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新能源汽車800V高壓平臺和SiC應用

2022-01-09 21:20:46·  來源：驅動視界  
　
第一部分800V高壓平臺1.1 800V高壓技術概述400V平臺在目前的E/E架構下較難實現(xiàn)200KW以上的快充，但升級到800V高壓平臺之后，200KW的快充電流大幅減小，更有希望
第一部分
800V高壓平臺
1.1 800V高壓技術概述
400V平臺在目前的E/E架構下較難實現(xiàn)200KW以上的快充，但升級到800V高壓平臺之后，200KW的快充電流大幅減小，更有希望實現(xiàn)350KW以上的快充。
而且在充電功率相同的情況下，800V高壓快充架構下的高壓線束直徑更小，相應成本更低，電池的散熱更少，熱管理的難度相對也低一些，整體電池成本更優(yōu)。
鑒于800V高壓平臺可有效解決補能焦慮，目前大部分主機廠已進行了相關布局。2021年比亞迪、吉利、長城、小鵬、零跑等相繼發(fā)布了800V高壓技術的布局規(guī)劃，理想、蔚來等車企也在積極籌備相關技術。從量產時間看，各大車企基于800V高壓技術方案的新車將在2022年之后陸續(xù)上市。


2022年作為800V高壓快充元年，各家主機廠紛紛布局。目前有6家車企已經布局了800V快充技術，并有望在2021年底后陸續(xù)實現(xiàn)量產。
1.2 800V高壓平臺技術分析
1.2.1 400V與800V電壓下整車系統(tǒng)架構基本一致，或增電源部件拓撲結構
如下圖所示，對比發(fā)現(xiàn)高壓電氣系統(tǒng)下400V與800V拓撲結構基本一致，沒有太大變化。
但若800V電壓平臺的電車能夠使用之前400V的直流快充樁，則需要在車端增加額外的DC/DC轉換器進行升壓，達到800V及以上才能夠對動力電池進行充電。
800V平臺的整車成本及充電裝置將會更昂貴，800V部件在應用初期更適用于高檔跑車/SUV等，中低端車型在較長時間內采取400V電壓平臺仍將是較為經濟的選擇。




1.2.2 高壓零部件及元器件需提升耐壓等級，要求明顯提升
除去可能新增DC/DC升壓部件之外，在原本的整車高壓電氣架構中直接與高壓系統(tǒng)直接連接的子系統(tǒng)部件如：動力電池系統(tǒng)、動力系統(tǒng)（電機、電機控制器）、電源系統(tǒng)（DC/DC、OBC、PDU）以及車內的空調壓縮機、加熱系統(tǒng)等需要提升部件耐壓等級。
在這些子系統(tǒng)部件提升耐壓等級從400V平臺升至800V平臺后，其所采用的元器件及材料如：線纜、連接器、繼電器、保險絲、電容、電阻、電感及功率半導體等耐壓等級需提升至800V及以上。
為了保證產品的質量，在應用初期設計時將有可能需要更高的耐壓等級的部件來滿足絕緣安全冗余度的要求。




1.2.3 800V趨勢下快充電池的需求將會加速
在400V電壓平臺下，當前E/E電氣架構下較難突破500A，即200kW以上的快充。但升級到800V電壓之后，200kW快充電流可減少一半至250A，800V電壓平臺有望使快充功率突破至350kW。
同時，根據(jù)Future eDrive-Technologies的測算，在800V平臺下100kwh的電池有望減重達25kg，減重的效果較為明顯。
我們認為在800V電壓平臺應用的趨勢下，快充將會成為純電動車重要的功能，從400V轉向800V可以通過更多的電池串聯(lián)在一起解決電壓提升問題，但更重要的是電池能夠承受大功率充電（2.2C以上）的同時保持較長的壽命，以及大功率充電下的散熱問題，這都有較大的挑戰(zhàn)




1.2.4 車載電源行業(yè)或充分受益于新增的DC/DC升壓產品及SiC的應用
因為動力電池電壓平臺已經升級到800V，當前的OBC、DC/DC及PDU等電源產品都需要從400V等級提升至符合800V電壓平臺的應用，SiC器件由于其優(yōu)異的特性也將開始大規(guī)模的應用。
除此之外，直流快充樁原本輸出電壓等級為400V，可直接給動力電池充電，但動力電池為800V后其電壓不再能夠繼續(xù)充電，因此需要一個額外的升壓產品使400V電壓能夠上升到800V，進而給動力電池進行直流快充。
在此技術方案下，這個器件需要能夠滿足大功率充電的功率，因此其價值量相比傳統(tǒng)DC/DC要更大，而電源企業(yè)也將充分受益于此升壓DC/DC產品的配置。




