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【芯智驾】小鹏G9搭载800V SiC平台破解“补能焦虑”,审视国产车用 SiC产业链的“短板”

来源:爱集微

#汽车#

10-07 07:20

集微网报道(文/杜莎)伴随小鹏G9于今年10月底开启交付,“充电5分钟,续航200公里”的快速补能构想终于落地走向现实,节假日电动汽车长途出行“充电1小时排队4小时”的窘境和遭遇也有望破解。

“如燃油车加油般”充电体验实现的背后,是小鹏G9搭载了国内首个车桩端量产的800V SiC超快充平台,并配合自建的超快充桩,车桩结合做到充电10%-80%进入15分钟时代。

小鹏G9之后,还有一大波车企800V平台也将迎来量产,所搭载的SiC功率半导体也会逐渐渗透。英飞凌预计到2025年,汽车电子功率器件领域采用SiC技术的占比会超过20%,考虑到新能源汽车的产销量会快速提升,这一市场份额或许还将提前。

近几年我国一直在大力布局并发展第三代半导体。那么,这些布局SiC领域的国内厂商是否能受益于800V平台的落地?厂商在汽车方面的SiC技术、产品产业化进展如何?与国外大厂还存在着哪些差距?未来又有哪些市场机遇?这些产业化的进程值得深度跟进与思考。

800V+SiC 整车总体效率提升约6%-8%

SiC在汽车领域崭露头角,与电动汽车市场份额加速渗透,并越来越追求整体效率的最大化息息相关。相较于现阶段应用广泛的硅基功率半导体,SiC具有“三高优势”,高频率、耐高温,以及高效率,即损耗更小,同样的电池容量可以拥有更多的续航里程,同样的续航里程可以消耗更少的电池容量。

电动汽车被越来越多的终端消费者接受,但续航与补能焦虑成为制约其发展的因素。近年来,汽车制造商在缓解里程焦虑方面纷纷推出增程技术、换电、研发更长续航里程车型等一系列解决方案,但一味地增加动力电池的续航里程,技术方面似乎步入“天花板”,边际效应也开始降低。

更关键的是,如上文所言的长途出行充电、补能焦虑仍未解决。业内人士指出,仅仅加装动力电池不是很好的解决方案,增加电池意味着增加重量,增加重量则能耗更大。业界非常看好500-600km区间续航里程的动力电池,加上很好的充电解决方案会更好。

这也是绝大多数车企从原有400V的平台开始布局800V高电压平台的逻辑,电动汽车型续航普遍突破600km后,缩短充电时间是提升电动汽车使用体验的主要诉求之一。据不完全统计,2021年就有20多家车企提出了落地800V高压平台的时间规划表,2022年已有部分车企量产。

据了解,800V高电压平台架构一般可分为三类:一是纯800V电压平台,电池包、电机、电控、OBC、DC/DC、PTC、空调压缩机均适配800V,如小鹏G9;二是800V电池组搭载DC/DC转换器,800V电压经DC/DC转换器后,可降压为400V,电机、电控、OBC、PTC、空调压缩机适配400V;三是两个400V低压电池组,充电时串联800V,放电时并联400V,电机、电控、OBC、DC/DC、PTC、空调压缩机适配400V。

从整体效率提升的角度来看,纯800V高压快充将成未来主流。“但现阶段,大部分车企主要布局快充领域的800V,驱动部件可能还是更多地采用400V,它需要通过电器的转换实现800V快充,解决里程焦虑,也有可能会采取一些中间段方案,比如在OBC这端会采用800V。而全系列800V系统带来是效率提升更快。同时,不仅是充电能够达到快充,整体的性能也会达到最大化。”纬湃科技新能源科技事业部亚洲区总经理郁昌松曾对集微网表示。

随着800V高压平台方案的落地,SiC功率半导体也成为必然选择。

业内人士表示,在如今普遍使用的400V电压平台下,采用SiC可提高3%-5%的效率,当然还要视何种工况来定,越是处于频繁开关/频繁刹车加油的低速城市工况下,获得的效率优势就更高,如果几乎以120km/h的时速一直在高速工况运行,效率的优势相对不明显。而在800V平台下,SiC的优势能发挥得更好,总体效率提升6%-8%。

