車用SiC,迎來800V風口

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2021年以來,車企掀起了一輪800V電壓平臺車型的釋出熱潮。

小鵬汽車、廣汽埃安、e平臺、吉利極氪、理想汽車、比亞迪、北汽極狐等車企陸續釋出了搭載800V高電壓平臺的車型。其中極氪汽車、小鵬、比亞迪等都將800V電壓平臺車型的量產定在了2022年。

實際上,早在2019年,保時捷就在Taycan搭載了800V高壓快充平臺,也是最早搭載該技術的車企,一度成為新能源汽車發展的新風向。

隨後,車企開啟了800V電壓平臺時代,紛紛推出相應的產品。尤其2021年以來,國內外車企更是掀起了一輪800V電壓平臺車型釋出潮,以搶攻大功率快充新高地。未來,這一技術將進入更多的新能源汽車中,800V平臺架構更將成為高壓快充的重要解決方案。由此,2022年也被認為是800V高壓充電平臺的發展元年。

在800V甚至更高水平的平臺上,高壓快充會涉及到車內電源到車外充電整個強電鏈路。原本的矽基IGBT晶片達到了材料極限,而具備耐高壓、耐高溫、高頻等優勢的碳化矽(SiC)器件,無疑成為最佳的替代方案。

未來,以SiC為核心的800V強電系統,將在主逆變器、電機驅動系統、DC-DC、車載充電器(OBC)以及非車載充電樁等領域迎來規模化發展。

據TrendForce資料顯示,隨著電動車滲透率不斷升高,以及整車架構朝800V高壓方向邁進,預估2025年全球電動車市場對6英寸SiC晶圓需求可達169萬片。

可見,未來幾年SiC功率器件將隨著汽車電動化及800V高壓平臺的大規模上車,進入快速爆發階段。

本文將圍繞800V高壓技術的優勢和落地掣肘因素,以及SiC在800V高壓技術上的應用前景和行業佈局,進行探討和分析。

800V+SiC,絕配

長期以來,續航里程和充電速度就是電動汽車的兩大短板。

這也是電動汽車為什麼要上800V的原因所在。一方面是讓充電效能大幅提升,提高電池充電速度;另一方面在於提高整車執行效率,在同等電量情況下延長續駛里程。

根據電功率公式P=UI很好理解,當前業界提高功率的路徑無非就是加大電流或提升電壓兩種方式。

大電流直流快充方案的代表企業是特斯拉,其V3超充樁最大輸出電流接近520A,最高充電功率250kW,但大電流會導致充電槍、線纜及動力電池核心部件等產生很高的熱損失,對散熱要求高,造成成本的增加。因此,選擇加大電流這條路的車企並不多。

高電壓直流快充是電動車企採取的另一套方案,且被多數車企採用。

當系統電流維持不變,充電功率會隨著系統電壓的增加而翻倍,充電速度會大大提升。此外,在相同充電功率下,電壓高了,電流就可以降低,而導線就不用那麼粗,進而能降低導線的電阻熱能耗。

華為的一項研究顯示,採用了800V高壓模式的快充支援30%-80% SOC(荷電狀態,反映電池的剩餘容量)最大功率充電,而低壓大電流模式僅能在10%-20% SOC進行最大功率充電,在其他區間充電功率下降得非常迅速。可見,800V高壓模式能支援更長時間的快充。

綜合來看,800V高壓快充平臺的優勢體現在同等功率,電流減半。這就意味著800V架構下的動力效能和電池效能衰減會更小,從而可以使用更加輕便的銅線,有提升整個電池系統熱量管理水平的優勢。另一方面,在電流保持不變的情況下,電壓加倍可以大幅提升功率,顯著提高充電效率。

保時捷Taycan作為首款800V高壓平臺的量產車型,已將最大充電功率提升至350KW,可以在大約23分鐘內,把動力電池從5%充至80%;小鵬G9採用800V高壓SiC平臺,相比400V平臺續航提升了5%,可實現超充5分鐘,續航超過200km的能力。

雖說800V給電動車帶來了補能效率的質變級提升,但800V的落地推廣還存在阻礙。

其中之一就是成本問題。

如果電動汽車架構升級到800V,那麼它高壓元器件的標準也就會相應地提高,其中包括逆變器、電驅系統、電能轉換等在內的強電鏈路也會從傳統的矽基產品換成SiC器件,成本提高了一個檔次。

