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车规800V平台布局热下SiC借势而起|深度
发布日期:2022-05-03 05:17   来源:未知   阅读:

  国内车企如小鹏汽车、广汽埃安、理想汽车等已经布局了800V快充技术,2022年有望为国内车规800V电压平台发展元年,碳化硅SiC器件具有高频率、高效率、小体积等优点,已经被普遍认为是800V平台量产应用的关键支撑技术,在下游需求驱动下,国内外产业链布局持续加速。博世、东芝、罗姆、比亚迪、华润微等传统的汽车功率半导体企业正在掀起新一轮扩产热潮,预计未来几年SiC器件将随着800V平台的大规模上车进入快速爆发阶段。

  根据中国汽车工业协会数据,我国新能源汽车销量由2015年的33.1万辆增至2019年的120.6万辆,复合增长率达38%,渗透率达到4.7%。根据工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,2025年我国汽车销量有望达到3000万辆,其中新能源汽车占新车总销量20%,新能源汽车销量有望达到600万辆。据天科合达招股书披露,根据现有技术方案,每辆新能源汽车使用的功率器件价值约700美元到1000美元。据相关预测数据显示,到2025年,新能源汽车和充电桩领域的SiC市场规模将达到17.78亿美元,约占SiC总市场规模的七成左右。而中国得益于新能源汽车的快速发展,有望贡献近半数的市场。

  2019年豪车品牌保时捷推出全球首款800V车型Taycan。2020年比亚迪汉采用了800V架构,2021年上海车展发布的e平台3.0亦搭载800V架构。随后华为、吉利、广汽、小鹏、岚图等Tier1和整车厂/品牌推出了车桩两端的解决方案,以保障快充使用体验。我们认为2022年作为800V高压快充元年,各家主机厂都会纷纷布局。未来两年高端化是整车厂主战场,军备竞赛开启。补能时间是电动车面临的核心短板之一,升级800V结构有利于实现快充,在短期内形成对中低端车型的差异化竞争力。长期看快充对于中低端车型亦是刚需,800V架构升级具备长期趋势。

  目前已经发布的SiC 车型包括特斯拉、比亚迪(汉)、丰田(未来)、Lucid Air、现代E-GMP、奥迪-e-tronGT、野马Mach-E 等众多品牌。保时捷Taycan、现代 Ioniq 5、莲花、Rivian、雷诺和JLR等众多都宣布了新的800V 汽车平台,这些平台将在2025 年之前采用碳化硅MOSFET。国内方面,目前有6家车企已经布局了800V快充技术,并有望在2021年底后陆续实现量产。比亚迪未来的新能源汽车将全系采用碳化硅,小鹏汽车、广汽埃安、e平台、吉利极氪、理想汽车、北汽极狐6家都已经布局快充技术,小鹏G9、蔚来ET7 等搭载碳化硅电驱的车型即将陆续交付。随着SiC 应用车型不断增多,800V 高压平台升级将进一步提升SiC 渗透率。

  在小鹏汽车1024科技节上,主要介绍了4大方面的内容,分别是:超级补能、智能驾驶、智能机器人、飞行汽车。超级补能体系,其核心是“超级充电”和“全面充电体系布局”两方面的融合,小鹏期望在2023年年内完成部署。

  ·超级充电:在车、桩、站,三端同时发力,提升超充效率、降低充电成本。车端:在中国首个量产800V的高压碳化硅平台,实现“充电5分钟,续航200公里”,并首个实现量产;桩端:小鹏自研480kW高压超充桩,从10%-80% 仅需12分钟,希望率先量产并规模铺设,同时注重轻量化设计;站端:超充站的自研储能充电技术,一次储满可以满足30台车不间断充电,同时拥有支持大功率充电的能力。

  ·广汽集团发布石墨烯超级快充电池:广汽集团董事长曾庆洪在2021年1月16日举行的“中国电动汽车百人会论坛”上表示,石墨烯超级快充电池,测试可以在8分钟充满80%以上电量,里程达到650公里,希望2021年年底,全面进行量产。

