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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。

电动汽车为什么要上800V?碳化硅能否迎来甜蜜时刻?

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。

电动汽车为什么要上800V?碳化硅能否迎来甜蜜时刻?

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。

电动汽车为什么要上800V?碳化硅能否迎来甜蜜时刻?

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。

电动汽车为什么要上800V?碳化硅能否迎来甜蜜时刻?

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。

电动汽车为什么要上800V?碳化硅能否迎来甜蜜时刻?

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。

电动汽车为什么要上800V?碳化硅能否迎来甜蜜时刻?

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。

电动汽车为什么要上800V?碳化硅能否迎来甜蜜时刻?

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”。


参考来源:

《800V整体解决方案凭何在大功率充电中脱颖而出?》中国汽车报@万仁美

《800V高压平台,能治好补能焦虑?》车市物语@朱玉龙

《800V高压架构来临,你还会里程焦虑么?》踢车帮@孙小树

《800V“落地”元年:改变汽车行业的大生意》C次元@王小西

《电动车800V高压充电技术现状及趋势》汽车之家

《800V时代,SiC不是唯一选择》碳化硅芯观察@微安

《快问快答5|800V为什么倾向于SiC的功率模块?成本情况?性能变化?》碳化硅芯观察@微安

《An Extremely Detailed Look At The Porsche Taycan’s Engineering Designed To Take On Tesla》Por David Tracy

视频内容脚本:芯TIP@吴晰

视频配音剪辑:芯TIP@吴晰

视频背景音乐:Under control(大数据)- PETO


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