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新能源汽车800V高压平台和SiC应用

 一点进步 2023-02-09 发布于山东
第一部分
800V高压平台
1.1 800V高压技术概述
400V平台在目前的E/E架构下较难实现200KW以上的快充,但升级到800V高压平台之后,200KW的快充电流大幅减小,更有希望实现350KW以上的快充。
而且在充电功率相同的情况下,800V高压快充架构下的高压线束直径更小,相应成本更低,电池的散热更少,热管理的难度相对也低一些,整体电池成本更优。
鉴于800V高压平台可有效解决补能焦虑,目前大部分主机厂已进行了相关布局。2021年比亚迪、吉利、长城、小鹏、零跑等相继发布了800V高压技术的布局规划,理想、蔚来等车企也在积极筹备相关技术。从量产时间看,各大车企基于800V高压技术方案的新车将在2022年之后陆续上市。


2022年作为800V高压快充元年,各家主机厂纷纷布局。目前有6家车企已经布局了800V快充技术,并有望在2021年底后陆续实现量产。
1.2 800V高压平台技术分析
1.2.1 400V与800V电压下整车系统架构基本一致,或增电源部件拓扑结构
如下图所示,对比发现高压电气系统下400V与800V拓扑结构基本一致,没有太大变化。
但若800V电压平台的电车能够使用之前400V的直流快充桩,则需要在车端增加额外的DC/DC转换器进行升压,达到800V及以上才能够对动力电池进行充电。
800V平台的整车成本及充电装置将会更昂贵,800V部件在应用初期更适用于高档跑车/SUV等,中低端车型在较长时间内采取400V电压平台仍将是较为经济的选择。




1.2.2 高压零部件及元器件需提升耐压等级,要求明显提升
除去可能新增DC/DC升压部件之外,在原本的整车高压电气架构中直接与高压系统直接连接的子系统部件如:动力电池系统、动力系统(电机、电机控制器)、电源系统(DC/DC、OBC、PDU)以及车内的空调压缩机、加热系统等需要提升部件耐压等级。
在这些子系统部件提升耐压等级从400V平台升至800V平台后,其所采用的元器件及材料如:线缆、连接器、继电器、保险丝、电容、电阻、电感及功率半导体等耐压等级需提升至800V及以上。
为了保证产品的质量,在应用初期设计时将有可能需要更高的耐压等级的部件来满足绝缘安全冗余度的要求。




1.2.3 800V趋势下快充电池的需求将会加速
在400V电压平台下,当前E/E电气架构下较难突破500A,即200kW以上的快充。但升级到800V电压之后,200kW快充电流可减少一半至250A,800V电压平台有望使快充功率突破至350kW。
同时,根据Future eDrive-Technologies的测算,在800V平台下100kwh的电池有望减重达25kg,减重的效果较为明显。
我们认为在800V电压平台应用的趋势下,快充将会成为纯电动车重要的功能,从400V转向800V可以通过更多的电池串联在一起解决电压提升问题,但更重要的是电池能够承受大功率充电(2.2C以上)的同时保持较长的寿命,以及大功率充电下的散热问题,这都有较大的挑战




1.2.4 车载电源行业或充分受益于新增的DC/DC升压产品及SiC的应用
因为动力电池电压平台已经升级到800V,当前的OBC、DC/DC及PDU等电源产品都需要从400V等级提升至符合800V电压平台的应用,SiC器件由于其优异的特性也将开始大规模的应用。
除此之外,直流快充桩原本输出电压等级为400V,可直接给动力电池充电,但动力电池为800V后其电压不再能够继续充电,因此需要一个额外的升压产品使400V电压能够上升到800V,进而给动力电池进行直流快充。
在此技术方案下,这个器件需要能够满足大功率充电的功率,因此其价值量相比传统DC/DC要更大,而电源企业也将充分受益于此升压DC/DC产品的配置。




