向800V平台挺进!

随着汽车电动化及800v高压平台的大规模上车,碳化硅功率器件(sic)将进入快速爆发期。
2021年以来,车企掀起了一轮大功率快充车型的发布热潮,有广汽埃安、吉利极氪、理想汽车、比亚迪、北汽极狐等车企陆续发布了搭载800v高电压平台的车型,其中不少都将量产时间定在了2022年。
实际上早在2019年,保时捷就在taycan搭载了800v高压快充平台,也是最早搭载该技术的车企,曾一度成为新能源汽车发展的风向标。
2022年成为了800v高压平台“元年”,未来,这一技术将进入更多的新能源汽车,800v平台架构甚至将成为高压快充的重要解决方案,开启超高压快充时代。
在800v甚至更高水平的平台上,高压快充会涉及到车内电源到车外充电整个电路,具备耐高压、耐高温、高频等优势的碳化硅器件(sic),无疑将成为硅基igbt芯片最佳的替代方案!
随着电动车渗透率不断升高,以及整车架构朝800v高压方向迈进,预估2025年全球电动车市场对6英寸sic晶圆需求可达169万片,未来几年sic功率器件将随着汽车电动化及800v高压平台的大规模上车,进入快速爆发期。
未来,以sic为核心的800v强电系统,将在主逆变器、电机驱动系统、dc-dc、车载充电器(obc)以及非车载充电桩等领域迎来规模化发展。
碳化硅(sic)这条“赛道”愈发呈现出欣欣向荣之势,不管是汽车产业链上游的芯片企业和一级零部件供应商,还是下游传统车企和造车新势力,都在疯狂押注碳化硅,合资建厂、扩大产能、签署供货协议等等消息接踵而至。如此疯狂的碳化硅半导体究竟有什么魔力,这就需要从其材料本身的性能来看。
碳化硅(sic)是第三代半导体产业发展的重要基础材料,与si相比,sic在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势,是材料端革命性的突破。sic击穿场强是si的10倍,这意味着同样电压等级的sic mosfet外延层厚度只需要si的十分之一,对应漂移区阻抗大大降低,且sic禁带宽度(~3.2 ev)是si的3倍,导电能力更强。sic导热率为si的4-5倍,电子饱和速度是si的2-3倍,能够实现10倍的工作频率。
基于碳化硅的功率器件相较于硅基器件具有耐高压、耐高温、抗辐射、散热能力佳、更低的导通损耗和开关损耗、更高的开关频率、可减小模块体积等杰出特性,不仅可广泛用于电动汽车驱动系统、列车牵引设备、充电桩、开关电源、光伏逆变器、伺服电机、高压直流输电设备等民用场景,还可显著提升战斗机、战舰等军用系统装备的性能。
叠加“第三代半导体”在我国被赋予的战略意义,碳化硅产业发展直接被列入十四五规划,适合高功率和高频率应用场景,如储能、风电、光伏、轨道交通、新能源汽车等行业。
800v高压平台也有它的一些现实掣肘。800v 超充由于电压太高,充电模块采用 igbt 损耗会太高,要换用 sic。sic的价格是 igbt 的 2.5至3 倍左右,由于 sic 的散热和耐热性能比 igbt 更佳、损耗更低、体积也更小,会有部分的成本降低,综合下来,使用 sic 充电模块替代si-igtb会使成本大约贵上 1.5到2 倍。
比起一般的充电桩,800v 超充造成的电压偏移情况也会严重很多,更容易电压越限。如果按照现有的配电系统基础设施,如果一整个城市全都是 800v 的超充站并且集中使用,最坏的预计结果可能会导致整个城市瞬间停电、各种电用设备烧毁。
这就和你在家里,同时使用十几个电吹风导致停电的概念差不多。立志要发展 800v 超充的车企当然知道这个问题的存在,它们一致提出了“配置储能”的解决方案,用储能化解对配电网的冲击。
由于 800v 超充要达到 360kw 甚至 480kw,电流要 450a 到 600a,不能像一般充电桩用风冷,势必要用液冷,成本也会上升。充电桩的采购成本会上升 1.8 倍左右,估摸约 0.63至0.72 元 / w。一个 360kw 超充的成本估算约为 23 万到 26 万之间。
中国储能的成本磷酸铁锂 1kwh 在 1000 - 1300 元之间、三元锂 1kwh 在 1200 - 1600 元之间,只需特斯拉储能系统的一半,而将来还会更便宜!储能变流器 pcs 的成本差异更大,1kw 的成本在 320 - 500 元之间,只有特斯拉 pcs 的 1/3 到 1/5。
以 1mwh 计算,pcs 选 500kw,每 kwh 一样用 2136 元,500kw / 1mwh 的成本约为 213.6 万元。结果是:储能集装箱比建超充站的成本还高。
中国现在超充配储能的比例不高,不过在美国很多超充站已经标配储能。以美国的 electrify america 为例,拥有 350kw 大功率超充的站点,将配置一套特斯拉 350kwh、功率为 210kw(210kw/350kwh)的储能系统。
electrify america 一套特斯拉储能系统,价格约 21 万美元,按 6.7 汇率计算约为 140 万人民币。跟中国比,还蛮贵的。
虽然可以利用充放电从电网辅助服务赚钱,但从上面的储能电站经济指标,能看到投资报酬率并不高。储能的成本绝非大家想象的低,超充站绝非大家想象的容易建设。
很多时候,车企的宣传带偏了 800v 平台的意义,似乎大功率超充能很快把电充满,解决充电慢就是 800v 平台的存在价值,车主充电不用等待就是最大诉求。显然,这么理解不立体!
800v 平台对新能源车辆而言,最大的意义是“降低能耗”!由于更高的电压,800v在同等功率下,电流只需 400v 的一半。发热量 = i²r,一半的电流,代表发热量只剩 1/4。
虽然电机效率很高,发热量本就不大,但相对应的散热器件,依然要占据空间;而现在发热量变得更小了,散热器件相对应也能减少。并且 800v 平台需要用到的 sic 组件,其热导率和耐热值比 igbt 好上许多,散热器件可以进一步减少。
也就是说,sic 能将电机、电控的体积缩小到极致,腾挪出更多的空间,从而大幅提高汽车性能并优化整车架构,使新能源汽车具有更低的成本、更长的续航里程、更紧凑的空间设计以及更高的功率密度。
经过数十年的发展,硅基功率器件正在接近材料极限,要进一步提高其功率密度非常困难。比如目前市售电动车所搭载的功率半导体多数为硅基器件,采用si igbt技术的功率模块仍在电动汽车应用中占主导地位。
凭借着“耐高压”、“耐高温”、和“高频”的特点,车规级sic功率器件主要应用于主驱逆变器、obc、充电桩等场景,在主驱逆变器、obc、dc-dc以及直流充电桩模块中,sic mosfet在高压系统中有望快速替代si igbt。
800v 平台将有着更好的能源使用效率、更轻的重量,带来续航里程的增加,为车主带来实惠。

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