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小鹏、吉利、比亚迪拥抱800V高压平台,电车普及超快充还在等什么?

电子发烧友网报道(文/梁浩斌)与遵循摩尔定律持续高速迭代的集成电路不同,电池技术在过去几十年中进展缓慢。因此当前电动汽车要解决续航问题,主要有两个发展方向:换电和快充。其中换电由于配套设施投入大,并且目前还未有一个通用标准,所以换电技术除了蔚来汽车有大规模的落地外,其他车企都只是处于试验阶段。 毫无疑问,直流快充是目前电动汽车补能的最重要手段,同时也是各大车企重点布局的方向。近日,小鹏汽车官方发布了多项战略规划,其中包括将推出国内首个量产800V高压SiC平台。据小鹏汽车介绍,该平台最高支持600A电流输入,电驱效率大于95%,并可以实现充电5分钟,补充200km续航里程的能力。

小鹏、吉利、比亚迪拥抱800V高压平台,电车普及超快充还在等什么?

图片来源:小鹏汽车官方微博 与此同时,在充电桩端,小鹏汽车还表示将量产铺设480kW高压充电桩。作为对比,目前电动汽车的充电桩功率普遍是60-120kW,而特斯拉最新的V3超级充电桩最大功率可以达到250kW。 在快充之后,小鹏还推出了自研储能充电技术,一次储能能满足30台车不间断充电,并支持大功率超充。 其实车端的800V电压平台早在2019年就在保时捷Tycan上就已经实现大规模量产,不过当时Tycan上的800V平台并没有完全应用SiC器件,在功率模块上还是采用了硅基IGBT。所以小鹏这次宣布将推出国内首个量产800V高压SiC平台,或许意味着SiC技术在电动汽车高压快充中的应用将迎来爆发期。

800V平台SiC必不可少

去年以来,各大车企纷纷布局800V及以上高压平台,包括吉利的SEA浩瀚架构、广汽埃安的880V/480kW平台、比亚迪e平台3.0、通用 UItium 平台、现代 E-GMP 架构、还有预计在年内交付的Lucid Air 900V架构等等。 而从目前的趋势来看,大多数业内人士普遍的观点是,未来电动汽车主流将会分为400V与800V两套系统,400V适用于中低端小型车,而中高端车型在未来将会更多地应用800V平台。 而对于800V及以上高电压平台中,电机逆变器是最关键部件之一。目前400V平台中搭配的逆变器基本采用硅基IGBT作为核心,随着电压提升,采用SiC器件的整体效率提升就越明显。 对于逆变器而言,800V高压平台下使用SiC MOSFET会比传统的硅基IGBT整体系统效率提高8%。与此同时,在相同功率前提下,采用SiC器件的模块尺寸和重量相比传统硅基模块大幅缩小,甚至可以令开关损耗降低75%。这对于轻量化与节能需求极大的电动汽车可以说是刚需。 在市场方面,有调研机构预计到2022年,SiC在电动汽车中的市场空间将增长到24亿美元,这是2017年车用SiC整体收入的300多倍。 SiC龙头企业Wolfspeed(原Cree)预计,SiC逆变器能为电动汽车提升5-10%的续航,并节省400-800美元的电池成本,即使减去由于采用SiC器件所增加的成本(200美元),依然具备成本优势。

800V普及还有两大难题摆在面前

为了应对未来电动汽车对于SiC器件的需求,在近两年如罗姆、Wolfspeed、ST、英飞凌、瀚天天成、天科合达等海内外企业都在加紧布局SiC扩产计划。据了解,小鹏汽车的SiC供应商正是英飞凌。 2019年5月,Wolfspeed宣布在未来5年内投入10亿美元,在北卡罗来纳州建造一座采用最先进技术的自动化200mm SiC晶圆工厂和一座材料工厂,以扩大SiC产能。 ST在去年2月以1.4亿美元收购了瑞典SiC晶圆制造商Norstel AB。ST表示在完成这次交易后,将在全球产能受限的情况下控制部分SiC器件的整个供应链。 国内厂商方面,天科合达的第三代半导体碳化硅衬底产业化基地建设项目2020年8月在北京市大兴区顺利开工,总投资约9.5亿元人民币,新建一条400台/套碳化硅单晶生长炉及其配套切、磨、抛加工设备的碳化硅衬底生产线,项目计划于2022年年初完工投产,建成后可年产碳化硅衬底12万片。 同样在去年8月,三安光电宣布收购北电新材,后者2019年投资了5.8亿元在福建建设产能为3.6万片SiC衬底的项目。 去年11月,合肥露笑科技投资100亿元建设SiC设备制造、长晶生产、衬底加工、外延制作等产业链的研发和生产基地。 但即便如此,SiC的生产依然存在一定瓶颈,比如原料晶柱的质量不稳定等。 有业内人士认为,SiC基板的开发是所有企业都在着力解决的最大瓶颈之一,SiC基板和传统的硅晶有很大不同,处理SiC要从设备、工艺、处理到切割的一切都需要另外进行开发。 而目前市面上的SiC晶圆大多是4英寸和6英寸,全球只有英飞凌、Wolfspeed、ST、Soitec、罗姆、II-VI、以及国内的烁科晶体能生产8英寸SiC晶圆,但其中能够大规模量产的屈指可数。 加上在生产过程中的周期长、良率难控制,这些因素加起来导致了SiC价格持续处于高位。当前SiC器件的价格可以达到传统Si器件的4到5倍。 有数据显示,按照特斯拉Model 3上所使用的器件全部更换为SiC后,平均2辆汽车就需要消耗一片6英寸SiC晶圆。而如果特斯拉能达到2022年交付量100万辆的目标,那么仅特斯拉一家车企就消耗50万片SiC晶圆。要知道,目前全球SiC晶圆的年产能才约为40-60万片,这意味着一家车企就要消耗当前全球SiC晶圆的所有产能。 所以,对于800V高压平台的一个不确定因素是,SiC产能问题。另一方面,在充电桩端,其实也存在一定限制。 目前我国通用充电桩最大支持750V/250A输出,即187kW输出,到了实际应用上还大概率达不到这个理论峰值。不过国内大功率ChaoJi充电的新标准也即将进行推广,可以实现1500V/600A,最高900kW功率输出。 但从特斯拉超充布局的窘境上看,事实上大功率充电桩的布局远不是成本以及充电桩技术这么简单。 最根本的原因是电力基建不能满足快充桩的用电需求。以广州白云宾馆为例,建筑的电力设计负荷为3120kW,如果装了两个小鹏汽车未来推出的480kW充电桩,那么这两个充电桩工作时就已经消耗了整个宾馆总负荷的三分之一,这是运营方无法接受的。 这你就能理解,为什么高速服务站上,可用的快充桩数量少的可怜,毕竟总的设计负荷是有限的,安装再多充电桩,他们的充电功率都是共享的,数量再多也没有意义。 所以,当前限制电动汽车快充发展的最大障碍,不是电气技术,而是基建。当然,在新基建的政策推动下,以国内强大的电力基建实力,相信这些问题会随着时间迎刃而解。

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