搭載800V高壓碳化硅平臺(tái)量產(chǎn)車型——小鵬G6
【資料圖】
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(tái)，充電1分鐘可增加5%的續(xù)航。
不只是小鵬汽車。當(dāng)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(dòng)化的路線選擇，推動(dòng)車規(guī)級(jí)碳化硅站上“新風(fēng)口”。業(yè)內(nèi)專家表示，碳化硅是800V電壓平臺(tái)下功率器件的首要選擇。800V高壓碳化硅平臺(tái)既可以提高電池充電速度，又能夠提高整車運(yùn)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(dòng)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(tái)的誕生，就是為了實(shí)現(xiàn)快充。
小鵬汽車800V高壓SiC碳化硅平臺(tái)
電動(dòng)汽車高壓平臺(tái)不是指某一個(gè)器件可以在800V高壓正常工作，而是電池、電機(jī)、電機(jī)控制器都可以運(yùn)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(bào)》記者，實(shí)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(huì)增加充電過程中的熱量，對(duì)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(diǎn)在于，除了可以有效降低發(fā)熱現(xiàn)象外，還能進(jìn)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(yùn)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(tái)電壓提升到800V開始成為主流電動(dòng)車企的共識(shí)。2019年，保時(shí)捷推出首款純電超跑Taycan，第一次將電動(dòng)汽車主流的400V電壓平臺(tái)升級(jí)到800V，可在30分鐘內(nèi)，把動(dòng)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(tái)量產(chǎn)車型G9，實(shí)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(shí)現(xiàn)充電10分鐘、補(bǔ)能400公里。據(jù)記者不完全統(tǒng)計(jì)，目前全球已推出或計(jì)劃推出800V高壓系統(tǒng)的汽車品牌多達(dá)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。
來源：根據(jù)公開資料整理
“整車選擇高壓架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)超級(jí)快充的必經(jīng)之路，800V左右的高壓在當(dāng)前可支撐實(shí)現(xiàn)2C快充。”華為數(shù)字能源技術(shù)有限公司智能電動(dòng)領(lǐng)域副總裁彭鵬表示，對(duì)于一輛搭載100kW電量的電動(dòng)汽車而言，在當(dāng)前400V電壓平臺(tái)、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(shí)現(xiàn)電池充滿，達(dá)到4C的效率，基本滿足現(xiàn)階段消費(fèi)者的快充需求。
要構(gòu)建800V高壓平臺(tái)，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(bào)》記者，碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趨勢(shì)，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(tái)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(fù)責(zé)人表示：“采用碳化硅的高壓電機(jī)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(shí)現(xiàn)整車?yán)m(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(huì)單一考慮單個(gè)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(gè)碳化硅功率器件的價(jià)值量約為硅基IGBT的3倍。但在高壓平臺(tái)碳化硅方案下，電驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(huì)繼續(xù)下探，為降低整車成本創(chuàng)造更大空間。”劉朝輝預(yù)計(jì)，800V高壓碳化硅平臺(tái)或?qū)⒃?025年后逐步普及，屆時(shí)，電動(dòng)汽車有望實(shí)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(shí)現(xiàn)的續(xù)航里程相當(dāng)。
碳化硅廠商加速布局
電動(dòng)汽車800V高壓平臺(tái)的落地推動(dòng)車規(guī)級(jí)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(tái)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(dǎo)體、Wolfspeed、法雷奧、博世等功率器件廠商、汽車零部件一級(jí)供應(yīng)商（Tier1）與車企展開深入合作，加速推進(jìn)高壓碳化硅架構(gòu)上車進(jìn)程。
英飛凌2021年6月上市電動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)高頻操作的同時(shí)，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(dá)用于下一代車載充電機(jī)（OBC）平臺(tái)中。
意法半導(dǎo)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(dòng)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(tái)。去年年底，意法半導(dǎo)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(tuán)800V E-GMP電動(dòng)車平臺(tái)采用。今年3月，英國跑車制造商邁凱倫宣布已與意法半導(dǎo)體達(dá)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(dòng)總成（電機(jī)+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(shí)減重約40%......
比亞迪1200V/1040A碳化硅模塊
放眼市場(chǎng)，車規(guī)級(jí)碳化硅領(lǐng)域仍由外國半導(dǎo)體企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)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(dǎo)體、斯達(dá)半導(dǎo)、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(jí)碳化硅產(chǎn)品。
根據(jù)CASA Research不完全統(tǒng)計(jì)，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(tái)。
對(duì)于國內(nèi)企業(yè)在800V 碳化硅器件上的進(jìn)展和挑戰(zhàn)，三安光電副總經(jīng)理陳東坡表示：“對(duì)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(jià)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(chǎng)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(rèn)為，800V高壓平臺(tái)將成為未來電動(dòng)汽車主流平臺(tái)，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(huì)上宣布，其下一代平臺(tái)將減少75%碳化硅的方案，引起業(yè)界波動(dòng)。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(bào)》記者，很多人看到這個(gè)消息，第一反應(yīng)是碳化硅“失勢(shì)”了，這其實(shí)是一種誤解。他解釋說，特斯拉可能通過升級(jí)800V平臺(tái)，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(gè)小的器件做成了一個(gè)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(jìn)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(jià)是打開市場(chǎng)的一個(gè)信號(hào)，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(kuò)大了，更有利于碳化硅的普及。
同時(shí)，碳化硅的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致新能源車企紛紛追隨特斯拉上車應(yīng)用，導(dǎo)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(dǎo)體、英飛凌、安森美、wolfspeed等公司訂單量遠(yuǎn)超產(chǎn)能。
根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2021~2027年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)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(jí)市場(chǎng)是碳化硅最主要的應(yīng)用場(chǎng)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(jì)，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(dǎo)體總經(jīng)理和巍巍告訴《中國電子報(bào)》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(xì)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(gè)過程對(duì)產(chǎn)業(yè)界來說壓力巨大。因?yàn)槊總€(gè)環(huán)節(jié)擴(kuò)產(chǎn)都不是一時(shí)就能擴(kuò)出來的，需要很多的人才和資金的投入。
劉朝輝指出，受制于制備工藝水平，國產(chǎn)碳化硅芯片良率多數(shù)不高于60%，導(dǎo)致產(chǎn)能不足。此外，舊晶圓廠設(shè)備備件的交貨時(shí)間、新產(chǎn)能、新設(shè)備的交期時(shí)間等因素，都限制了產(chǎn)能。他預(yù)計(jì)，碳化硅產(chǎn)能供不應(yīng)求局面或?qū)⒃?025年后有所緩解。
“目前多個(gè)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。”上述小鵬汽車功率系統(tǒng)負(fù)責(zé)人表示：“長期來看，國際供應(yīng)商已針對(duì)碳化硅進(jìn)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(huì)逐步釋放。同時(shí)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(huì)逐步好轉(zhuǎn)。”
碳化硅大規(guī)模上車：道阻且長，行則將至
碳化硅和IGBT并行不悖，新能源汽車功率器件怎么配？
作者丨張維佳
編輯丨張心怡
美編丨馬利亞
監(jiān)制丨連曉東
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