碳化硅的崛起,與電動(dòng)汽車的800V高壓平臺(tái)系統(tǒng)算是“絕配”。在800V高壓平臺(tái)火熱的趨勢(shì)下,據(jù)行業(yè)預(yù)測(cè),未來(lái)幾年SiC功率元器件將隨著800V平臺(tái)的大規(guī)模上車進(jìn)入快速爆發(fā)階段。
碳化硅和800V可謂是”互相成就”,他們都有「光明的未來(lái)」。
一、電動(dòng)汽車為什么要上800V?
無(wú)論是廠家還是車主,對(duì)“充電5分鐘,續(xù)航200km”的效果都是夢(mèng)寐以求的。想要達(dá)到這個(gè)效果,就要解決兩大需求痛點(diǎn):
1、就是讓充電性能大幅提升,快速提升電池充電速度;
2、就是提高整車運(yùn)行效率,在同等電量情況下,延長(zhǎng)續(xù)駛里程。
這里,我們可以用初中物理簡(jiǎn)單理解一下:P=UI。那么想要提高功率,無(wú)非是加大電流或提升電壓兩種方式。
而大電流會(huì)導(dǎo)致充電槍、線纜及動(dòng)力電池核心部件等產(chǎn)生很高的熱損失,其理論提高上限并不大。因此,提升電流這條路“走不通”,不,應(yīng)該是“走不遠(yuǎn)”。
那么,提高電壓呢?
當(dāng)系統(tǒng)電流維持不變,充電功率會(huì)隨著系統(tǒng)電壓翻倍,也就是峰值充電速度增加一倍,充電時(shí)間會(huì)大大縮短。此外,在相同充電功率下,電壓高了,電流就可以降低,而導(dǎo)線就不用那么粗,導(dǎo)線的電阻熱能耗也就降低。
因此,如果還使用原來(lái)400V所用的充電導(dǎo)線尺寸,則可以提升充電功率。也就意味著,在800V平臺(tái)下,可以使用較細(xì)的充電導(dǎo)線。
華為的一項(xiàng)研究顯示,采用了800V高壓模式的快充支持30%-80%SOC最大功率充電,而低壓大電流模式僅能在10%-20%SOC進(jìn)行最大功率充電,在其他區(qū)間充電功率下降的非常迅速。可見(jiàn),800V高壓模式能支持更長(zhǎng)時(shí)間的快充。
而整車運(yùn)行效率更高是指,電流不變時(shí),電池電壓越高,電機(jī)的功率越大,電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率也越高。
所以,800V高壓平臺(tái)容易實(shí)現(xiàn)高功率和大扭矩,以及更好的加速性能。雖然說(shuō)800V給電動(dòng)車帶來(lái)的補(bǔ)能效率提升是質(zhì)變級(jí)的,但800V落地推廣的最大阻礙之一就是成本問(wèn)題。
二、為什么是成本問(wèn)題?800V平臺(tái)會(huì)帶來(lái)哪些改變?
我們可以從后往前推,如果電動(dòng)汽車架構(gòu)升級(jí)到800V,那么它高壓元器件的標(biāo)準(zhǔn)也就會(huì)相應(yīng)地提高,其中逆變器也會(huì)從傳統(tǒng)的IGBT器件換成SiC材料MOSFET器件。本身逆變器它的成本就僅次于電池的零部件,如果升級(jí)成SiC,成本則又提高了一個(gè)檔次。
但對(duì)于整車廠而言,應(yīng)用碳化硅一般不會(huì)單一考慮功率器件成本,更重要的是考慮整車成本變化。因此如何找到「SiC帶來(lái)的成本節(jié)約」與「其本身高昂成本」之間的平衡很重要。
在SiC方面,第一個(gè)吃螃蟹的人是特斯拉。
2018年,特斯拉在 Model 3中首次將IGBT模塊換成了碳化硅模塊。在相同功率等級(jí)下,碳化硅模塊的封裝尺寸明顯小于硅模塊,并且開(kāi)關(guān)損耗降低了75%。而且,換算下來(lái),采用SiC模塊替代IGBT模塊,其系統(tǒng)效率可以提高5%左右。
從成本端來(lái)看,這種替換成本上升將近1500元。但是,因?yàn)檎囆实奶嵘瑢?dǎo)致電池裝機(jī)量的下降,電池端的成本又省回來(lái)了。
這算是特斯拉的一次豪賭,因其龐大的市場(chǎng)銷量而使得成本攤平,特斯拉也憑借這次豪賭搶先占據(jù)了400V電池系統(tǒng)的技術(shù)和市場(chǎng)。
而在800V方面,保時(shí)捷作為第一個(gè)吃螃蟹的人,在2019推出的全電動(dòng)Taycan跑車中安裝了800V系統(tǒng),掀起了一波電動(dòng)汽車800V高壓架構(gòu)的軍備競(jìng)賽。
從保時(shí)捷端分析成本頗有些“欠妥”,畢竟人家主打的是豪車效應(yīng),講究一個(gè)品牌溢價(jià)。
