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一文看懂車規級碳化矽模塊

2022-04-13

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ソース：電子工程世界

800V架構是全級別車型實現快充的主流選擇。對於(yu) 電池端，快充實質上是提升各電芯所在支路的充電電流，而隨著單車帶電量超100kWh以上的車型持續推出，電芯數量增加，若仍繼續維持400V母線電壓規格，電芯並聯數量增加，導致母線電流增加，對銅線規格、熱管理帶來巨大挑戰。

因此需要改變電池包內(nei) 電芯串並聯結構，減少並聯而增加串聯，方能在提升支路電流的同時維持母線電流在合理水平。由於(yu) 串聯數量增加，母線端電壓將提升。而100kWh電池包實現4C快充所要求的母線電壓即為(wei) 800V左右。為(wei) 了兼容全級別車型快充功能，800V電氣架構成為(wei) 實現快充的主流選擇。

整車：會(hui) 戰高端化，800V車樁並舉(ju) 。2019年豪車品牌保時捷推出全球首款800V車型Taycan 。2020年比亞(ya) 迪漢采用了 800V架構，2021年上海車展發布的e平台3.0亦搭載800V架構。隨後華為(wei) 、吉利、廣汽、小鵬、嵐圖等Tier1和整車廠/品牌推出了車樁兩(liang) 端的解決(jue) 方案，以保障快充使用體(ti) 驗。

未來兩(liang) 年高端化是整車廠主戰場，軍(jun) 備競賽開啟。補能時間是電動車麵臨(lin) 的核心短板之一，升級800V結構有利於(yu) 實現快充，在短期內(nei) 形成對中低端車型的差異化競爭(zheng) 力。長期看快充對於(yu) 中低端車型亦是剛需，800V架構升級具備長期趨勢。

零部件與(yu) 元器件：SiC和負極受益最大，其他部件平滑升級。從(cong) 目前400V升級至800V ，變化最大的零部件和元器件主要是功率半導體(ti) 和電池負極。其中SiC基功率半導體(ti) 由於(yu) 耐壓高、損耗低、開關(guan) 頻率高等優(you) 異性能，預計將全麵替代Si基功率半導體(ti) 。

由於(yu) 快充瓶頸在於(yu) 負極，如要將目前的1C倍充電率提升至2C ，再提升至4C ，主流技術包括石墨包覆/摻雜硬碳、矽碳負極。其餘(yu) 部件則需要重新選型，提升耐壓等級，但整體(ti) 來看成本變化平滑。短期來看高壓方案比目前方案整車成本增加2%左右，長期看有望低於(yu) 目前成本，為(wei) 整車廠推廣建立了良好基礎。

動因：為(wei) 什麽(me) 是800V

汽車電壓平台演變

燃油車時代，6V-12V-48V：

1912年汽車開始裝蓄電池，電壓為(wei) 6V。隨著汽車電器如車燈、照明、ISG等用電器件增加，用電功率需求增加，1950年升級為(wei) 12V，並延續至今。

期間還出現過42V，主要由美國發起，因零部件升級電壓規格成本高而未能實現。2010年信息娛樂(le) 、混動等需求出現，由歐洲發起48V升級，與(yu) 12V並存。

電動車時代，出現>400V高壓：

純電動汽車中由於(yu) 成百上千個(ge) 電池串並聯，整個(ge) 電池包電壓超百伏，與(yu) 燃油車上共有的12/48V用電器形成高、低壓兩(liang) 套電氣係統。

純電動汽車高壓係統主要由動力電池、配電盒、OBC、DCDC、電驅、PTC、空調、充電口等構成。

目前純電動乘用車由於(yu) 帶電量不同，電壓等級在250-450V範疇，公交車/物流車由於(yu) 帶電量高，電芯串聯之後電池包電壓範圍在450-700V。

未來乘用車有望升級至800V。

痛點：補能速度，兩(liang) 種方案——換電和快充。

電動車在動力性能、智能化方麵超越燃油車，續航裏程也隨著電池能量密度提升、電耗降低而提升到400km以上水平。但整體(ti) 仍麵臨(lin) 著補能焦慮的問題，燃油車加一次油時間為(wei) 5分鍾，而目前快充至少要60分鍾。在高峰期充電排隊等候的時間亦進一步拉長。

解決(jue) 補能速度的兩(liang) 條路線包括換電和快充，換電目前還麵臨(lin) 盈利模式、標準統一等挑戰。

目前車企更多選擇快充路線，一方麵快充與(yu) CTC趨勢一致，另一方麵技術升級路徑清晰。

快充：兩(liang) 種技術方向：根據P=UI，提升快充功率有2種方案。

提升U，代表是保時捷的800V方案，350A電流，實現300kW充電功率。

提升I，特斯拉超級快充方案，對熱管理有巨大挑戰，600A電流，實現250kW充電功率。

快充：為(wei) 什麽(me) 至少是800V？

為(wei) 了向上兼容電池容量大的高端車。電池充電速度以電流倍率（C）衡量。實際應用中的限製條件是：

充電槍有最大充電電流限製；

不同EV有不同的電池容量，均要實現相當的快充時間。

做一個(ge) 簡單的算術：假設忽略電池包內(nei) 部電芯連接方式，容量75/100kWh的電池包，要求同樣要實現7.5min充滿（<4min30%-80%SOC），即4C的最高倍率，最大電流為(wei) 500A充電槍下，根據容量=電流*電壓*充電時間，75/100kWh電池包母線電壓將達到600/800V。

