中國儲能網(wǎng)訊：充電10分鐘，續(xù)航300公里。近日，小鵬汽車推出其走量車型G6，該車型搭載800V高壓平臺，充電1分鐘可增加5%的續(xù)航。
不只是小鵬汽車。當下，高壓快充成為越來越多國內(nèi)外主流車企深度布局電動化的路線選擇，推動車規(guī)級碳化硅站上“新風口”。業(yè)內(nèi)專家表示，碳化硅是800V電壓平臺下功率器件的首要選擇。800V高壓碳化硅平臺既可以提高電池充電速度，又能夠提高整車運行效率，在同等電池容量情況下延長續(xù)航里程，成為緩解電動汽車“里程焦慮”的一劑良藥。
碳化硅“絕配”800V
續(xù)航低、充電慢一直以來都是困擾新能源汽車車主和車企的兩大難題。要解決這些問題，一方面需要提高電池續(xù)航里程，另一方面則是要加快充電速度。800V高壓碳化硅平臺的誕生，就是為了實現(xiàn)快充。
電動汽車高壓平臺不是指某一個器件可以在800V高壓正常工作，而是電池、電機、電機控制器都可以運行在高壓狀態(tài)下。國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心總工程師劉朝輝告訴《中國電子報》記者，實現(xiàn)快充的方式有提升充電電流和提升充電電壓兩種。大電流方案會增加充電過程中的熱量，對汽車整體架構(gòu)、熱管理以及電池BMS要求較高，且效率提升空間有限。因此，國內(nèi)外車企大多傾向采用低電流、高電壓方式。其優(yōu)點在于，除了可以有效降低發(fā)熱現(xiàn)象外，還能進一步減少重量，節(jié)省車內(nèi)空間。這一方面讓充電性能大幅提升，提高電池充電速度；另一方面提高整車運行效率，在同等電池容量情況下延長續(xù)航里程。
目前，將整車平臺電壓提升到800V開始成為主流電動車企的共識。2019年，保時捷推出首款純電超跑Taycan，第一次將電動汽車主流的400V電壓平臺升級到800V，可在30分鐘內(nèi)，把動力電池從5%充至80%。2022年，小鵬汽車發(fā)布全球首款搭載800V高壓碳化硅平臺量產(chǎn)車型G9，實現(xiàn)超充5分鐘，續(xù)航超過200公里，電池從10%充至80%最快僅需15分鐘。今年4月，理想汽車發(fā)布800V超充方案，涵蓋碳化硅高壓電驅(qū)系統(tǒng)、4C電池、寬溫域熱管理系統(tǒng)和4C超充網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)充電10分鐘、補能400公里。據(jù)記者不完全統(tǒng)計，目前全球已推出或計劃推出800V高壓系統(tǒng)的汽車品牌多達20余家，比亞迪、吉利、奧迪、通用、哪吒等車企都在采用高電壓的方式提升充電速度。
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“整車選擇高壓架構(gòu)是實現(xiàn)超級快充的必經(jīng)之路，800V左右的高壓在當前可支撐實現(xiàn)2C快充。”華為數(shù)字能源技術(shù)有限公司智能電動領(lǐng)域副總裁彭鵬表示，對于一輛搭載100kW電量的電動汽車而言，在當前400V電壓平臺、250A電流下，需要30分鐘才能充電30%至80%，而如果電壓提升到800V，15分鐘能實現(xiàn)電池充滿，達到4C的效率，基本滿足現(xiàn)階段消費者的快充需求。
要構(gòu)建800V高壓平臺，碳化硅功率器件是關(guān)鍵。一位業(yè)內(nèi)人士告訴《中國電子報》記者，碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趨勢，尤其是在800V充電架構(gòu)之下，硅基IGBT已接近性能極限，很難滿足主驅(qū)逆變器的技術(shù)需求。
劉朝輝介紹，碳化硅材料性能優(yōu)越，耐高溫、高壓、高頻，是800V電壓平臺下功率器件的首要選擇。采用SiC MOSFET可以減小開關(guān)損耗、提高工作頻率，增加系統(tǒng)功率密度，超越采用IGBT器件系統(tǒng)的性能。
小鵬汽車功率系統(tǒng)負責人表示：“采用碳化硅的高壓電機控制器，CLTC（中國輕型汽車行駛工況續(xù)航）工況能量轉(zhuǎn)換效率可提高3%~4%，實現(xiàn)整車續(xù)航里程的提升?！?