但是在技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上,這是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的大工程。比如,在800V高壓充電下,電池包的電壓也要相對(duì)提升到800V,否則會(huì)因?yàn)楦叱潆婋娏鞫鵁龤А4送猓粌H涉及充電系統(tǒng),還涉及電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、高壓輔件和線束系統(tǒng),影響著車輛的啟動(dòng)、行駛、空調(diào)使用等。
而最初的Taycan并沒(méi)有拿出一個(gè)完全由800V用電器組成的電壓平臺(tái),當(dāng)年的保時(shí)捷找不到800V工作電壓的空調(diào)壓縮機(jī),而是通過(guò)DCDC轉(zhuǎn)換器融合了400V和800V兩套高壓系統(tǒng),并在電池的快充速度上進(jìn)行了一定的妥協(xié)和讓步。
三、“先有雞還是先有蛋”
在落地層面,對(duì)于整車廠來(lái)說(shuō),在沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施配套的前提下,推出一款高電壓平臺(tái)的產(chǎn)品,仍將使用戶面臨充電困難的問(wèn)題。“先有雞還是先有蛋”的問(wèn)題也就演變成了“車等樁”還是“樁等車”的問(wèn)題。
在800V大背景下,要對(duì)現(xiàn)有充電樁進(jìn)行升級(jí)。相比以往的普通充電樁,800V大功率充電樁的成本至少翻倍,甚至達(dá)到2~3倍。對(duì)于低端車型而言,隨車配送800V大功率充電樁將大幅削弱其價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。
其次,極高的充電功率對(duì)電網(wǎng)是一次巨大挑戰(zhàn),能否大規(guī)模推廣,還取決于電網(wǎng)基建能力。
但是,對(duì)于國(guó)內(nèi)的充電樁運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō),高功率快充也有助于提高盈利能力。當(dāng)車企爭(zhēng)相部署800V技術(shù)架構(gòu)時(shí),與之適配的高壓大功率充電樁的數(shù)量也將聯(lián)動(dòng)增長(zhǎng)。
此外,部分車企也開(kāi)展了其充電樁的鋪設(shè),也就是所謂的自營(yíng)超充。
比如特斯拉的超充樁網(wǎng)絡(luò),小鵬汽車也提出了自建480kW高壓超充樁的計(jì)劃,并創(chuàng)新性地將800V快充和儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合等等。
要想讓800V產(chǎn)品從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),大功率充電樁、電網(wǎng)基建能力等基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)際問(wèn)題需要推到解決。
四、結(jié)語(yǔ)
除此之外, “芯荒”也會(huì)有一定的影響。800V車型的規(guī)模上量保障需要實(shí)現(xiàn)SiC的穩(wěn)定供應(yīng)。而碳化硅的應(yīng)用要考慮技術(shù)升級(jí)和市場(chǎng)效應(yīng)問(wèn)題,不會(huì)短時(shí)間完成對(duì)硅基IGBT的替代。
但隨著800V的到來(lái),不光是逆變器。車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器以及充電樁對(duì)SiC也有較強(qiáng)需求。根據(jù) Yole 的最新預(yù)測(cè)中,預(yù)計(jì)到 2027 年,SiC 器件市場(chǎng)將從 2021 年的 10 億美元業(yè)務(wù)增長(zhǎng)到60 億美元以上。
800V電氣架構(gòu)升級(jí)具備長(zhǎng)期趨勢(shì),SiC的受益也是最大的,其他部件平滑升級(jí),SiC器件的風(fēng)口有望實(shí)實(shí)在在到來(lái)。最后,配合補(bǔ)能基礎(chǔ)設(shè)施的落地,800V高壓架構(gòu)才是究極完成體,才能真正意義上到達(dá)“800V元年”。
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