平电压台从400V提升到800V,意味着电动汽车所有的高压元器件及管理系统都要提高标准,首当其冲的就是主驱逆变器,且在主驱逆变器部分,SiC替代Si不可逆转。

800V普及下SiC渗透率将增加,主驱逆变器SiC价值量占比超80%

而且,主驱逆变器SiC的价值量占比极高。业内专家指出,主驱逆变器搭载SiC的价值量占单车碳化硅价值总量逾80%。

SiC可应用在电驱动系统中的逆变器、OBC、DC/DC,以及空调等系统中。现阶段来看,SiC也逐渐从OBC、DC/DC上广泛的应用,逐渐扩展越来越多车型的主驱逆变器中。2018年,特斯拉Model 3搭载了基于全SiC MOSFET模块的逆变器。尔后,国内比亚迪汉也率先在主驱逆变器搭载SiC MOSFET模块,今年以来,蔚来ET7、全新smart精灵#1、小鹏G9等国内车型也迅速量产。相信800V高电压平台技术的落地,将加速SiC上车。

但也存在挑战,首当其冲的是成本。Gartner相关领域的分析师对集微网表示:“成本确实是SiC落地的主要障碍。随器件电压和电流值的变化,功率半导体器件的成本也会相应改变。对于类似的器件额定值,SiC MOSFET通常比 Si IGBT贵4-7倍,同样SiC模块的价格比IGBT模块贵4-7倍。”

目前来看,相对比较高端的20万甚至30万以上的乘用车上才会采用SiC方案。因为从整个收益来看,目前整车电池包和一些系统成本的降低,收益还是比不过成本的上升,但未来2-3年碳化硅芯片的降本,包括衬底的降本,芯片良率的提升,以及普及800V甚至以上的高压的电控系统之后,在系统上的收益也会越来越大,未来两三年后碳化硅有望在30万甚至20以下的乘用车上普及和应用。

有专家认为,越来越多车企布局800V SiC平台的一大核心逻辑就是,虽然器件上花费的成本增加,但通过电力电子的升级迭代,可以很容易将增加的成本覆盖。例如,使用SiC模块相对IGBT模块而言,热泵空调、OBC、主逆变器的效率能分别提高5%-7%、1%-2%、5%~8%,甚至更高,这对于单车能耗的损失以及效率的提升,则将产生乘法效应。

Gartner以上分析师也表示:“未来SiC成本下降将由8英寸衬底的引入推动。但预计不会大幅或立即显现。此外,顶级供应商增加的制造能力将降低成本。然而,我们不能指望SiC在短期内达到与IGBT的成本平价,因为该技术更加复杂。预计尽管成本增加,但由于SiC将带来系统级优势,采用率将会增加。

直面国内车用SiC产业链的差距与机遇

中国汽车市场有望成为SiC最大需求市场。中国新能源汽车市场一直领跑全球,进入2022年,新能源汽车销量继续暴增,中汽协数据显示,今年前8个月国内新能源汽车销量达397万辆,同比增长1.2倍,渗透率提升至23%左右。这意味着,新能源汽车渗透率从5%以上升至23%仅用时不到两年。中汽协会近期预测,今年新能源汽车销量有望达到550万辆。此前还预测,2022年达到500万辆的规模,2025年将进一步增长至700万-1000万辆,这意味着达到市场份额目标的时间正在提前。

那么国内车用SiC产业链发展如何?能否抓住这一波上车机会?尤其是主驱逆变器领域的车规产品进展如何?谁能突破该领域车规级别SiC MOSEFT应用,谁就能胜券在握。

需要直面的是,车用SiC领域现阶段仍是国外IDM大厂有优势。正如Gartner分析师所言,全球多家汽车制造商和一级供应商,如特斯拉、通用、现代、起亚、比亚迪、蔚来等正在推出基于SiC的电动汽车。但目前市场主要由来自美国、欧洲和日本的顶级供应商主导,如Wolfspeed、英飞凌、安森美、意法半导体和罗姆等。