目前,小鹏汽车、广汽埃安、比亚迪e平台、吉利极氪、理想汽车、北汽极狐等企业都已经布局快充技术。
1.3 国内外车企800V高压产品布局
1.3.1 现代
在2021上海车展上发布了IONIQ的首款纯电车型现代IONIQ5,基于E-GMP平台开发,国内版将于2022年量产,IonIQ 5具备以下技术亮点:
  • 充电状态(SOC)从10%至80%,仅需18分钟;
  • 800V高压架构;
  • 后驱集成了将400V转换为800V的HV booster。
从IonIQ 5的800V高压架构图可以看出,基本上所有的高压器件均已升级到800V,前驱采用功率75kW的三合一驱动,后驱采用了功率155KW的五合一驱动,并且设计有400V到800V的转换器,可以进一步扩大快充的应用场景。


1.3.2 小鹏
在小鹏汽车1024科技节上,主要介绍了4大方面的内容,分别是:超级补能、智能驾驶、智能机器人、飞行汽车。超级补能体系,其核心是“超级充电”和“全面充电体系布局”两方面的融合,小鹏期望在2023年年内完成部署。
超级充电:在车、桩、站,三端同时发力,提升超充效率、降低充电成本。
  • 车端:在中国首个量产800V的高压碳化硅平台,实现“充电5分钟,续航200公里”,并首个实现量产;
  • 桩端:小鹏自研480kW高压超充桩,从10%-80% 仅需12分钟,希望率先量产并规模铺设,同时注重轻量化设计;
  • 站端:超充站的自研储能充电技术,一次储满可以满足30台车不间断充电,同时拥有支持大功率充电的能力。




1.3.3 广汽埃安
石墨烯超级快充电池
巨湾技研是广汽集团内部孵化的一家公司,其工作重心在超级快充电池技术和新一代突破性储能技术。在2021年4月9日“2021广汽科技日”上,介绍了广汽最新的快充技术进展。
  • 电芯:采用的三维石墨烯材料,可以提高电极材料的导电能力,倍率充电测试中,满足6C充电要求。涂覆陶瓷隔膜和新型高功率电解液,可提高倍率性和热稳定性。
  • 电池系统:采用高电压平台,可以实现快速充电和高续航里程;高效散热设计,可以保证电芯在安全的温度区间运行。
  • 性能:电池系统可进行6C倍率充电,0-80%SOC充电仅需8分钟,30%-80%SOC充电仅需5分钟,车辆常年常温6C快充循环可达100万公里。


2021年9月,石墨烯超级快充电池首次搭载在2个版本的AION V车型上,分别是:6C的 500km 续航版、3C的 500km 续航版。9月29日,广汽 AION V Plus正式上市。
目标在2021年内布局超过100个超级快充站,实现充电3-5分钟,续航500公里。
6C快充电池系统:
  • 最大电压900V
  • 最大电流500A
  • 0-80%SOC充电时间8分钟


1.3.4 长城
2021年11月,长城沙龙发布旗下首款车型机甲龙,搭载自研的大禹电池,电池容量为115kWh,CLTC续航是802km。此外,机甲龙采用了800V高压充电技术,峰值电流最高可达600A,充电10分钟,可实现续航401km,充电15分钟,可实现续航545km。


此外,长城也在积极部署800V高压技术零部件,如可支持800V电压的双电机矢量控制模块、800V SiC控制器、800V~1000V的250A超高压线束系统等。
1.3.5 比亚迪
比亚迪e 平台 3.0:零部件&系统
在零部件方面,研发了包括发卡式扁线电机、高息脑功能电机控制器、高速低损耗减速器等零件。
发卡式扁线电机,最高效率达到了97.5%;高性能电机控制器,模块最大效率达到99.7%;高速低损耗减速器,最高效率达97.6%。
在系统方面,全球首个推出八合一电动力总成,并采四驱架构。八合一电动力总成,最大功率达270kW,综合效率达到了全球顶级的89%。采用的高性能四驱架构,永磁同步电机+异步电机结合,实现“四驱的动力,两驱的能耗”


