电动汽车为什么要上800V？碳化硅能否迎来甜蜜时刻？ 来源:宽禁带半导体技术创新联盟 发布时间:2022-05-17 1706浏览
通用汽车副总裁希尔潘·阿明曾表示：“电动汽车用户正追求更长的续航里程，而碳化硅被视为电力电子设计中的一种重要材料。” 碳化硅的崛起，与电动汽车的800V高压平台系统算是“绝配”。在800V高压平台火热的趋势下，据行业预测，未来几年SiC功率元器件将随着800V平台的大规模上车进入快速爆发阶段。
碳化硅和800V可谓是“互相成就”，他们都有「光明的未来」。 01 电动汽车为什么要上800V？ 无论是厂家还是车主，对“充电5分钟，续航200km”的效果都是梦寐以求的。想要达到这个效果，就要解决两大需求痛点： 一，就是让充电性能大幅提升，快速提升电池充电速度 二，就是提高整车运行效率，在同等电量情况下，延长续驶里程。 这里，我们可以用初中物理简单理解一下：P=UI。那么想要提高功率，无非是加大电流或提升电压两种方式。 而大电流会导致充电枪、线缆及动力电池核心部件等产生很高的热损失，其理论提高上限并不大。因此，提升电流这条路“走不通”，不，应该是“走不远”。 那么，提高电压呢？ 当系统电流维持不变，充电功率会随着系统电压翻倍，也就是峰值充电速度增加一倍，充电时间会大大缩短。此外，在相同充电功率下，电压高了，电流就可以降低，而导线就不用那么粗，导线的电阻热能耗也就降低。
因此，如果还使用原来400V所用的充电导线尺寸，则可以提升充电功率。也就意味着，在800V平台下，可以使用较细的充电导线。 华为的一项研究显示，采用了800V高压模式的快充支持30%-80%SOC最大功率充电，而低压大电流模式仅能在10%-20%SOC进行最大功率充电，在其他区间充电功率下降的非常迅速。可见，800V高压模式能支持更长时间的快充。 而整车运行效率更高是指，电流不变时，电池电压越高，电机的功率越大，电机驱动的效率也越高。 所以，800V高压平台容易实现高功率和大扭矩，以及更好的加速性能。虽然说800V给电动车带来的补能效率提升是质变级的，但800V落地推广的最大阻碍之一就是成本问题。 02 为什么是成本问题？ 800V平台会带来哪些改变？ 我们可以从后往前推，如果电动汽车架构升级到800V，那么它高压元器件的标准也就会相应地提高，其中逆变器也会从传统的IGBT器件换成SiC材料MOSFET器件。本身逆变器它的成本就仅次于电池的零部件，如果升级成SiC，成本则又提高了一个档次。
但对于整车厂而言，应用碳化硅一般不会单一考虑功率器件成本，更重要的是考虑整车成本变化。因此如何找到「SiC带来的成本节约」与「其本身高昂成本」之间的平衡很重要。 在SiC方面，第一个吃螃蟹的人是特斯拉。 2018年，特斯拉在 Model 3中首次将IGBT模块换成了碳化硅模块。在相同功率等级下，碳化硅模块的封装尺寸明显小于硅模块，并且开关损耗降低了75%。而且，换算下来，采用SiC模块替代IGBT模块，其系统效率可以提高5%左右。
从成本端来看，这种替换成本上升将近1500元。但是，因为整车效率的提升，导致电池装机量的下降，电池端的成本又省回来了。 这算是特斯拉的一次豪赌，因其庞大的市场销量而使得成本摊平，特斯拉 也凭借这次豪赌抢先占据了400V电池系统的技术和市场。 而在800V方面，保时捷作为第一个吃螃蟹的人，在2019推出的全电动Taycan跑车中安装了800V系统，掀起了一波电动汽车800V高压架构的军备竞赛。 从保时捷端分析成本颇有些“欠妥”，毕竟人家主打的是豪车效应，讲究一个品牌溢价。 但是在技术的开发和应用上，这是“牵一发而动全身”的大工程。比如，在800V高压充电下，电池包的电压也要相对提升到800V，否则会因为高充电电流而烧毁。此外，不仅涉及充电系统，还涉及电池系统、电驱系统、高压辅件和线束系统，影响着车辆的启动、行驶、空调使用等。
而最初的Taycan并没有拿出一个完全由800V用电器组成的电压平台，当年的保时捷找不到800V工作电压的空调压缩机，而是通过DCDC转换器融合了400V和800V两套高压系统，并在电池的快充速度上进行了一定的妥协和让步。 03 “先有鸡还是先有蛋” 在落地层面，对于整车厂来说，在没有基础设施配套的前提下，推出一款高电压平台的产品，仍将使用户面临充电困难的问题。“先有鸡还是先有蛋”的问题也就演变成了“车等桩”还是“桩等车”的问题。
在800V大背景下，要对现有充电桩进行升级。相比以往的普通充电桩，800V大功率充电桩的成本至少翻倍，甚至达到2～3倍。对于低端车型而言，随车配送800V大功率充电桩将大幅削弱其价格竞争力。 其次，极高的充电功率对电网是一次巨大挑战，能否大规模推广，还取决于电网基建能力。 但是，对于国内的充电桩运营商来说，高功率快充也有助于提高盈利能力。当车企争相部署800V技术架构时，与之适配的高压大功率充电桩的数量也将联动增长。 此外，部分车企也开展了其充电桩的铺设，也就是所谓的自营超充。 比如特斯拉的超充桩网络，小鹏汽车也提出了自建480kW高压超充桩的计划，并创新性地将800V快充和储能系统相结合等等。
要想让800V产品从概念变为现实，大功率充电桩、电网基建能力等基础设施实际问题需要推到解决。 04 结语 除此之外， “芯荒”也会有一定的影响。800V车型的规模上量保障需要实现SiC的稳定供应。而碳化硅的应用要考虑技术升级和市场效应问题，不会短时间完成对硅基IGBT的替代。 但随着800V的到来，不光是逆变器。车载充电器、DC/DC转换器以及充电桩对SiC也有较强需求。根据 Yole 的最新预测中，预计到 2027 年，SiC 器件市场将从 2021 年的 10 亿美元业务增长到60 亿美元以上。 800V电气架构升级具备长期趋势，SiC的受益也是最大的，其他部件平滑升级，SiC器件的风口有望实实在在到来。最后，配合补能基础设施的落地，800V高压架构才是究极完成体，才能真正意义上到达“800V元年”。 正在寻找芯片现货或供应渠道？ 芯片求购一键发，icspec供需随心看。
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