整体来看,国内在SiC领域布局的厂商也很多,且覆盖衬底、外延和器件、模块等。但在车用领域,目前做SiC模块的厂商发展相对较快,如比亚迪半导体、芯聚能等的SiC MOSEFT模块都已上车。

而其他环节的厂商在车用领域进入相对较晚,如在SiC器件领域,斯达半导体、华润微等相较外国供应商还存在一定差距,真正能有MOSFET产品并且有批量制造能力的非常少,或处于多家客户样品测试阶段。北京三安光电有限公司副总经理陈东坡曾在爱集微主办的“未来车”活动上指出,对于中游的器件等,要将系统电压提升到800V的话,那么元器件应推升到1200V,但是1200V SiC MOSFET器件,目前国内还较为欠缺,并没有批量生产能力。

再往上游产业链走,占SiC整个价值量将近50%,影响到器件可靠性、良率的衬底部分,电力电子用是导电的衬底,目前国内4英寸的基本可以满足,但如果要追求性价比,降低成本,需要往6英寸延伸,但6英寸领域,目前国内市场其实和国外的龙头企业存在差距,如国际Wolfspeed已经到8英寸。

业内专家指出,由于没有8英寸外延和Fab,还需要两三年的开发,短期内形成不了对国内厂商的碾压优势,因此,6英寸后几年会是主要竞争,国内目前6英寸衬底厂商,大都是刚刚从4英寸而来,工业上、电源上有应用,但是在电控级别的应用目前还没有真正的大批量验证。同时,比如大批量应用时,目前衬底的分档次标准,哪些衬底用来做SiC SBD,哪些衬底可以做SiC MOSFET,国内目前也没有明确的标准,国内的企业还需要两三年左右的时间去建立标准,提升质量。

因此,国内车用SiC领域的厂商尚需积累与沉淀。目前也要看到,在国内,车用SiC SBD产品做得还相对比较好,比如650V已经开始批量应用。虽然发展慢,但好在国内也有少数SiC领域的IDM产业链覆盖够全,因此未来在国内会有比较大的发展空间。预计2025年OBC的SiC应用已比较成熟,这也会是一个可观的市场,国内厂商的SiC有望实现大批量使用。至于主驱逆变器领域,业内人士预计国内很多做该领域SiC MOSFET芯片到2025年可能具备上车甚至小批量的阶段。

Gartner分析师也指出:“中国市场正在迅速发展,尽管可能需要一些时间才能达到全球供应商的质量和可靠性(尤其是汽车可靠性)水平,但国外这些供应商已经开发了近20年的SiC技术。相信随着政府的投资,以及中国市场对电动汽车的需求水平,可以预期中国供应商将在未来5-8年内发展。”

写在最后

放眼全球,因车端的需求大规模增长,供应端以国外为主IDM厂商也在积极扩大产能,但产能的释放需要时间,因为可以预见未来2-3年,车用SiC的供需关系很难有质的改变,整体供应偏紧。因此,在这一窗口期,国内SiC领域生产线,包括一些设计企业也应该尽快完成车规产品的认证。更关键的是,要提升批量制造能力和良品率,因为产业要做大,尤其像新能源汽车产业,它的带动性极强,对于产能的考量非常大,所以批量制造能力非常关键,良品率最终会影响到成本、可靠性。

2022张江汽车半导体生态峰会暨全球汽车电子博览会报名入口

2022年10月28-29日,以“智链未来 本立而道生”为主题的“2022张江汽车半导体生态峰会暨全球汽车电子博览会”,将在上海张江科学会堂隆重举行。本次峰会由《中国汽车报》社主办,张江高科、爱集微承办,上汽集团协办。9月26日,峰会报名通道已正式开启,诚邀您成为峰会嘉宾,亲历见证中国汽车半导体产业的奋起与发展。

责编: 张轶群

杜莎

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邮箱:dusha@lunion.com.cn

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无畏红尘中打滚,有破有立

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