目前，小鵬汽車、廣汽埃安、比亞迪e平臺、吉利極氪、理想汽車、北汽極狐等企業(yè)都已經布局快充技術。
1.3 國內外車企800V高壓產品布局
1.3.1 現(xiàn)代
在2021上海車展上發(fā)布了IONIQ的首款純電車型現(xiàn)代IONIQ5，基于E-GMP平臺開發(fā)，國內版將于2022年量產，IonIQ 5具備以下技術亮點：
  • 充電狀態(tài)（SOC）從10%至80%，僅需18分鐘；
  • 800V高壓架構；
  • 后驅集成了將400V轉換為800V的HV booster。
從IonIQ 5的800V高壓架構圖可以看出，基本上所有的高壓器件均已升級到800V，前驅采用功率75kW的三合一驅動，后驅采用了功率155KW的五合一驅動，并且設計有400V到800V的轉換器，可以進一步擴大快充的應用場景。


1.3.2 小鵬
在小鵬汽車1024科技節(jié)上，主要介紹了4大方面的內容，分別是：超級補能、智能駕駛、智能機器人、飛行汽車。超級補能體系，其核心是“超級充電”和“全面充電體系布局”兩方面的融合，小鵬期望在2023年年內完成部署。
超級充電：在車、樁、站，三端同時發(fā)力，提升超充效率、降低充電成本。
  • 車端：在中國首個量產800V的高壓碳化硅平臺，實現(xiàn)“充電5分鐘，續(xù)航200公里”，并首個實現(xiàn)量產；
  • 樁端：小鵬自研480kW高壓超充樁，從10%-80% 僅需12分鐘，希望率先量產并規(guī)模鋪設，同時注重輕量化設計；
  • 站端：超充站的自研儲能充電技術，一次儲滿可以滿足30臺車不間斷充電，同時擁有支持大功率充電的能力。




1.3.3 廣汽埃安
石墨烯超級快充電池
巨灣技研是廣汽集團內部孵化的一家公司，其工作重心在超級快充電池技術和新一代突破性儲能技術。在2021年4月9日“2021廣汽科技日”上，介紹了廣汽最新的快充技術進展。
  • 電芯：采用的三維石墨烯材料，可以提高電極材料的導電能力，倍率充電測試中，滿足6C充電要求。涂覆陶瓷隔膜和新型高功率電解液，可提高倍率性和熱穩(wěn)定性。
  • 電池系統(tǒng)：采用高電壓平臺，可以實現(xiàn)快速充電和高續(xù)航里程；高效散熱設計，可以保證電芯在安全的溫度區(qū)間運行。
  • 性能：電池系統(tǒng)可進行6C倍率充電，0-80%SOC充電僅需8分鐘，30%-80%SOC充電僅需5分鐘，車輛常年常溫6C快充循環(huán)可達100萬公里。


2021年9月，石墨烯超級快充電池首次搭載在2個版本的AION V車型上，分別是：6C的 500km 續(xù)航版、3C的 500km 續(xù)航版。9月29日，廣汽 AION V Plus正式上市。
目標在2021年內布局超過100個超級快充站，實現(xiàn)充電3-5分鐘，續(xù)航500公里。
6C快充電池系統(tǒng)：
  • 最大電壓900V
  • 最大電流500A
  • 0-80%SOC充電時間8分鐘


1.3.4 長城
2021年11月，長城沙龍發(fā)布旗下首款車型機甲龍，搭載自研的大禹電池，電池容量為115kWh，CLTC續(xù)航是802km。此外，機甲龍采用了800V高壓充電技術，峰值電流最高可達600A，充電10分鐘，可實現(xiàn)續(xù)航401km，充電15分鐘，可實現(xiàn)續(xù)航545km。


此外，長城也在積極部署800V高壓技術零部件，如可支持800V電壓的雙電機矢量控制模塊、800V SiC控制器、800V~1000V的250A超高壓線束系統(tǒng)等。
1.3.5 比亞迪
比亞迪e 平臺 3.0：零部件&系統(tǒng)
在零部件方面，研發(fā)了包括發(fā)卡式扁線電機、高息腦功能電機控制器、高速低損耗減速器等零件。
發(fā)卡式扁線電機，最高效率達到了97.5%；高性能電機控制器，模塊最大效率達到99.7%；高速低損耗減速器，最高效率達97.6%。
在系統(tǒng)方面，全球首個推出八合一電動力總成，并采四驅架構。八合一電動力總成，最大功率達270kW，綜合效率達到了全球頂級的89%。采用的高性能四驅架構，永磁同步電機+異步電機結合，實現(xiàn)“四驅的動力，兩驅的能耗”