因此，為(wei) 了向上兼容電池容量大高端車快充性能，在設計之初就將整車電壓水平定在800V，電池包內(nei) 部電芯亦以800V為(wei) 標準設計串並聯拓撲，最後確定電芯容量。

例如，400V體(ti) 係下，如果是三元電芯，需要400/3.6=112個(ge) 串聯節點；若4個(ge) 電芯並聯，則一共需要448個(ge) 電芯。電池包容量是100kWh，則單個(ge) NCM電芯容量為(wei) 62Ah，對應電芯連接方式是4並112串。800V體(ti) 係下，若電芯規格不變，電芯連接方式則變為(wei) 2並224串。

400V升級800V還有何益處？

高壓線束規格下降，用量減少，降本減重，在電壓翻倍、充電功率增幅不翻倍的情形下，串聯增加，高壓線束電流變小。

SiC逆變器使得電源頻率增加，電機轉速增加，相同功率下轉矩減小，體(ti) 積減小。電機電壓翻倍，相同功率下電流減半，因此銅線細（但匝數增加，因此用銅量未減小），電流密度小，轉矩變小。若需提升功率，額定電流僅(jin) 需從(cong) 400V電機額定電流的一半開始增加。

整車：會(hui) 戰高端化，800V車樁並舉(ju)

第一階段：車端800V係統

開始應用

保時捷Taycan的TurboS引領800V浪潮，自主品牌、海外合資以及造車新勢力，紛紛跟進布局800V。

第二階段：800V車樁並舉(ju) ，成為(wei)

品牌升級的標配

廣州車展各車企會(hui) 戰高端化，消費者對電車接受度迎來清晰拐點，未來兩(liang) 年料將是做品牌向上最好的階段。

高端車比短處，低端車比長處。各家高端化升級過程中堆配置，補能是各車企共同麵臨(lin) 的痛點，長期看快充料將成為(wei) 標配。另外，快速補能對低端車亦是剛需，在換電路線發展速度比較慢的前提下，快充具備下沉潛力。

快充的完全體(ti) 驗，需要車樁兩(liang) 端同時配合。短期來看，800V快充樁普及速度有限，因此車企選擇在車樁兩(liang) 端同時推廣800V（小鵬、嵐圖等），亦有例如華為(wei) 的零部件供應商提供完整的快充解決(jue) 方案。

800V高電壓平台難在哪裏？—

—技術+基礎設施共同推進

800V高電壓平台麵臨(lin) 多個(ge) 難點，包括相關(guan) 元器件的重新開發，電池模組安全性的提升以及半導體(ti) 器件路線的改變。

原有的大部分元器件都要重新開發、設計，從(cong) 而來匹配高電壓平台。這對車企和供應商提出了新的要求。

800V快充對現有電池構成挑戰，4C以上充電倍率以及電壓和電流的增大會(hui) 極大的影響電池的穩定性。仍需在BMS和電池材料電導率上進一步改善。

半導體(ti) 器件方麵，在500V電壓平台上常用的是IGBT，而在800V電壓平台上SiC的性價(jia) 比優(you) 於(yu) IGBT。

800V快充性能實現需要車樁兩(liang) 端同時具備800V能力，同時還要電網配合增容。

零部件與(yu) 元器件：SiC和負極受益最大，

其他部件平滑升級

400V->800V哪些零部件和元器件需要升級？

電控

800V下SiC性能優(you) 異，替代Si基功率半導體(ti) 趨勢明確：

SiC基功率半導體(ti) 相比Si基具備更高耐壓等級和開關(guan) 損耗，以Si-IGBT為(wei) 例，450V下其耐壓為(wei) 650V，若汽車電氣架構升級至800V，考慮開關(guan) 電壓開關(guan) 過載等因素，對應功率半導體(ti) 耐壓等級需達1200V，而高電壓下Si-IGBT的開關(guan) /導通損耗急劇升高，麵臨(lin) 成本上升而能效下降的問題。

800V下SiC的耐壓、開關(guan) 頻率、損耗表現優(you) 異，是800V趨勢下最大受益元器件。

薄膜電容提升耐壓等級，短期內(nei) 單車價(jia) 值提升：

薄膜電容的作用是作為(wei) 直流支撐電容器，從(cong) DC-link端吸收高脈衝(chong) 電流，保護功率半導體(ti) 。一般一個(ge) 功率半導體(ti) 配一個(ge) 薄膜電容，新能源車上主要用於(yu) 電機控製器、OBC上，若多電機車型，薄膜電容用量亦會(hui) 隨之增加。另外，在直流快充樁上亦需要一個(ge) 薄膜電容。

目前薄膜電容ASP為(wei) 200元，800V趨勢下，薄膜電容的ASP需提升約20%。另外短期看，800V會(hui) 在高端車率先應用，高端車一般采用多電驅配置，提升薄膜電容用量。

