充電樁速度狂飆與背后功率器件的那些事兒

作者 | 發(fā)布日期 2023 年 02 月 08 日 17:30 | 分類 碳化硅SiC

2023 年 1 月 30 日,工信部等八部門印發(fā)《組織開展公共領(lǐng)域車輛全面電動(dòng)化先行區(qū)試點(diǎn)工作通知》,提出新增公共充電樁(標(biāo)準(zhǔn)樁)與公共領(lǐng)域新能源汽車推廣數(shù)量(標(biāo)準(zhǔn)車)比例力爭達(dá)到 1:1,高速公路服務(wù)區(qū)充電設(shè)施車位占比預(yù)期不低于小型停車位的 10%。意味著政策面上,對于新能源行業(yè)的發(fā)展及推動(dòng),已經(jīng)在充電樁領(lǐng)域進(jìn)一步細(xì)化并展開,有助于緩解電動(dòng)汽車車主及潛在車主對于里程的擔(dān)心與焦慮。

國產(chǎn)新能源汽車快充平臺(tái)的布局現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)常見的普通快充設(shè)備充電時(shí)間仍需要 40min 左右,而慢充則將近要8h,新能源汽車廠商們陸續(xù)布局充電更快的大功率充電方案,充電速度爭相狂飆,并在這兩年紛紛落地。

小鵬G9作為全國首款支持800V高壓SiC平臺(tái)的量產(chǎn)車型,于2021年11月份廣州車展亮相,宣稱充電5分鐘,續(xù)航200公里,成為量產(chǎn)車型中充電速度最快的一款。

比亞迪早在2021年9月推出的e平臺(tái)3.0,就配備了800V閃充功能,實(shí)現(xiàn)了充電5分鐘,續(xù)航150公里。同時(shí),其部分車型還搭配了號(hào)稱全球首創(chuàng)的電驅(qū)升壓技術(shù),普通國標(biāo)快充站即可使用,可以達(dá)到充電15分鐘,續(xù)航300公里。

吉利在2021年發(fā)布的極氪001上引入了SEA浩瀚架構(gòu),支持400V和800V兩種電壓架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了最快充電5分鐘,續(xù)航120公里的充電速度。

另外,理想、廣汽、東風(fēng)等多家主機(jī)廠商,也都在2021年前后就發(fā)布了800V/超級(jí)快充的技術(shù)與平臺(tái),并將相關(guān)車型于2022、2023年逐步推出。暫且不說別的,至少在充電速度上,能夠看到國內(nèi)新能源汽車的快速迭代。

就好像安卓手機(jī)一步步走向超級(jí)快充的歷程,從一開始普通的Micro USB到后面逐步采用Type C接口,并隨著技術(shù)的突破,充電速度也開始狂飆。某品牌“充電5分鐘,通話2小時(shí)”的宣傳語至今還朗朗上口,而現(xiàn)在不少國產(chǎn)安卓機(jī)廠商已經(jīng)可以達(dá)到10分鐘左右就幾乎可以充滿電的速度,讓終端消費(fèi)者手機(jī)電池續(xù)航的焦慮大大得到了緩解。

充電樁大功率化高壓化的變化趨勢

那么新能源汽車在充電技術(shù)與速度的升級(jí)和迭代過程中,有哪些趨勢和變化呢?不難發(fā)現(xiàn),前面提到的多家主機(jī)廠商推出的超級(jí)快充,多數(shù)都是基于800V的高壓平臺(tái)。

正常來說,電池電量=充電功率*充電時(shí)間=充電電壓*充電電流*充電時(shí)間。因此,在充滿相同電量的情況下,如果要縮短充電時(shí)間的話,那一定需要將功率提高,電壓和電流中總有一位需要承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)。眾所周知,電流越大,其傳輸過程中的損耗也越大,同時(shí),大電流意味著電纜也需要更粗,耗材成本同樣會(huì)很大,因此,提高電壓成了最為理想的選擇。