在SiC方面,第一個吃螃蟹的人是特斯拉。

2018年,特斯拉在 Model 3中首次將IGBT模組換成了SiC模組。在相同功率等級下,SiC模組的封裝尺寸明顯小於矽模組,並且開關損耗降低了75%。換算下來,採用SiC模組替代矽基IGBT模組,系統效率可以提高5%左右。

從成本方面來看,這種替換成本增加將近1500元。但因為整車效率的提升,導致在電池端的成本又省回來了。這算是特斯拉的一次豪賭,因其龐大的市場銷量而使得成本攤平,特斯拉也憑藉這次豪賭搶先佔據了400V電池系統的技術和市場,吃盡了紅利。

據天風證券測算,儘管SiC成本過高的問題一直被詬病,但使用SiC材料可讓電機逆變器效率提升4%,這將讓電動車的續航里程至少提高7%。這似乎證明搭載SiC器件的新能源汽車已有明顯的綜合成本優勢。

對於整車廠而言,應用SiC一般不會單一考慮功率器件成本,更重要的是考慮整車成本變化。因此,如何找到“SiC帶來的成本節約”與“其本身高昂成本”之間的平衡十分重要。

而在800V方面,保時捷作為行業帶頭人,在2019推出的全電動Taycan跑車中安裝了800V系統,掀起了電動汽車800V高壓架構的軍備競賽。

但是在技術開發和應用上,這是“牽一髮而動全身”的大工程。比如,在800V高壓充電下,電池包的電壓也要相對提升到800V,否則會因為高充電電流而燒燬。同時還要對現有充電樁進行升級,相比以往的普通充電樁,800V大功率充電樁的成本至少翻倍;此外,除了充電系統,還涉及電池系統、電驅系統、高壓輔件和線束系統,影響著車輛的啟動、行駛、空調使用等。

最初的Taycan並沒有拿出一個完全由800V用電器組成的電壓平臺,當年的保時捷找不到800V工作電壓的空調壓縮機,而是通過DC-DC轉換器融合了400V和800V兩套高壓系統,並在電池的快充速度上進行了一定的妥協和讓步。

可以理解為, 800V充電架構有很大的應用前景,但從當下部分車企延遲量產落地時間來看,其中也不乏轉型的挑戰與陣痛。

一方面,高壓平臺看起來並不複雜,只是升高了整車的電壓,但對於技術的開發和應用,卻是“牽一髮而動全身”的系統工程電壓平臺的升高,意味著核心三電系統以及DC-DC、OBC等部件都要能在1000V甚至1200V的電壓下正常工作。

另一方面,當下幾乎所有充電樁不能適配800V平臺,這就要求新裝的充電樁有向下相容的功能,同時適配400V和800V。

當前,整個800V SiC市場屬於新興市場,其發展速度取決於整體產業鏈的佈局。一旦實現供應鏈端、整車以及基建等整套系統的全部打通,SiC產業將從中大大受益。

對於未來的電動汽車平臺,800V+SiC功率半導體被業界認為是“絕配”組合。實際上,矽基IGBT和MOSFET也可以滿足800V的應用,之所以把800V跟SiC聯絡在一起,主要是基於技術層面的考量。

相比矽基IGBT,SiC器件體積更小、功率密度高、耐壓強,應用在800V平臺中能夠產生更高的系統優勢,可以達到充電快和續航里程遠的綜合效益。

800V電壓系統需要1200V的耐壓功率晶片,1200V器件選用SiC為襯底做MOSFET和Si襯底的IGBT對比能提高6%-8%的整車效率。因此, SiC正成為800V高壓快充平臺應用的最優選項,SiC時代迎來目前最正確的開啟方式。

有資料預測,從系統佈局、架構和整個市場綜合來看,預計到2025年,800V SiC可能會有15%左右的市場佔有率。同時因全球汽車電動化提速,這一預想的時間節點可能提前到來。

SiC產業鏈廠商加速佈局

在近兩年技術產品釋出上,“SiC”成為了所有零部件供應商和主機廠經常提起的明星產品。目前來看,800V高壓平臺有望成為未來SiC的核心應用場景,得到了汽車行業前所未有的重視,尤其在最近的幾年取得了顯著的進步。

SiC在汽車中的應用

(圖源:國信證券經濟研究所)

那麼,SiC供應鏈廠商如何抓住這一波“上車”視窗期?對此,英飛凌、意法半導體、Wolfspeed、法雷奧、博世等功率器件廠商和Tier1與車企展開深入合作,以推進800V SiC架構上車程序。