圖：e平臺 3.0“八合一”動力總成


e 平臺 3.0：電機升壓充電技術
比亞迪e3.0 平臺推出了全新一代 SiC電控，采用了自主研發(fā)的全新 SiC MOSFET電機控制模塊、高性能氮化硅陶瓷以及集成 NTC傳感器，使整個電控單元功率密度提升近 30% ，電流最大支持840A ，電壓最大 1200V ，電控最高效率達 99.7% 。
電機升壓充電技術：e 3.0平臺搭載800V超充平臺，采用全球首創(chuàng)的驅動電機升壓充電技術，基于刀片電池、八合一電動力總成、寬溫域高效熱泵系統(tǒng)，融合創(chuàng)新。
性能：搭載全新e平臺高端車型，可實現(xiàn)整車最大續(xù)航1000公里，百公里加速最快2.9秒，低溫續(xù)航最大提升20%，充電5分鐘，最大行駛150公里


1.3.6 吉利
極氪001采用的浩瀚架構具備400V和800V兩種電壓架構。極氪001基于吉利最新研發(fā)的SEA浩瀚架構搭載，同時其也是該架構下的首款量產車型。
極氪001采用了400V電壓架構，并且搭載了具有液冷溫控管理系統(tǒng)的極芯“電池包高倍率充電電芯”，已能達到 2.2C 的高充電倍率，最大充電電流可達到 600A。
充電效率：10%-80%SOC充電時間為30分鐘；充電5分鐘，NEDC續(xù)航里程可增加120公里。


1.3.7 理想
理想目前正在研發(fā)高壓快充技術，并計劃于2023年推出Whale和Shark兩個純電平臺，同年將基于平臺推出高壓純電動車型。
純電車型推出節(jié)奏：在2020Q3財報電話會議上李想表示，在400kW快充技術成熟前，理想汽車不會推出純電車型。并表示增程式技術在大型SUV、MPV車型上，具有5-10年的領先優(yōu)勢。
400kW快充技術支撐：
1）800V 以上的電壓平臺；
2）500Ah 超級快充的國家標準；
3）4C 充電倍率以上的電池。
在2023年理想推出純電車的同時，一部分用戶就立即能體驗到400kW的充電體驗。




1.4 市場分析
800V電壓平臺下，涉及到高壓的器件都需要升級，提高絕緣耐壓等級：車載電源、電動力系統(tǒng)零部件最受益于800V電壓平臺升級，因為除去絕緣等級提升外，得益于SiC器件的應用，以及DC/DC升壓器新部件的引入，車載電源單車配套價值量有望提升；而SiC器件在動力電機控制器的大規(guī)模應用也將助推其單車價值提升。
此外的部件如空壓機、電加熱設備，元器件如電容、繼電器、線束、接插件等都有望受益于耐壓等級要求的提高，而單車配套價值量有所提升。
我國廠商在新能源汽車配套領域出貨量領先，積累了豐富的量產經驗，有望拓展全球市場：在我國新能源汽車發(fā)展的過程中，我國新能源汽車產業(yè)鏈配套公司技術與世界處于同等或近似水平，而生產經驗相對更加豐富，未來有望獲取一定的全球市場份額。
行業(yè)龍頭公司的市場競爭力將會逐漸凸顯，新技術的應用也會拓展行業(yè)的發(fā)展空間和進入壁壘，疊加未來的出海預期，看好產業(yè)鏈配套企業(yè)的長期發(fā)展。
第二部分
SiC控制器
2.1 SiC技術概述
在800V高壓平臺下，系統(tǒng)部件的耐壓等級也需要提升到800V，相應采用的元器件及相關材料的耐壓等級都需要提升至800V以上，且在高壓架構下，電池包、電驅動、PTC、空調、車載充電機等都需重新選型。
從車端看，隨著供應商的積極部署，電驅動、快充電池、PTC，DCDC等的高壓技術已經具備量產能力。如快充電池領域，2021年4月長城旗下的蜂巢能源推出全新的快充電池和對應電芯，第一代2.2C蜂速快充電池的電芯容量為158Ah，能量密度250Wh/kg，充電16分鐘可實現(xiàn)20%-80%SOC，2021年四季度量產；第二代4C快充電池充電典型容量165Ah，能量密度>260Wh/kg，充電10分鐘可實現(xiàn)20%-80%SOC，計劃于2023年二季度量產。