图:e平台 3.0“八合一”动力总成


e 平台 3.0:电机升压充电技术
比亚迪e3.0 平台推出了全新一代 SiC电控,采用了自主研发的全新 SiC MOSFET电机控制模块、高性能氮化硅陶瓷以及集成 NTC传感器,使整个电控单元功率密度提升近 30% ,电流最大支持840A ,电压最大 1200V ,电控最高效率达 99.7% 。
电机升压充电技术:e 3.0平台搭载800V超充平台,采用全球首创的驱动电机升压充电技术,基于刀片电池、八合一电动力总成、宽温域高效热泵系统,融合创新。
性能:搭载全新e平台高端车型,可实现整车最大续航1000公里,百公里加速最快2.9秒,低温续航最大提升20%,充电5分钟,最大行驶150公里


1.3.6 吉利
极氪001采用的浩瀚架构具备400V和800V两种电压架构。极氪001基于吉利最新研发的SEA浩瀚架构搭载,同时其也是该架构下的首款量产车型。
极氪001采用了400V电压架构,并且搭载了具有液冷温控管理系统的极芯“电池包高倍率充电电芯”,已能达到 2.2C 的高充电倍率,最大充电电流可达到 600A。
充电效率:10%-80%SOC充电时间为30分钟;充电5分钟,NEDC续航里程可增加120公里。


1.3.7 理想
理想目前正在研发高压快充技术,并计划于2023年推出Whale和Shark两个纯电平台,同年将基于平台推出高压纯电动车型。
纯电车型推出节奏:在2020Q3财报电话会议上李想表示,在400kW快充技术成熟前,理想汽车不会推出纯电车型。并表示增程式技术在大型SUV、MPV车型上,具有5-10年的领先优势。
400kW快充技术支撑:
1)800V 以上的电压平台;
2)500Ah 超级快充的国家标准;
3)4C 充电倍率以上的电池。
在2023年理想推出纯电车的同时,一部分用户就立即能体验到400kW的充电体验。




1.4 市场分析
800V电压平台下,涉及到高压的器件都需要升级,提高绝缘耐压等级:车载电源、电动力系统零部件最受益于800V电压平台升级,因为除去绝缘等级提升外,得益于SiC器件的应用,以及DC/DC升压器新部件的引入,车载电源单车配套价值量有望提升;而SiC器件在动力电机控制器的大规模应用也将助推其单车价值提升。
此外的部件如空压机、电加热设备,元器件如电容、继电器、线束、接插件等都有望受益于耐压等级要求的提高,而单车配套价值量有所提升。
我国厂商在新能源汽车配套领域出货量领先,积累了丰富的量产经验,有望拓展全球市场:在我国新能源汽车发展的过程中,我国新能源汽车产业链配套公司技术与世界处于同等或近似水平,而生产经验相对更加丰富,未来有望获取一定的全球市场份额。
行业龙头公司的市场竞争力将会逐渐凸显,新技术的应用也会拓展行业的发展空间和进入壁垒,叠加未来的出海预期,看好产业链配套企业的长期发展。
第二部分
SiC控制器
2.1 SiC技术概述
在800V高压平台下,系统部件的耐压等级也需要提升到800V,相应采用的元器件及相关材料的耐压等级都需要提升至800V以上,且在高压架构下,电池包、电驱动、PTC、空调、车载充电机等都需重新选型。
从车端看,随着供应商的积极部署,电驱动、快充电池、PTC,DCDC等的高压技术已经具备量产能力。如快充电池领域,2021年4月长城旗下的蜂巢能源推出全新的快充电池和对应电芯,第一代2.2C蜂速快充电池的电芯容量为158Ah,能量密度250Wh/kg,充电16分钟可实现20%-80%SOC,2021年四季度量产;第二代4C快充电池充电典型容量165Ah,能量密度>260Wh/kg,充电10分钟可实现20%-80%SOC,计划于2023年二季度量产。