所以,無論是機(jī)車端,還是充電樁端,高壓平臺(tái)的應(yīng)用是必然趨勢。雖然現(xiàn)狀是,并非所有的新能源汽車都可以一下子從低壓慢充跨越到高壓快充,但這是一個(gè)逐步迭代的過程,并且汽車相比手機(jī)的產(chǎn)品周期更長,迭代的周期也會(huì)更久一些,但迭代的方向是不會(huì)變的。

直流快充樁逐漸替代交流慢充樁

另外一個(gè)現(xiàn)象,就是直流快充的充電樁正在逐步替代交流慢充的充電樁。交流充電樁和直流充電樁由于AC-DC變流環(huán)節(jié)的不同,而導(dǎo)致前者充電速度不及后者,通常就將交流充電樁稱為“慢充”,而將直流充電樁稱為“快充”。

圖:電動(dòng)汽車充電架構(gòu)

交流充電樁的本質(zhì)是一個(gè)帶控制的插座,其結(jié)構(gòu)簡單,在充電過程中需要車載充電機(jī)自身進(jìn)行變壓整流,因此交流充電樁本身幾乎用不到功率器件。反之,直流充電樁則更為復(fù)雜,其核心功能是將電網(wǎng)中的交流電提前轉(zhuǎn)化為可以直接向電池充電的直流電。整個(gè)充電模塊包括了半導(dǎo)體功率器件、集成電路、磁性元件等關(guān)鍵組成部分。

圖:充電模塊成本構(gòu)成

充電模塊本身占據(jù)充電樁硬件設(shè)備將近一半的成本,其中功率器件、磁性元件和半導(dǎo)體IC的占比分別為30%、25%、10%。

表:直流充電樁與交流充電樁對比

截至 2022 年 10 月,公共充電樁保有量中,直流快充樁占比約 42.3%,較 2018 年的 36.7% 提升約 5.7個(gè)百分點(diǎn),伴隨下游新能源汽車快充車型的進(jìn)一步投放,未來直流快充樁占比有望進(jìn)一步提升。

從價(jià)值量看的話,交流慢充樁從家用的7kw到公用三相交流電的40kw,單價(jià)大概在2000-5000元之間;而直流快充樁功率基本都在50kw以上,單價(jià)也貴了不少,基本在3萬元之上,部分功率更高的甚至可達(dá)十幾萬元。因此,在直流快充逐步替代交流慢充的過程中,不光是占比的逐步提高,其單樁的價(jià)值量也在大幅提升,所用到的功率器件及半導(dǎo)體IC也會(huì)水漲船高。

除了這兩個(gè)趨勢變化外,前文提到比亞迪采用的電驅(qū)升壓技術(shù)也是值得關(guān)注的點(diǎn)。目前業(yè)內(nèi)不少廠家為了能夠加快充電速度,也在采用類似技術(shù)。有專業(yè)人士對比了比亞迪和華為的相關(guān)專利,發(fā)現(xiàn)比亞迪利用了電機(jī)的繞組作為400V轉(zhuǎn)800V升壓時(shí)的電感和MCU的功率管進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的;而華為的專利是通過外置電感和MCU的功率管來實(shí)現(xiàn)升壓功能的,同時(shí)還包括了通過電驅(qū)放電的方案,覆蓋的面也更加廣泛。這一類技術(shù),目前可以作為從400V到800V普及過程中的過渡方案。

背后功率器件那些事兒MOSFET、IGBT及碳化硅的應(yīng)用

功率器件作為充電模塊的核心部件,作用是通過整流、穩(wěn)壓、開關(guān)、變頻等一系列操作幫助電流完成從充電樁端到達(dá)電池端這樣一整個(gè)充電的過程。目前,國內(nèi)充電樁采用的功率器件主要就是硅基的MOSFET和IGBT。