英飛凌

英飛凌2021年6月上市的電動車逆變器SiC模組,將應用於現代汽車下一代800V電動車型,通過使用基於英飛凌Cool SiC電源模組的主驅逆變器,現代汽車能夠將車輛的續航里程提高超5%,目前其IONIQ 5車型採用緯湃科技Vitesco提供的800V逆變器,內部使用的SiC模組即來自英飛凌;

5月31日,緯湃科技宣佈與英飛凌簽署了合作協議,將採用英飛凌的SiC功率器件,以開發800V緊湊型汽車逆變器功率模組。此前,緯湃獲得了現代汽車140億左右的訂單,將為現代汽車集團提供新一代軸驅動平臺——搭載 SiC 技術的 EMR4;2022年1月,緯湃科技已與福特汽車簽署協議,從2025年開始供應800V SiC逆變器。這筆交易價值10億歐元。

英飛凌是該領域的龍頭企業,很早就已經著手SiC器件的開發,從晶圓到單管到各種封裝形式的模組都有長遠的規劃。據瞭解,英飛凌擁有兩座12英寸功率半導體晶圓廠,這兩座工廠完全執行之後,每年能夠滿足2500萬輛電動汽車對功率半導體的需求。在此基礎上,英飛凌還將繼續投資20億歐元,建設第三家半導體廠,第一批晶圓將於2024年下半年下線。

意法半導體

5月10日,意法半導體宣佈正在為SEMIKRON(賽米控)的eMPack ®電動汽車電源模組提供SiC技術,該訂單金額超10億歐元,計劃於2025年開始批量生產。據悉,這是兩家公司已經進行了為期四年的技術合作,旨在將其 STPOWER SiC MOSFET 與賽米控創新的DPD組裝工藝整合在一起。

同時,意法半導體與雷諾達成合作,將憑藉意法半導體更高效的SiC等先進半導體產品和解決方案,支援雷諾下一代電動和混動汽車戰略。

Wolfspeed

5月9日,Wolfspeed官網稱,他們將為Rhombus Energy Solutions的 EV2flex-120™系列充電基礎設施產品提供1200V SiC MOSFET。據報道,Wolfspeed的SiCMOSFET將為Rhombus的充電產品帶來更高的效率、功率密度以及更快的充電時間。

4月25日,Wolfspeed宣佈和Lucid簽訂了一項多年協議,Wolfspeed將為後者生產和供應SiC器件,Lucid Air的逆變器將採用 Wolfspeed 的汽車級1200V SiC XM3半橋電源模組。

此外,Wolfspeed已與通用汽車簽署戰略供應商協議,為通用汽車的電動汽車開發和交付SiC功率器件,通用汽車將專門在其下一代電動汽車的Ultium Drive推進裝置中使用Wolfspeed的產品。

前不久,Wolfspeed宣佈參與博格華納主導的直流快速充電樁專案,用於開發出第一個帶有10個充電點的充電樁,總功率可達350 kW。而這些充電樁將搭載 SiC 技術,使其成本降低20-30%,該專案在2022年第一季度已經啟動。

除了功率晶片企業在緊跟車廠步伐外,一些頭部Tier1也在基於800V平臺打造驅動系統。

法雷奧

6月7日,法雷奧宣佈獲得了共計40億歐元的新能源汽車訂單。法雷奧稱,自2021年初以來,他們獲得的訂單包括電動機、逆變器、減速器、車載充電器和 DC-DC 轉換器。其中,客戶特別關注他們的子公司法雷奧西門子電子汽車公司所開發的新型800V SiC技術,而此次的新訂單,800V SiC也是“頭號功臣”。

今年2月,法雷奧公開宣佈將與意法半導體一起開發800V SiC模組化開關單元。法雷奧表示,意法半導體將為他們提供用於開發800V 電動汽車逆變器的可擴充套件 1200V SiC 功率模組。

博世

作為Tier1頭部企業,博世去年底表示將準備開始大規模量產由SiC 製成的功率半導體,旨在將產出提高至上億顆的水平。此前博世已經開始擴建羅伊特林根工廠的無塵車間,同時著手研發功率密度更高的第二代SiC晶片,預計將於2022年投入大規模量產。未來越來越多的量產車將搭載SiC晶片及功率器件的應用。