在800V高壓平臺零部件升級過程中，SiC憑借耐壓性好、穩(wěn)定性好、頻率優(yōu)于硅基IGBT、體積小等優(yōu)點，受到行業(yè)的廣泛關注。
在新能源汽車上碳化硅主要應用在車載電源和電機控制器領域。雖然目前SiC器件價格較高，大范圍應用會使單車成本有所上漲，但使用SiC器件可以增加續(xù)航里程，并降低電池成本，與SiC器件帶來的成本上漲抵消之后，單車成本是下降的。
而且從長期看SiC器件的價格是會逐漸下探，因為中國硅基IGBT被國外壟斷了，而在碳化硅領域，華為、欣銳科技、英博爾等已經成功布局，國內廠商有可能實現(xiàn)彎道超車，實現(xiàn)國產化替代，若后期國產化后成本還會進一步下降。
800V高壓平臺量產為SiC發(fā)展注入新的活力，各大供應商紛紛計劃擴大SiC產能以應對后期需求的增長。
2.2 SiC技術分析
2.2.1 電機控制器在800V平臺下由于SiC的應用，價值量將有較大提升
在800V電壓平臺下，根據(jù)ST測試數(shù)據(jù)，SiC器件損耗顯著低于IGBT，在常用的25%的負載下其損耗低于IGBT 80%。
我們認為碳化硅器件在800V電壓平臺下具有顯著的優(yōu)勢，將會很快的推展開來。
此外，由于目前SiC MOSFET單管器件的價格仍為Si IGBT價格的3-5倍，而功率器件是電機控制器中最重要的器件之一，因此也會帶來電機控制器價值量的提升。




2.2.2 第三代功率半導體器件根據(jù)器件不同應用范圍有所差別
功率器件根據(jù)其不同的特性有不同的應用范圍。


2.2.3 SiC未來的應用的市場主要集中在電動車領域，保持高速發(fā)展
SiC市場未來將能夠保持高速發(fā)展，根據(jù)ST數(shù)據(jù)，2019年SiC全球市場規(guī)模為9.84億美元，但到2025年可達48.32億美元，其中52%的將會應用在汽車領域。
其中細分市場復合增速，充電樁領域可達到70.4%，商用車領域可達46.5%，HEV/EV領域可達34.1%。




2.2.4 SiC器件材料本身擁有更好的特性
在新能源汽車電機控制器當中，電力轉換是通過控制IGBT的開關來實現(xiàn)的。IGBT受材料本身的局限，較難工作在200℃以上。
高功率密度的電機控制器需要高效的電力轉換效率和更高的工作溫度，這對功率器件也提出了更高的要求，如：更低的導通損耗、耐高溫、高導熱能力等。
而基于碳化硅（SiC）單晶材料的功率器件，具有高頻率、高效率、小體積等優(yōu)點（比IGBT功率器件小70%-80%），已經在特斯拉 Model 3 車型中得到了應用。
在右下圖的參數(shù)對比中，SiC材料的性能顯著優(yōu)于Si及GaN。




2.2.5 因此SiC材料制成功率器件后性能優(yōu)勢明顯
SiC MOSFET的開關損耗顯著低于Si IGBT（下圖黃色區(qū)域為損耗大小），SiC二極管反向回復損耗低且基本不隨溫度變化。




SiC MOSFET的Rds（on）導通電阻低且基本不隨溫度變化，反向恢復時間也相比Si MOSFET有優(yōu)勢。




2.2.6 根據(jù)電壓平臺不同，SiC應用后電車可獲最大4%-8%的效率提升
根據(jù)ST意法半導體資料，SiC器件相比硅基的IGBT能夠有更小的體積。
在400V電壓平臺下，SiC能夠比IGBT器件擁有2-4%的效率提升，而在750V電壓平臺下其提升幅度則可增大至3.5%-8%。




2.2.7 SiC可在新能源車中多個零部件處替代IGBT，獲得更佳性能
正是由于SiC器件極好的特性，SiC可以在混合動力及純電動車中大范圍的應用，可以應用的部件包括：DC/DC直流變壓器、DC/DC升壓器、OBC車載充電器以及動力電機控制器。
我們認為SiC器件已經開啟了在新能源汽車領域的大規(guī)模應用。根據(jù)欣銳科技公司公告，公司生產的車載電源大部分都使用SiC器件。