  ·广汽通过在811、622电池的基础上增加1%-2%的石墨烯正负极材料,来提高电池的充电速度、续航能力,和能量密度。

  2021年9月,石墨烯超级快充电池首次搭载在2个版本的AION V车型上,分别是:6C的500km 续航版、3C的500km 续航版。9月29日,广汽AION V Plus正式上市。

  目标是在2021年内布局超过100个超级快充站,实现充电3-5分钟,续航500公里。

  ·布局:理想目前正在研发高压快充技术,并计划于2023年推出Whale和Shark两个纯电平台,同年将基于平台推出高压纯电动车型。

  ·纯电车型推出节奏:在2020Q3财报电线kW快充技术成熟前,理想汽车不会推出纯电车型。并表示增程式技术在大型SUV、MPV车型上,具有5-10年的领先优势。

  ·400kW快充技术支撑:1)800V 以上的电压平台;2)500Ah 超级快充的国家标准;3) 4C 充电倍率以上的电池。在2023年理想推出纯电车的同时,一部分用户就立即能体验到400kW的充电体验。

  在下游需求驱动下,国内外产业链布局持续加速。12 月3 日,博世中国官方发布消息称,博世目前准备开始大规模量产由SiC 制成的功率半导体,旨在将产出提高至上亿颗的水平。此前博世已经开始扩建罗伊特林根工厂的无尘车间,同时着手研发功率密度更高的第二代SiC芯片,预计将于2022年投入大规模量产。未来越来越多的量产车将搭载碳化硅芯片及功率器件的应用。

  东芝、罗姆半导体、富士电机等日本厂商也在积极增产车用SiC功率半导体。其中东芝被曝计划在2023年将旗下姬路半导体工厂的SiC功率半导体产量扩增至2020年度的3倍,并于2025年进一步扩增至10倍。

  罗姆半导体则计划投资500亿日元,在2025年之前将SiC功率半导体产能提高至现行的5倍以上。为更好地聚焦新能源汽车市场,今年10月下旬罗姆与正海集团共同宣布成立一家合资公司——海姆希科,以专注于SiC功率模块的设计和制造。

  据了解,海姆希科的SiC功率模块计划于2022年开始在日本罗姆工厂进行小批量生产,2023年在闵行区工厂内进行大批量生产。其第一代产品主要面向电动车逆变器领域,根据客户车型及应用场景不同,逆变器效率将提升3%至6%左右。

  而在国内,随着新能源汽车的快速发展,也吸引了一批企业密集布局。以比亚迪半导体、斯达半导、中国中车、三安光电、华润微电子、派恩杰等本土企业也都在积极发力,发力车用SiC。其中三安光电已经在湖南建设了国内首条碳化硅全产业链生产线,涵盖长晶、晶圆、外延、芯片、研发、封测环节,于今年6月正式点亮投产。据悉,下一步光伏、新能源和汽车的OBC、DC-DC、主驱都是其重点发力方向。

  在车用SiC领域,国内也开始涌现一批新锐力量,并密集获得资本的加持。今年以来,包括派恩杰、瞻芯电子、阿基米德半导体、积塔半导体、臻驱科技、芯聚能半导体、基本半导体、利普思半导体等在内的多家本土企业均获得了新的融资,累计融资规模超百亿元。

  11 月19 日,宁波甬晶第三代半导体产业项目签约落地中交未来城,项目计划总投资10 亿元,打造第三代半导体产业基地。11 月29日,无锡华润上华科技有限公司发布了“SiC 项目新增5 台设备二次配工程招标公告”,公告显示该公司将自筹资金建设SiC 工程。11 月30 日,上海积塔半导体官方披露已完成80 亿元人民币战略融资,加大车规级电源管理芯片、IGBT 和碳化硅功率器件等方面制造工艺的研发力度。

