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凛冬至,800V+SiC能带来新能源汽车的春天吗?

来源:网络  时间:2022-11-28 12:46  编辑:白鸽   阅读量:5290   

“夏天排队8小时充电,冬天排队9小时换电”看似一句玩笑话,但在当时的当下新能源汽车行业却实实在在的发生了。

今年7月,川渝地区遭遇罕见高温天气,部分主要水电厂触底,发电量大幅下降,导致限电蔓延。这也直接导致依靠充电回血的新能源汽车成为“大膨胀”。如果过充抢不到,那就只能等慢充了。近日,一段关于长春出租车下雪天排队换电的视频在网上走红。

换电独立于充电路线之外,能被广泛认可的一个重要原因就是方便快捷。几分钟就可以得到充满电的电池,这对于续航能力差、能量补充效果差的新能源汽车来说,无疑是救星。

但在气温早已达到零下的东北,尤其是雨雪天气,动力电池不时冻在机箱里。“先解冻再换电”反复增加了换电和排队的时间成本。更何况,天寒地冻电车停电也是一个令人担忧的问题。

为此,车企绞尽脑汁,电池供应商也没闲着,要么在提高电池能量密度的路上,要么在研发固态电池等新产品技术。现阶段固态电池技术还不成熟,高容量电池往往会增加整车重量,从而影响续航和操控体验。更重要的是,充换电网络建设不完善,能量补充效率低,严重影响有轨电车的体验。

SiC会改变IGBT的生活吗?

2022年,新能源汽车市场将进入稳定增长期。乘联会数据显示,今年前10个月我国新能源汽车总产量559万辆,同比增长108.4%,累计渗透率24.7%。然而,天风证券10月份发布的一份调查显示,续航问题仍然是消费者购车的最大障碍,也是新能源车企急需攻坚的桥头堡。

正因如此,800V+SiC的产品组合越来越受欢迎,包括小鹏、广汽爱安、极氪、理想都布局了800V高压大功率快充技术。充电速度方面,国际标准400V/250A下,1C是上限;用液冷枪,400V/500A平台充电速度2C。相比之下,小鹏G9等车型通过800V平台实现了4C充电。

这不是简单的指800V从桩端到车端的升级,实际上是包括逆变器、电机驱动系统、DC-DC、车载充电器、充电桩在内的强电链接系统。更具体地说,当整车架构升级到800V时,车身所有相关部件的标准也会提高。

800V+ SiC的组合应用是高效输电的关键。

与传统的IGBT相比,以SiC为代表的第三代宽带隙半导体材料具有高压、高频、大功率的特性。同时,SiC器件的击穿电场强度比Si高十倍左右,开关损耗比Si基IGBT低得多。

根据意法半导体的测试数据,在25%的常用负载下,SiC器件的损耗比IGBT低80%。这种情况在1200V电压下更加明显。

就400V和800V平台而言,能量损耗的降低和SiC性能的提升在同规格产品中是不同的。

博世汽车电子中国区总裁安德瑞在2022中国汽车论坛上指出,400V SiC平台可能增加的续航里程较少,约为5%;800V SiC平台的升降幅度可以达到12%左右。不过也要看车型和品牌具体分析,因为通常包含整车厂的调整因素。恩智浦全球副总裁兼新能源和驱动系统产品线总经理李晓河强调,“如果你想让电池支持的续航里程更长,或者同样续航的电池尺寸更小,就必须考虑IGBT转SiC。”

要知道,CLTC电池续航能力的打折,部分是因为动力系统的低能效。如果能降低损耗,就能提高实际电池寿命,在一定程度上降低充电成本。从长远来看,可以延长电池的使用寿命。而且行业数据表明,与IGBT相比,SiC器件的体积可以缩小到1/3以上,重量可以减轻40%以上。

既然有这么多优势,为什么800VSiC迟迟没有大规模落地?为什么新能源的车主还要忍受能量补充效率低的困扰?

能效与系统成本?

成本,成本,还是成本。

据业内人士估计,SiC MOSFET的批量价格大约是硅基IGBT的三倍。这直接导致一些车企在“不完整”的800V平台架构上妥协。第一,提高能量补充效率,电机的规格可以从400V升级到800V;其次,整车成本不能无限堆积,DC-DC升压电源模块等部分部件可以保持在400V的水平。

事实上,SiC早在19世纪末就被发现,并用于制造耐火材料。时至今日,SiC衬底产能不足仍然是行业发展的心病。

从SiC产业链来看,衬底制造技术壁垒最高,价值最大,占比近50%。SiC衬底通常需要生长、加工、切片、研磨、抛光和清洁,然后才能最终形成。其中,晶体生长是核心部分,但目前来看,提高成品率仍是课题。

以卢晓科技8月份披露的数据为例,该公司SiC的良率可达50%,据报道为国际一流水平。成品率是大规模生产SiC的前提。如果良率过低,生产成本会增加,无法实现规模化生产。目前SiC衬底的成本仍然远远高于Si。

“总体而言,IGBT向SiC的转移可以帮助新能源汽车提高动力系统的能效。最终,一辆自行车节省的能源成本远远高于设备本身成本的增加。”在李晓河看来,虽然动力电池的成本占整车的30%到40%,但如果能提高电驱动的效率,提高电池的利用率,那么自行车系统的成本降低比电池更有潜力。

或许,暂时的成本增加只是“眼花缭乱”。对此,Andrui也指出,应用SiC电源产品的优势,如散热设备成本的降低、零部件的减少、能量损耗的降低、车载电池使用寿命的延长等,使得系统的整体成本接近Si,甚至比Si基IGBT更有优势。

2030年将迎来产业集中爆发期。

2022年被认为是800V SiC上车元年。不过,为了兼容市场上的500V和750V快充,有分析认为,在未来很长一段时间内,所有支持800V平台的纯电动汽车都将配备400V升800V DC-DC转换器。

其实这也是800V平台“难”上的原因之一。如果合适的过充桩建设不足,基础设施不“先进”,就很难实现大范围普及。毫无疑问,明显的缺点是由于单站多车充电的分流问题,用户很难体验到800V高压平台带来的快感。再者,如果800V型号被广泛使用,很可能会给电网带来一段时间的压力。

当然,这是后话。现在更重要的任务是加速从IGBT到SiC的转变。

为了进一步降低SiC衬底的价格,业界已经将目光从6英寸投向了8英寸。以下面的数据为例。2021年8寸SiC衬底受限于研制难度,磁导率只有1%。到2030年,随着8英寸SiC衬底产能大幅提升,磁导率超过6英寸SiC,实现一定的规模经济,单价有望缩水三分之一。

截至目前,全球已有10多家半导体公司成功研发出8英寸SiC衬底。与此同时,包括博世、安森美在内的IDM也开始尝试从6英寸SiC向8英寸SiC扩展。根据博世的预测,2025年前后市场对SiC功率器件的需求将大幅增长,因此公司早早开始了测试和验证工作。

不过,博世也指出,由于价格因素,在2030年之前,400V平台仍可能占据主流地位。但800V高压平台的渗透率会不断提高。ZF集团电力驱动业务负责人Stephen von Schuchman最近表示,800V平台有望在2028年左右超过400V,并在市场上占据主导地位。

2030年是全球主要汽车公司向电动化转型的关键时期。随着传统燃油汽车逐步退出历史舞台,有轨电车时代开启新篇章,800VSiC行业有望迎来集中爆发期。届时,提高能源补充效率的负担将继续向更高电压、更大功率的平台发展。

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