2.3 市場分析
車載電源已經開始大規(guī)模的應用SiC器件，同時比亞迪漢車型已經搭載SiC電機控制器、蔚來ET7也將搭載SiC電機控制器，我們預計未來SiC在高端車型的電機控制器領域滲透率將會逐漸提升。
碳化硅SiC器件具有高頻率、高效率、小體積等優(yōu)點，800V電壓平臺升級也是其滲透率提升動力之一，未來將大規(guī)模應用。
我們認為SiC未來應用的市場主要集中在電動車領域，2019年SiC全球市場規(guī)模為9.84億美元，但到2025年可達48.32億美元，行業(yè)未來5年復合增速可達25.5%。
新能源車中OBC、DC/DC、電機控制器等都已經或將大規(guī)模的應用SiC器件，ST預計52%的SiC器件將會應用在汽車領域，將會是SiC最大的應用市場。
第三部分
供應鏈
3.1 精進電動
技術領先，已獲大眾商用車Traton SiC控制器定點
精進電動是新能源汽車電驅動系統(tǒng)國內領軍企業(yè)之一，從事電驅動系統(tǒng)的研發(fā)、生產、銷售及服務，已對驅動電機、控制器、傳動三大總成自主掌握核心技術和實現(xiàn)完整布局。
精進電動是我國少數(shù)能夠持續(xù)獲得全球知名整車企業(yè)電驅動系統(tǒng)產品量產訂單的新能源汽車核心零部件企業(yè)，已經建立了國際化的研發(fā)團隊和全球化的組織架構，目前已在北京、上海、正定、菏澤、余姚以及美國底特律設立了研發(fā)和生產基地。
已經獲得大眾商用車集團Traton SiC控制器的定點，預計將于2024年初量產。


圖：精進電動250kW碳化硅復合冷卻三合一電驅動總成
公司三合一電驅動系統(tǒng)產品實現(xiàn)了深度的集成化，縮短了總成的軸向尺寸、減輕了重量、改善了傳動效率，我們認為其技術參數(shù)相比海外零部件巨頭毫不遜色，甚至還有一定的優(yōu)勢。
2021年9月，精進電動250kW碳化硅復合冷卻三合一電驅動總成推出，該系統(tǒng)采用精進電動的第三代半導體碳化硅控制器（ASIL-D級功能安全），實現(xiàn)了高輸出功率（350V條件下半軸機械輸出功率250kW）和超過95%的高系統(tǒng)效率。? 我們認為后續(xù)隨著公司海外訂單及國內訂單的逐步上量，將迎來快速增長。


3.2 英搏爾
立足自主，收入迅速增長，SiC控制器已經交樣
英搏爾是國內少數(shù)具備新能源汽車動力系統(tǒng)自主研發(fā)、全工藝生產能力的領先企業(yè)，可以為車企提供包括驅動總成、電源總成，以及驅動電機、電機控制器、充電機等動力域核心模塊產品。公司產品已實現(xiàn)從A00級、A級、B級、MPV、SUV等全系乘用車型量產配套，單車配套產品價值量也有效提升，乘用車單個電機控制器配套價值不足3000元，現(xiàn)在裝車的多合一動力總成（含電源系統(tǒng)）產品單車配套價值最高達10,000元。
此外SiC器件因其導通電阻小，開關速度快的特點，運用單管并聯(lián)技術才能發(fā)揮其最優(yōu)特性，我們認為英搏爾擁有單管并聯(lián)技術，其也將在SiC時代擁有一定的優(yōu)勢。目前公司的SiC電機控制器已經給美國福特、一汽大眾交樣。
“集成芯”驅動總成是英搏爾公司第三代驅動總成，是集電機、電機控制器及減速箱為一體的高度集成產品，相比同行體積減少30%，重量減輕30%，成本降低20-30%。
3.3 欣銳科技
受益于800V趨勢，車載電源龍頭將保持高速發(fā)展
公司自2006年初進入新能源汽車產業(yè)，專注新能源汽車車載DC/DC變換器和車載充電機（統(tǒng)稱為車載電源），在車載電源和大功率充電領域積累了豐富的研發(fā)及產業(yè)經驗。此外公司還拓展了氫能與燃料電池業(yè)務，核心產品主要為大功率DC/DC變換器產品，產品可應用于燃料電池乘用車、客車、專用車等。
公司目前已經能夠提供車載電源二合一或三合一的方案，公司的產品主要配套吉利汽車、某新能源龍頭公司（如：DM-i系列車型）、小鵬汽車、東風本田、廣汽本田、現(xiàn)代汽車等國內外知名整車廠商，目前公司絕大多數(shù)產品已經應用SiC功率器件 。
參考文獻：
1、天風證券分析師于特《800V高壓平臺SiC應用，新能源汽車供應鏈的投資機會》
2、佐思汽車研究《800V高壓平臺研究：2022年進入大規(guī)模量產元年》
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