量,换电池的模式完全可以依靠现有的充电桩来完成,在技术上并不存在难度,加上可以在公共停车场、小区停车位、加油站等多种场景布局,成本上更具优势。但这种模式需要统一电池标准,以及统一建设充电设施的标准。

个人认为,从实用性角度来看,充电方式更加具备普及性。比如,一些家用车可能更在乎电池,还是不愿把新买的车电池换来换去,而运营车辆可能不太在乎,更适合这种换电池的模式。当然,充电模式和换电池模式结合起来,是不是更好的选择呢?

总结

在汽车电子行业中,功率半导体作为最受益的细分赛道,将充分享受“双碳”背景下汽车行业电动化变革带来的新机遇。目前,我国“十四五”规划已将碳化硅半导体纳入重点支持领域,而800V高压快充技术必然也会快速普及应用。

未来,无论电池技术如何发展,更先进的充电技术都会让新能源汽车锦上添花。在各大车厂以及配套厂商的推动下,800V高压快充平台将在未来两三年内得到普及。不过值得一提的是,既然目前来看800V高压快充平台是一个可行路径,那么800V以上的更高电压的平台也将成为可能。

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Jimmy Zhang,产业分析师。曾长期负责行业期刊的整体编制工作,对新型显示产业具有较深的认知,对产业内容也具有较强的整体策划与把控能力。
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