其中,MOSFET更適用于中小功率的應(yīng)用場景,是在充電樁中實(shí)現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵器件;而IGBT兼具M(jìn)OSFET高輸入阻抗和GTR低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn),是理想的開關(guān)器件,在高壓系統(tǒng)中也更具優(yōu)勢。

當(dāng)充電樁向高壓架構(gòu)發(fā)展的趨勢越來越明顯,高性能MOSFET的需求也越來越大,通過改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)的超級(jí)結(jié)MOSFET應(yīng)運(yùn)而生了。超級(jí)結(jié)MOSFET能夠在保證較低導(dǎo)通電阻的同時(shí)大大提升耐壓性,并進(jìn)一步提高功率密度和工作頻率。目前國內(nèi)外的功率器件廠商均已布局相關(guān)產(chǎn)品。超級(jí)結(jié)MOSFET的產(chǎn)品市場規(guī)模也將于2024年達(dá)到10億美元,Omidia和Yole預(yù)測2020-2025年,全球超級(jí)結(jié)MOSFET晶圓出貨量CAGR達(dá)8.1%,增速為普通硅基MOSFET的兩倍。

還有碳化硅功率器件,根據(jù)ROHM測算,900V 平臺(tái)下相同導(dǎo)通電阻的碳化硅MOSFET 芯片尺寸僅為硅基 MOSFET 的 1/35、超級(jí)結(jié) MOSFET 的 1/10。與傳統(tǒng)硅器件相比,碳化硅模塊可以幫助充電樁提升近 30%的輸出功率、減少 50%左右的損耗,并增強(qiáng)充電樁的穩(wěn)定性。

目前碳化硅價(jià)格仍是硅基 IGBT 的 3-4 倍,而充電樁行業(yè)競爭激烈,對成本控制要求高,現(xiàn)階段碳化硅模塊在充電樁市場當(dāng)中滲透率較低。相比純碳化硅方案,目前硅基 IGBT+碳化硅 SBD 混合方案應(yīng)用更為廣泛。隨著全球碳化硅襯底產(chǎn)能的逐步釋放、工藝改善下良率的不斷提升以及技術(shù)方案的不斷成熟,碳化硅器件的價(jià)格持續(xù)下降,其在充電樁市場的應(yīng)用有望得到進(jìn)一步推廣。

里程焦慮問題遠(yuǎn)期逐漸弱化

隨著充電樁速度的持續(xù)提升,背后各式各樣的功率器件都起著舉足輕重的作用,無論是硅基MOSFET、IGBT,還是碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

雖然距離真正消除“里程焦慮”還很遠(yuǎn),但可以說這塊電動(dòng)汽車的“短板”正在被一點(diǎn)一點(diǎn)地補(bǔ)上。無論是大功率高壓充電平臺(tái)的趨勢,還是直流充電平臺(tái)的趨勢,適用的都是交通繁忙、停留時(shí)間短等需要快速補(bǔ)電的場景,比如商場、高速公路服務(wù)區(qū)的充電樁。針對的更多是終端消費(fèi)者需要快速補(bǔ)電的需求,而普通家用或工作場所等停留時(shí)間長的應(yīng)用場景,快充的吸引力則較為有限。

對于這些應(yīng)用場景來說,大多會(huì)安裝私人或小范圍人群共享的充電樁,即使是交流慢充的充電樁,通常都有足夠的時(shí)間去完成充電,考慮更多的是用電的成本,從而轉(zhuǎn)化為對每公里耗電成本的考量。

隨著功率器件硬件及解決方案的不斷進(jìn)步,充電模塊的不斷改進(jìn),充電樁的充電速度也會(huì)不斷提升。如果有一天,電動(dòng)汽車的補(bǔ)電便利程度真的趕上了傳統(tǒng)燃油汽車,充電就像加油一樣方便,你還會(huì)糾結(jié)選購電車嗎?(文:與非網(wǎng)eefocus)

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