2021年,博世與江淮在上海簽訂戰略合作框架協議,雙方將在400V和800V電驅系統、SiC逆變器和電驅橋全方面開展合作。其中,400V單減速器系統將用於輕卡等商用車,預計今年年底具備小幅量產能力。800V高壓電驅系統匹配全新乘用車產品,伴隨而來的還有逆變器的核心,即新一代功率半導體SiC晶片。

此外,東芝、羅姆、德爾福、採埃孚、博格華納等汽車零部件供應商也都在800V SiC領域積極佈局,陸續推出量產產品。2021年以來,在下游需求驅動下, 半導體供應商+車企的“組合拳”模式,正在加速SiC車規級產品落地。

國內廠商迎來機遇

放眼市場,車用第三代半導體SiC領域仍以歐美日等成熟市場的半導體企業佔據主導地位。

但隨著新能源汽車的快速發展,也吸引了一批國內企業密集佈局。以比亞迪半導體、斯達半導、中國中車、三安光電、華潤微電子、派恩傑、芯聚能等本土企業也都在積極發力,發力車用SiC。尤其是比亞迪半導體、中車時代、三安光電、芯聚能等這些採用IDM模式的廠商優勢更明顯,斯達半導體也正從Fabless模式向IDM模式轉型。

另一方面,在國產替代風口與資本投資熱潮下,國內也開始湧現一批新銳力量,並密集獲得資本的加持。

有觀點表示,本土企業要想真正在車用SiC領域實現自主突圍,任重道遠。尤其是如何滿足車規的高標準要求,是幾乎所有本土企業亟待解決的問題,但目前已經實現了從無到有的突破,相信規模量產只是時間問題。

對於國內企業在800V SiC器件上的進展和挑戰,三安光電副總經理陳東坡表示:“對於SiC器件和模組,要將系統電壓提升到800V的話,那麼元器件應推升到1200V,但是1200V SiC MOSFET器件,目前國內還較為欠缺。再往上游看,襯底和材料部分,目前國內4英寸的基本可以滿足,但如果要追求價效比,降低成本的話需要往6英寸甚至8英寸延伸,目前國內市場和國外龍頭企業還有一些差距。”

TrendForce的報告顯示,隨著電動車滲透率不斷升高,以及整車架構朝800V高壓方向邁進,預估2025年全球電動車市場對6英寸SiC晶圓需求可達169萬片。

在巨大的市場潛力下,目前SiC市場滲透率還不高,未來發展空間很大。國內SiC供應鏈需要把握時間視窗,重視產品研發,儘快推出更多車規級的SiC產品。 國內車企和Tier1廠商應該更多與上游元器件廠商聯合創新,並儘快完成認證,儘快提高批量製造能力和良品率。

有業內專家表示,從行業當前程序來看,這是國產功率器件藉著SiC在電動車主驅的應用契機,也是全面趕超國外功率器件的機會。在可預見的未來,估計IGBT市場還是歐美及日本企業吃肉其他品牌喝湯的局面。只有切換跑道,快速加入SiC功率器件的技術迭代程序,搶在SiC功率器件技術成熟之前, 在國外沒有形成絕對技術和產業優勢護城河的SiC方向發力,結合國內的大市場大供應鏈集中力量幹大事的優勢,才能走出國產SiC功率器件的領先之路。

中國的優勢是同時擁有最大的統一市場和最全的供應鏈,2000年之後國內集齊這兩個大基礎,一旦遇到新技術和產業升級的機遇,新技術新產業方向的驗證和修正效率無人能及,會在國內市場博弈出全球領先的新技術和新產業公司。

寫在最後

綜合來看,800V高壓平臺將是未來新能源汽車重要發展趨勢之一。行業廠商和國家政策層面都在快速推進高壓平臺和充電樁等基礎設施的快速建設。未來兩三年內,800V高壓快充技術將得到大範圍普及應用。

不過,800V高壓架構的普及應用並非一蹴而就,還面臨著上述提到的基礎設施不匹配、技術挑戰和成本等方面的問題。然而,800V電氣架構升級具備長期趨勢,這場高壓平臺“升級革命”讓SiC器件成為焦點,伴隨國內外眾多企業加速佈局800V高壓平臺,SiC產業鏈在其趨勢和挑戰中正迎來“風口”。

據Yole的預測資料,預計到2027年,SiC器件市場將從2021年的10億美元規模增長到60億美元以上。

當下,SiC+800V大熱,說不清是SiC成就了800V,還是800V成就了SiC。“如鯨向海,似鳥歸林”,一個個都找到了歸宿。