電池

負極快充性能要求提升。動力電池快充性能的掣肘在於(yu) 負極：

一方麵石墨材料的層狀結構，導致鋰離子隻能從(cong) 端麵進入，導致離子傳(chuan) 輸路徑長；

另一方麵石墨電極電位低，高倍率快充下石墨電極極化大，電位容易降到0V以下而析鋰。

解決(jue) 方法主要有兩(liang) 類：

石墨改性：表麵包覆、混合無定型碳，無定型碳內(nei) 部為(wei) 高度無序的碳層結構，可以實現Li+的快速嵌入。

矽負極：理論容量高（4200mAh/g，遠大於(yu) 碳材料的372mAh/g），適合快充的本征原因是嵌鋰電位高——析鋰風險小——可以容忍更大的充電電流。

電機

軸承防腐蝕、絕緣要求增加。軸電壓的產(chan) 生：

電機控製器供電為(wei) 變頻電源，含有高次諧波分量，逆變器、定子繞組、機殼形成回路，產(chan) 生感應電壓，稱為(wei) 共模電壓，在此回路上產(chan) 生高頻電流。由於(yu) 電磁感應原理，電機軸兩(liang) 端形成感應電壓，成為(wei) 軸電壓，一般來說無法避免。

轉子、電機軸、軸承形成閉合回路，軸承滾珠與(yu) 滾道內(nei) 表麵為(wei) 點接觸，若軸電壓過高，容易擊穿油膜後形成回路，軸電流出現導致軸承腐蝕；

800V的逆變器應用SiC，導致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加；

同時，由於(yu) 電壓/開關(guan) 頻率增加，800V電機內(nei) 部的絕緣/EMC防護等級要求提升。

高壓直流繼電器：高性能要求驅動附加值，

單車價(jia) 值量提升

需求具有高確定性，800V下產(chan) 品性能要求提高，附加值提升：

高壓直流繼電器作為(wei) 自動控製開關(guan) 元件，起到高壓電路控製和安全保護作用，新能源車對高壓直流繼電器具有剛性需求；

800V平台電壓電流更高、電弧更嚴(yan) 重，對高壓直流繼電器耐壓等級、載流能力、滅弧、使用壽命等性能要求提高，產(chan) 品需要在觸點材料、滅弧技術等多方麵改進，附加值提高。

預計單車價(jia) 值量將提高40%，乘用車配置數量以4-5個(ge) 為(wei) 主，充電樁多為(wei) 2個(ge) ：

目前A級車高壓繼電器單車價(jia) 值量為(wei) 800元左右，預計800V電壓平台單車價(jia) 值量將提升40%。數量配置取決(jue) 於(yu) 車型類別和電路設計，乘用車多采用主回路2隻、快充回路1-2隻、預充回路1隻方案；

商用車功率更高，配置約4-8隻；直流充電樁常規配2隻。

熔斷器：激勵熔斷器滲透率提高，

單車價(jia) 值量提升

具備需求剛性，電路保護要求提高驅動激勵熔斷器、智能熔斷器等產(chan) 品創新，價(jia) 值提升：

熔斷器是電路過電流保護器件，800V要求熔斷器在絕緣、耐壓等級等方麵進行改進調整；

新型激勵熔斷器通過接收控製信號激發保護動作，當前已逐步應用於(yu) 新能源汽車，平均售價(jia) 是傳(chuan) 統電力熔斷器3.6x；

智能熔斷器自動檢測回路信號觸發保護動作，尚處於(yu) 開發應用前期。

預計單車價(jia) 值量將提升約20%，激勵熔斷器滲透率提高：當前熔斷器單車價(jia) 值量約200-250元，800V平台下保守方案采用熱熔絲(si) 和激勵熔絲(si) ，激進方案隻采用激勵熔絲(si) ，隨著激勵熔斷器市場滲透率的不斷提升，預計單車價(jia) 值量將達到250-300元。

高壓連接器：電流減小降規格，

迎國產(chan) 替代機遇

性能升級，優(you) 勢廠商優(you) 勢明顯：作為(wei) 新能源車高壓電流回路的橋梁，升壓對連接器的可靠性、體(ti) 積和電氣性能的要求增加，其在機械性能、電氣性能、環境性能三方麵均將持續提升。

作為(wei) 中高端產(chan) 品，電動汽車高壓連接器有較高的技術與(yu) 工藝壁壘。傳(chuan) 統燃油車的低壓連接器被海外供應商壟斷。電動車快速增長打開高壓連接器新增量，技術變化要求快速響應，整車平台高壓化將進一步提高行業(ye) 壁壘，國產(chan) 供應商迎來國產(chan) 替代機遇。

數量增加，單車價(jia) 值量有望提升：目前單輛電動車配置15-20個(ge) 高壓連接器，單價(jia) 在100-250元之間，雙電機或大功率驅動電機車型需求量更多。從(cong) 400V增至800V後，高壓連接器將重新選型，增加大功率快充接口及400V到800V的轉化接口，帶動高壓連接器單車價(jia) 值量上升。