通用汽车副总裁希尔潘·阿明曾表示:“电动汽车用户正追求更长的续航里程,而碳化硅被视为电力电子设计中的一种重要材料。”
碳化硅的崛起,与电动汽车的800V高压平台系统算是“绝配”。在800V高压平台火热的趋势下,据行业预测,未来几年SiC功率元器件将随着800V平台的大规模上车进入快速爆发阶段。
碳化硅和800V可谓是“互相成就”,他们都有「光明的未来」。
01 电动汽车为什么要上800V?
无论是厂家还是车主,对“充电5分钟,续航200km”的效果都是梦寐以求的。想要达到这个效果,就要解决两大需求痛点:
一,就是让充电性能大幅提升,快速提升电池充电速度
二,就是提高整车运行效率,在同等电量情况下,延长续驶里程。
这里,我们可以用初中物理简单理解一下:P=UI。那么想要提高功率,无非是加大电流或提升电压两种方式。
而大电流会导致充电枪、线缆及动力电池核心部件等产生很高的热损失,其理论提高上限并不大。因此,提升电流这条路“走不通”,不,应该是“走不远”。
那么,提高电压呢?
当系统电流维持不变,充电功率会随着系统电压翻倍,也就是峰值充电速度增加一倍,充电时间会大大缩短。此外,在相同充电功率下,电压高了,电流就可以降低,而导线就不用那么粗,导线的电阻热能耗也就降低。
因此,如果还使用原来400V所用的充电导线尺寸,则可以提升充电功率。也就意味着,在800V平台下,可以使用较细的充电导线。
华为的一项研究显示,采用了800V高压模式的快充支持30%-80%SOC最大功率充电,而低压大电流模式仅能在10%-20%SOC进行最大功率充电,在其他区间充电功率下降的非常迅速。可见,800V高压模式能支持更长时间的快充。
而整车运行效率更高是指,电流不变时,电池电压越高,电机的功率越大,电机驱动的效率也越高。
所以,800V高压平台容易实现高功率和大扭矩,以及更好的加速性能。虽然说800V给电动车带来的补能效率提升是质变级的,但800V落地推广的最大阻碍之一就是成本问题。
02 为什么是成本问题?
800V平台会带来哪些改变?
我们可以从后往前推,如果电动汽车架构升级到800V,那么它高压元器件的标准也就会相应地提高,其中逆变器也会从传统的IGBT器件换成SiC材料MOSFET器件。本身逆变器它的成本就仅次于电池的零部件,如果升级成SiC,成本则又提高了一个档次。
但对于整车厂而言,应用碳化硅一般不会单一考虑功率器件成本,更重要的是考虑整车成本变化。因此如何找到「SiC带来的成本节约」与「其本身高昂成本」之间的平衡很重要。
在SiC方面,第一个吃螃蟹的人是特斯拉。
2018年,特斯拉在 Model 3中首次将IGBT模块换成了碳化硅模块。在相同功率等级下,碳化硅模块的封装尺寸明显小于硅模块,并且开关损耗降低了75%。而且,换算下来,采用SiC模块替代IGBT模块,其系统效率可以提高5%左右。