盡管碳化硅成本過高問題一直飽受詬病，但多位業(yè)內(nèi)專家指出，整車廠一般不會單一考慮單個功率器件成本變化，而是更加關(guān)注整車成本變化。碳化硅方案能夠提升整車系統(tǒng)效率，并未提高整車成本。
“目前單個碳化硅功率器件的價值量約為硅基IGBT的3倍。但在高壓平臺碳化硅方案下，電驅(qū)動系統(tǒng)開關(guān)頻率提高，線路電流減小，器件更緊湊，大大節(jié)省了電纜、動力電池、冷卻系統(tǒng)等部件成本，綜合下來，使用碳化硅可以實現(xiàn)不大幅增加整車成本但顯著提升充電速度的效果。未來，碳化硅規(guī)模化量產(chǎn)之后，成本會繼續(xù)下探，為降低整車成本創(chuàng)造更大空間?！眲⒊x預(yù)計，800V高壓碳化硅平臺或?qū)⒃?025年后逐步普及，屆時，電動汽車有望實現(xiàn)充電5-10分鐘續(xù)航500公里，與傳統(tǒng)油車加油3-5分鐘實現(xiàn)的續(xù)航里程相當。
碳化硅廠商加速布局
電動汽車800V高壓平臺的落地推動車規(guī)級碳化硅快速發(fā)展。上述業(yè)內(nèi)人士指出，目前來看，800V高壓平臺有望成為未來SiC的核心應(yīng)用產(chǎn)品，得到功率器件廠商“前所未有”的重視。
800V的高壓系統(tǒng)，需要800V—1200V的功率元器件支持。英飛凌、意法半導體、Wolfspeed、法雷奧、博世等功率器件廠商、汽車零部件一級供應(yīng)商（Tier1）與車企展開深入合作，加速推進高壓碳化硅架構(gòu)上車進程。
英飛凌2021年6月上市電動汽車逆變器碳化硅模組，應(yīng)用于現(xiàn)代汽車下一代800V電動車型。基于該模組，現(xiàn)代汽車車輛續(xù)航里程提高5%以上。今年6月，英飛凌宣布推出適用于汽車應(yīng)用的新一代1200V CoolSiC MOSFET，與第一代產(chǎn)品相比，新產(chǎn)品開關(guān)損耗降低25%，在實現(xiàn)高頻操作的同時，可縮小系統(tǒng)尺寸、提高功率密度。目前，該產(chǎn)品已被汽車充電系統(tǒng)供應(yīng)商科世達用于下一代車載充電機（OBC）平臺中。
意法半導體于2021年5月宣布，為電源模塊系統(tǒng)廠商塞米控的eMPack電動汽車電源模塊提供碳化硅技術(shù)，幫助其建立750V和1200V eMPack平臺。去年年底，意法半導體宣布推出新型碳化硅功率模組，并稱該模組將被現(xiàn)代集團800V E-GMP電動車平臺采用。今年3月，英國跑車制造商邁凱倫宣布已與意法半導體達成合作，下一代 IPG5 800V 逆變器將搭載由后者提供的1200V SiC MOSFET模塊。
Wolfspeed為Rhombus Energy Solutions提供1200V SiC MOSFET；博世基于碳化硅模塊，在乘用車方面推出扁線800V三合一電驅(qū)動總成（電機+電控+減速器），并與江淮汽車在800V電驅(qū)、碳化硅逆變器展開全方面合作；法雷奧新開發(fā)出800V 碳化硅功率模塊，可提升5%的續(xù)航里程，同時減重約40%......
