碳化硅行业深度分析：SiC车规级应用渗透率加速提升
1.1. 电压平台演变历史：从量变到质变
在燃油车时代，通过升高电压的方式实现电能的大功率传输，满足汽车供电需求。1918 年， 汽车引入蓄电池，其电压仅为 6V；随着汽车电器如车灯、照明、ISG 等用电器件的增加， 6V 低电压系统无法满足车用电器功率要求，加之电气化部件的大量集成，1950 年汽车电压 平台升级为 12V；二十世纪九十年代，出现 42V 汽车电压平台，但是由于零部件升级电压规 格成本高而未能实现；2010 年前后，在信息娱乐、混动的需求背景下，欧洲发起 48V 电压 系统升级，Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen 联合推出 48V 系统，与 12V 电压平 台共存；2020 年，各国节能法规的颁布推动 48V 低电压平台发展。
随着车载电器数量的增多，以及自动驾驶、节油减耗等要求的提出，电动汽车的电压平台将 逐渐由 400V 升高至 800V，以分担蓄电池的工作压力。纯电动汽车中成百上千个电池串并联 形成超百伏的电池包，其高压系统主要包括动力电池、配电盒、OBC、DCDC、电驱、PTC、 空调、充电口等。
目前，电动车根据带电量不同选择不同的电压等级。一般小型代步车的电压为 48V、60V 和 72V；乘用车的电压范围大约为 250-450V；大巴车、公交车等由于带电量高，其基本电压为 450-700V。在未来，随着对续航里程、充电速度要求的提高，电动车电压有望升至800V-1000V。
国内外车企纷纷布局 800V 高电压平台。2019 年 4 月保时捷 Taycan Turbo S 全球首发，业 内最先量产 800V 高电压平台的汽车，将最大充电功率提升到 350kW，可以在 22.5 分钟内 把 Taycan Turbo S 容量 93.4kWh 的动力电池从 5%充至 80%，提供 300 公里的续航能力。 2020 年 12 月，现代汽车集团推出全新电动汽车专用平台 “E-GMP” ，该平台同样搭载可以 实现最大 800V 多功能充电系统。Rivian 和通用也已经计划将电压改为 800V。国内，吉利 极氪、小鹏汽车、广汽埃安、比亚迪 e 平台、理想汽车、北汽极狐、岚图等车企也已经布局 了 800V 快充技术。
1.2. 电压高压化：里程焦虑、充电速度慢问题的最好解决方案
续航能力是决定新能源汽车普及程度的重要因素。大部分新能源汽车的续航里程低于 600 公 里，低于燃油车的续航里程，难以满足城际间的长里程行驶需求。目前，市场上较畅销的新
能源车型包括特斯拉、比亚迪、蔚来、小鹏等，其中，比亚迪唐和比亚迪宋的续航里程为 505 公里；特斯拉的续航里程范围为 545-675km；小鹏 P5 续航里程 600km。新能源车的续航里程 仍有较大的上升空间，不足以满足未来人们长里程驾驶需求。
与燃油车相比，新能源车的补能效率较低。燃油车的加油时间仅为 5 分钟，而目前快充至少 需要 60 分钟。在高峰期充电排队等候的时间亦进一步拉长。目前，主要有以下三种充电方 法：
在家中充电：家庭用户使用的三眼插座有 10A 和 16A 两种规格，约 8-10 小时可以充满。
交流充电桩：将电动车直接在电流更大的交流电网上，用充电桩进行充电，充电时长约 4 小时。慢充电桩功率通常为 3.5kW 和 7kW，取决于车载充电机的额定输入功率。
直流充电桩：将电动车连接到交流电网或直流电网时，使用了带控制导引功能的直流供 电设备。由大功率非车载直流充电机直接输出直流给车辆电池充电。在充电时，充电桩需要 提供与电池相匹配的电压，国标规定直流输出电流最大不超过 250A，多数电动车能获得不高 于 102.5 kW 的峰值充电功率，充电时间大约需 0.5h。
汽车电机网
提高汽车电压平台可以大幅提升整车运行效率、缩短充电时长。电阻大小相同情况下，高电 压可使电损耗减少，效率提升。2021 年 9 月，比亚迪发布 e 平台 3.0，有 800V 闪充功能， 实现充电5分钟续航150公里，搭载该平台的车型有望在2022年量产；极氪 001 具备 400V和 800V 两种电压架构，10%-80% SOC 充电时间仅需 30 分钟，充电 5 分钟续航可增加 120 公里；北汽极狐发布极狐αS Hi 版，具备 800V 充电架构，2.2C 闪充技术能实现 10 分 钟补充 196 公里续航的电量，30%-80%SOC 充电时间仅为 15 分钟。2021 年 10 月， 小鹏汽车公布首个量产的 800V 高压 SiC 平台，充电峰值电流超过 600A，采用高能量密 度、高充电倍率电池，充电 5 分钟最高可补充续航 200 公里。
1.3. 相较于提高电流，高电压仍为未来发展趋势
根据 P=UI，提升快冲效率的方向有二：提升电压，将新能源汽车的电压系统从 400V 升高至 800V 后电动车的功率提高一倍，大幅降低充电时间；提升电流，特斯拉是采用提高电流方 法的代表。
高电流模式推广程度低，对热管理要求高。根据特斯拉，特斯拉 V3 超充桩在 400V 电 压下可达到 250kW 的峰值充电功率。特斯拉电动车的充电时间需要 30 分钟左右，大电流超
充的推广难度较高，由焦耳定律 Q=I2RT，热量与电流的二次方成正比，大电流充电过程中 产生的热量大幅增加，对汽车的散热系统有更高的要求。以特斯拉为例，特斯拉 V3 超充桩 峰值工作电流超过 600A，故需要使用更粗的线束。此外，大电流模式的应用场景有限制， 目前大电流模式仅在 10%-20%SOC 进行最大功率充电，在其他区间充电功率也有明显下降。
高电压模式是车厂普遍采用的模式，除减少能耗、提高续航里程外，还有减少重量、节省空 间等优点。根据焦耳定律，高电压系统下，电流变小使得整个系统的功率损耗减小，提高效 率。若电流不变，汽车的电机驱动效率则会提升，从而增加续航里程、降低电池成本。高电 压模式的有点还包括降低高压线束重量，同功率情况下，电压等级的提高客减少高压线束上 的电流，使得线束变细，从而降低线束重量、节省安装空间。以保时捷为例，保时捷将电压 平台从 400V 提高至 800V 后，实现 300kW 充电功率，高压线束的截面积仅为 400V 架构下 的二分之一，线束减重 4kg。小鹏也推出 800V 平台下的 400kW 快冲，充电效率可达 5C， 实现充电 10 分钟续航 400 公里的效果。
1.4. 400V 电压平台下功率器件使用情况
与燃油车相比，新能源车对电力控制的需求提高，功率器件在新能源车中的占比远高于燃油 车。在传统燃料汽车中，汽车电子主要分布于动力传动系统、车身、安全、娱乐等 子系统中；而在新能源汽车中，功率器件主要集中于“三电系统”，即电池、电机和电控系统，新 增 DC-DC 模块、电机控制系统、电池管理系统、高压电路等部件。新能源汽车系统架构中 涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、OBC、AC/DC 和 DC/DC。
发布评论