  派恩杰则于近日宣布SiC MOSFET产品在新能源汽车OBC应用验证取得了重大突破,获得了新能源汽车龙头企业数千万订单,并已开始低调供货,目前该公司正着力选址建造车用SiC模块封装产线。阿基米德半导体也于近日获得了3亿元天使轮融资,用于推动车规级光伏SiC/IGBT落地。

  伴随着相关企业的密集布局,据统计现阶段国内碳化硅项目已经有100多个(包括其他非车用项目)。基于此,本土企业在车用SiC领域已经取得了一定的突破。

  而且SiC的应用本身还要考虑技术升级和市场效应问题,并不会在短时间就完成对硅基IGBT的替代。据相关机构预计,即便到2025-2026年,SiC的渗透率也不会超过20%,80%甚至更多还会是硅基IGBT。这背后, SiC 长晶技术壁垒高、器件良率低以及成本经济性等都是亟待攻克的问题。

  但值得关注的,由于芯片短缺的持续蔓延,让越来越多的本土企业意识到了供应链自主可控的重要性,一些自主车企也在有意识地扶持本土玩家。吉利就于今年5月份通过旗下威睿电动汽车与碳化硅企业芯聚能半导体等,合资成立了广东芯粤能半导体有限公司,来布局碳化硅赛道。

  上汽集团则在近日通过旗下市场化私募股权投资平台尚颀资本出资了5亿元,参与积塔半导体的A轮投资,以助力积塔半导体加快IGBT和SiC功率器件等的研发进程,推动汽车核心芯片自主可控。而在今年年初,尚颀资本还参与投资了上海瀚薪,布局SiC赛道。

  对于电池端,快充实质上是提升各电芯所在支路的充电电流,而随着单车带电量超100kWh以上的车型持续推出,电芯数量增加,若仍继续维持400V母线电压规格,电芯并联数量增加,导致母线电流增加,对铜线规格、热管理带来巨大挑战。因此需要改变电池包内电芯串并联结构,减少并联而增加串联,方能在提升支路电流的同时维持母线电流在合理水平。由于串联数量增加,母线C快充所要求的母线V左右。为了兼容全级别车型快充功能,800V电气架构成为实现快充的主流选择。

  电池充电速度以电流倍率(C)衡量。实际应用中的限制条件是:1)充电枪有最大充电电流限制,2)不同EV有不同的电池容量,均要实现相当的快充时间。

  做一个简单的算术:假设忽略电池包内部电芯连接方式,容量75/100kWh的电池包,要求同样要实现7.5min充满(

  因此,为了向上兼容电池容量大高端车快充性能,在设计之初就将整车电压水平定在800V,电池包内部电芯亦以800V为标准设计串并联拓扑,最后确定电芯容量。例如,400V体系下,如果是三元电芯,需要400/3.6=112个串联节点;若4个电芯并联,则一共需要448个电芯。电池包容量是100kWh,则单个NCM电芯容量为62Ah,对应电芯连接方式是4并112串。800V体系下,若电芯规格不变,电芯连接方式则变为2并224串。

  这样做的益处有2点,其一是高压线束规格下降,用量减少,降本减重。在电压翻倍、充电功率增幅不翻倍的情形下,串联增加,高压线束电流变小。其二是SiC逆变器使得电源频率增加,电机转速增加,相同功率下转矩减小,体积减小。电机电压翻倍,相同功率下电流减半,因此铜线细(但匝数增加,因此用铜量未减小),电流密度小,转矩变小,若需提升功率,额定电流仅需从400V电机额定电流的一半开始增加。

  如下图所示,我们对比发现高压电气系统下400V与800V拓扑结构基本一致,没有太大变化。

  但若800V电压平台的电车能够使用之前400V的直流快充桩,则需要在车端增加额外的DC/DC转换器进行升压,达到800V及以上才能够对动力电池进行充电。

  我们认为在800V的情况下,整车成本及充电装置将会更昂贵,800V部件在应用初期更适用于高档跑车/SUV等,中低端车型在较长时间内采取400V电压平台仍将是较为经济的选择。