比亞迪1200V/1040A碳化硅模塊
放眼市場，車規(guī)級碳化硅領(lǐng)域仍由外國半導體企業(yè)占據(jù)主導地位。但隨著國內(nèi)新能源汽車的快速發(fā)展，也吸引了一批國內(nèi)企業(yè)積極發(fā)力。比亞迪半導體、斯達半導、中國中車、三安光電、華潤微電子、派恩杰、芯聚能等都在布局車規(guī)級碳化硅產(chǎn)品。
根據(jù)CASA Research不完全統(tǒng)計，2022年國內(nèi)至少有14家企業(yè)推出了超過217款碳化硅MOSFET，品種較2021年增加70%，耐壓水平提高到1700V。模塊技術(shù)方面，2022年，比亞迪推出1200V/1040A碳化硅模塊，功率再創(chuàng)新高，大量應(yīng)用于比亞迪熱銷車型。芯聚能1200V APD系列碳化硅模塊已搭載主驅(qū)逆變器上車過萬臺。
對于國內(nèi)企業(yè)在800V 碳化硅器件上的進展和挑戰(zhàn)，三安光電副總經(jīng)理陳東坡表示：“對于碳化硅器件和模塊，如果要將系統(tǒng)電壓提升到800V，那么元器件應(yīng)推升到1200V，但是1200V碳化硅MOSFET器件，目前國內(nèi)還較為欠缺。再往上游看，襯底和材料部分，目前國內(nèi)4英寸的基本可以滿足，但如果要追求性價比，降低成本的話需要往6英寸甚至8英寸延伸，目前國內(nèi)市場和國外龍頭企業(yè)還有一些差距。
供不應(yīng)求局面或?qū)⒕徑?/strong>
業(yè)界認為，800V高壓平臺將成為未來電動汽車主流平臺，而其普及之路，卻正陷入碳化硅功率器件供不應(yīng)求的“瓶頸”。
近期，馬斯克在特斯拉投資者大會上宣布，其下一代平臺將減少75%碳化硅的方案，引起業(yè)界波動。值得一提的是，在碳化硅方面，早在2016年，特斯拉就率先在Model3上應(yīng)用了低壓碳化硅。
上述業(yè)內(nèi)人士告訴《中國電子報》記者，很多人看到這個消息，第一反應(yīng)是碳化硅“失勢”了，這其實是一種誤解。他解釋說，特斯拉可能通過升級800V平臺，且采用新的封裝技術(shù)來改善碳化硅單管或模塊的性能和散熱能力，將幾個小的器件做成了一個大的器件。也就是說，碳化硅器件的使用數(shù)量減少了，但是材料的使用量基本沒有變。這是技術(shù)的進步，也提升了產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，器件數(shù)量的減少也意味著整車系統(tǒng)的成本下降。降價是打開市場的一個信號，之前碳化硅多用于高端車型，而以后中、低端車型也都可以使用，產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大了，更有利于碳化硅的普及。
同時，碳化硅的多項優(yōu)勢導致新能源車企紛紛追隨特斯拉上車應(yīng)用，導致碳化硅供應(yīng)不足。劉朝輝表示，從國際企業(yè)披露的訂單詳情來看，目前，意法半導體、英飛凌、安森美、wolfspeed等公司訂單量遠超產(chǎn)能。
根據(jù)Yole預(yù)測，2021~2027年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模有望從10.9億美元增長到62.97億美元，保持年均34%的復(fù)合增速。其中，車規(guī)級市場是碳化硅最主要的應(yīng)用場景，有望從2021年6.85億美元增長至2027年49.86億美元。而方正證券預(yù)計，2026年全球SiC襯底有效產(chǎn)能為330萬片，同年襯底需求量卻有629萬片，供需存在較大差距。
基本半導體總經(jīng)理和巍巍告訴《中國電子報》記者，SiC襯底生產(chǎn)比較困難，包括碳粉硅粉合成、晶體生長、晶錠加工等諸多精細步驟。核心的參數(shù)涉及直徑、雜質(zhì)、均勻性、彎曲翹曲以及光滑度等參數(shù)。未來兩三年要增長到約六七十億美元的規(guī)模，這個過程對產(chǎn)業(yè)界來說壓力巨大。因為每個環(huán)節(jié)擴產(chǎn)都不是一時就能擴出來的，需要很多的人才和資金的投入。
劉朝暉指出，受制于制備工藝水平，碳化硅芯片良率僅有50%~60%，導致產(chǎn)能不足。此外，舊晶圓廠設(shè)備備件的交貨時間、新產(chǎn)能、新設(shè)備的交期時間等因素，都限制了產(chǎn)能。他預(yù)計，碳化硅產(chǎn)能供不應(yīng)求局面或?qū)⒊掷m(xù)至2025年。
“目前多個國內(nèi)供應(yīng)商已經(jīng)完成了碳化硅芯片的流片并開始小批量送樣?！鄙鲜鲂※i汽車功率系統(tǒng)負責人表示：“長期來看，國際供應(yīng)商已針對碳化硅進行產(chǎn)能布局與投資，增加供應(yīng)產(chǎn)能。2025年開始，新增產(chǎn)能會逐步釋放。同時國內(nèi)供應(yīng)商正在長晶、襯底、晶圓制造等環(huán)節(jié)加速核心工藝的研發(fā)與投入。隨著國際供應(yīng)商新增產(chǎn)能釋放與國內(nèi)供應(yīng)商的成熟度提升，碳化硅供應(yīng)的瓶頸會逐步好轉(zhuǎn)?！?