在800V高压平台零部件升级过程中,SiC凭借耐压性好、稳定性好、频率优于硅基IGBT、体积小等优点,受到行业的广泛关注。
在新能源汽车上碳化硅主要应用在车载电源和电机控制器领域。虽然目前SiC器件价格较高,大范围应用会使单车成本有所上涨,但使用SiC器件可以增加续航里程,并降低电池成本,与SiC器件带来的成本上涨抵消之后,单车成本是下降的。
而且从长期看SiC器件的价格是会逐渐下探,因为中国硅基IGBT被国外垄断了,而在碳化硅领域,华为、欣锐科技、英博尔等已经成功布局,国内厂商有可能实现弯道超车,实现国产化替代,若后期国产化后成本还会进一步下降。
800V高压平台量产为SiC发展注入新的活力,各大供应商纷纷计划扩大SiC产能以应对后期需求的增长。
2.2 SiC技术分析
2.2.1 电机控制器在800V平台下由于SiC的应用,价值量将有较大提升
在800V电压平台下,根据ST测试数据,SiC器件损耗显著低于IGBT,在常用的25%的负载下其损耗低于IGBT 80%。
我们认为碳化硅器件在800V电压平台下具有显著的优势,将会很快的推展开来。
此外,由于目前SiC MOSFET单管器件的价格仍为Si IGBT价格的3-5倍,而功率器件是电机控制器中最重要的器件之一,因此也会带来电机控制器价值量的提升。




2.2.2 第三代功率半导体器件根据器件不同应用范围有所差别
功率器件根据其不同的特性有不同的应用范围。


2.2.3 SiC未来的应用的市场主要集中在电动车领域,保持高速发展
SiC市场未来将能够保持高速发展,根据ST数据,2019年SiC全球市场规模为9.84亿美元,但到2025年可达48.32亿美元,其中52%的将会应用在汽车领域。
其中细分市场复合增速,充电桩领域可达到70.4%,商用车领域可达46.5%,HEV/EV领域可达34.1%。




2.2.4 SiC器件材料本身拥有更好的特性
在新能源汽车电机控制器当中,电力转换是通过控制IGBT的开关来实现的。IGBT受材料本身的局限,较难工作在200℃以上。
高功率密度的电机控制器需要高效的电力转换效率和更高的工作温度,这对功率器件也提出了更高的要求,如:更低的导通损耗、耐高温、高导热能力等。
而基于碳化硅(SiC)单晶材料的功率器件,具有高频率、高效率、小体积等优点(比IGBT功率器件小70%-80%),已经在特斯拉 Model 3 车型中得到了应用。
在右下图的参数对比中,SiC材料的性能显著优于Si及GaN。




2.2.5 因此SiC材料制成功率器件后性能优势明显
SiC MOSFET的开关损耗显著低于Si IGBT(下图黄色区域为损耗大小),SiC二极管反向回复损耗低且基本不随温度变化。




SiC MOSFET的Rds(on)导通电阻低且基本不随温度变化,反向恢复时间也相比Si MOSFET有优势。




2.2.6 根据电压平台不同,SiC应用后电车可获最大4%-8%的效率提升
根据ST意法半导体资料,SiC器件相比硅基的IGBT能够有更小的体积。
在400V电压平台下,SiC能够比IGBT器件拥有2-4%的效率提升,而在750V电压平台下其提升幅度则可增大至3.5%-8%。




2.2.7 SiC可在新能源车中多个零部件处替代IGBT,获得更佳性能
正是由于SiC器件极好的特性,SiC可以在混合动力及纯电动车中大范围的应用,可以应用的部件包括:DC/DC直流变压器、DC/DC升压器、OBC车载充电器以及动力电机控制器。
我们认为SiC器件已经开启了在新能源汽车领域的大规模应用。根据欣锐科技公司公告,公司生产的车载电源大部分都使用SiC器件。