  除去可能新增DC/DC升压部件之外,在原本的整车高压电气架构中直接与高压系统直接连接的子系统部件如:动力电池系统、动力系统(电机、电机控制器)、电源系统(DC/DC、OBC、PDU)以及车内的空调压缩机、加热系统等需要提升部件耐压等级。

  在这些子系统部件提升耐压等级从400V平台升至800V平台后,其所采用的元器件及材料如:线缆、连接器、继电器、保险丝、电容、电阻、电感及功率半导体等耐压等级需提升至800V及以上。我们认为为了保证产品的质量,在应用初期设计时将有可能需要更高的耐压等级的部件来满足绝缘安全冗余度的要求。

  在400V电压平台下,当前E/E电气架构下较难突破500A,即200kW以上的快充。但升级到800V电压之后200kW快充电流可减少一半至250A,800V电压平台有望使快充功率突破至350kW。

  我们认为在800V电压平台应用的趋势下,快充将会成为纯电动车重要的功能,从400V转向800V可以通过更多的电池串联在一起解决电压提升问题,但更重要的是电池能够承受大功率充电(2.2C以上)的同时保持较长的寿命,以及大功率充电下的散热问题,这都有较大的挑战。

  因为动力电池电压平台已经升级到800V,当前的OBC、DC/DC及PDU等电源产品都需要从400V等级提升至符合800V电压平台的应用,SiC器件由于其优异的特性也将开始大规模的应用。

  除此之外,直流快充桩原本输出电压等级为400V,可直接给动力电池充电,但动力电池为800V后其电压不再能够继续充电,因此需要一个额外的升压产品使400V电压能够上升到800V,进而给动力电池进行直流快充。在此技术方案下,这个器件需要能够满足大功率充电的功率,因此其价值量相比传统DC/DC要更大,而电源企业也将充分受益于此升压DC/DC产品的配置。

  在800V电压平台下,根据ST测试数据,SiC器件损耗显著低于IGBT,在常用的25%的负载下其损耗低于IGBT 80%。我们认为碳化硅器件在800V电压平台下具有显著的优势,将会很快的推展开来。

  此外,由于目前SiC MOSFET单管器件的价格仍为Si IGBT价格的3-5倍,而功率器件是电机控制器中最重要的器件之一,因此也会带来电机控制器价值量的提升。

  SiC市场未来将能够保持高速发展,根据ST数据,2019年SiC全球市场规模为9.84亿美元,但到2025年可达48.32亿美元,其中52%的将会应用在汽车领域。其中细分市场复合增速,充电桩领域可达到70.4%,商用车领域可达46.5%,HEV/EV领域可达34.1%。

  在新能源汽车电机控制器当中,电力转换是通过控制IGBT的开关来实现的。IGBT受材料本身的局限,较难工作在200℃以上。高功率密度的电机控制器需要高效的电力转换效率和更高的工作温度,这对功率器件也提出了更高的要求,如:更低的导通损耗、耐高温、高导热能力等。

  而基于碳化硅(SiC)单晶材料的功率器件,具有高频率、高效率、小体积等优点(比IGBT功率器件小70%-80%),已经在特斯拉Model 3 车型中得到了应用。

  SiC MOSFET的开关损耗显著低于Si IGBT,SiC二极管反向回复损耗低且基本不随温度变化。SiC MOSFET的Rds(on)导通电阻低且基本不随温度变化,反向恢复时间也相比Si MOSFET有优势。

  在400V电压平台下,SiC能够比IGBT器件拥有2-4%的效率提升,而在750V电压平台下其提升幅度则可增大至3.5%-8%。

  正是由于SiC器件极好的特性,SiC可以在混合动力及纯电动车中大范围的应用,可以应用的部件包括:DC/DC直流变压器、DC/DC升压器、OBC车载充电器以及动力电机控制器。

  我们认为SiC器件已经开启了在新能源汽车领域的大规模应用。例如欣锐科技公司公告中表明,公司生产的车载电源大部分都使用SiC器件。(校对:Iris)