2.3 市场分析
车载电源已经开始大规模的应用SiC器件,同时比亚迪汉车型已经搭载SiC电机控制器、蔚来ET7也将搭载SiC电机控制器,我们预计未来SiC在高端车型的电机控制器领域渗透率将会逐渐提升。
碳化硅SiC器件具有高频率、高效率、小体积等优点,800V电压平台升级也是其渗透率提升动力之一,未来将大规模应用。
我们认为SiC未来应用的市场主要集中在电动车领域,2019年SiC全球市场规模为9.84亿美元,但到2025年可达48.32亿美元,行业未来5年复合增速可达25.5%。
新能源车中OBC、DC/DC、电机控制器等都已经或将大规模的应用SiC器件,ST预计52%的SiC器件将会应用在汽车领域,将会是SiC最大的应用市场。
第三部分
供应链
3.1 精进电动
技术领先,已获大众商用车Traton SiC控制器定点
精进电动是新能源汽车电驱动系统国内领军企业之一,从事电驱动系统的研发、生产、销售及服务,已对驱动电机、控制器、传动三大总成自主掌握核心技术和实现完整布局。
精进电动是我国少数能够持续获得全球知名整车企业电驱动系统产品量产订单的新能源汽车核心零部件企业,已经建立了国际化的研发团队和全球化的组织架构,目前已在北京、上海、正定、菏泽、余姚以及美国底特律设立了研发和生产基地。
已经获得大众商用车集团Traton SiC控制器的定点,预计将于2024年初量产。


图:精进电动250kW碳化硅复合冷却三合一电驱动总成
公司三合一电驱动系统产品实现了深度的集成化,缩短了总成的轴向尺寸、减轻了重量、改善了传动效率,我们认为其技术参数相比海外零部件巨头毫不逊色,甚至还有一定的优势。
2021年9月,精进电动250kW碳化硅复合冷却三合一电驱动总成推出,该系统采用精进电动的第三代半导体碳化硅控制器(ASIL-D级功能安全),实现了高输出功率(350V条件下半轴机械输出功率250kW)和超过95%的高系统效率。· 我们认为后续随着公司海外订单及国内订单的逐步上量,将迎来快速增长。


3.2 英搏尔
立足自主,收入迅速增长,SiC控制器已经交样
英搏尔是国内少数具备新能源汽车动力系统自主研发、全工艺生产能力的领先企业,可以为车企提供包括驱动总成、电源总成,以及驱动电机、电机控制器、充电机等动力域核心模块产品。公司产品已实现从A00级、A级、B级、MPV、SUV等全系乘用车型量产配套,单车配套产品价值量也有效提升,乘用车单个电机控制器配套价值不足3000元,现在装车的多合一动力总成(含电源系统)产品单车配套价值最高达10,000元。
此外SiC器件因其导通电阻小,开关速度快的特点,运用单管并联技术才能发挥其最优特性,我们认为英搏尔拥有单管并联技术,其也将在SiC时代拥有一定的优势。目前公司的SiC电机控制器已经给美国福特、一汽大众交样。
“集成芯”驱动总成是英搏尔公司第三代驱动总成,是集电机、电机控制器及减速箱为一体的高度集成产品,相比同行体积减少30%,重量减轻30%,成本降低20-30%。
3.3 欣锐科技
受益于800V趋势,车载电源龙头将保持高速发展
公司自2006年初进入新能源汽车产业,专注新能源汽车车载DC/DC变换器和车载充电机(统称为车载电源),在车载电源和大功率充电领域积累了丰富的研发及产业经验。此外公司还拓展了氢能与燃料电池业务,核心产品主要为大功率DC/DC变换器产品,产品可应用于燃料电池乘用车、客车、专用车等。
公司目前已经能够提供车载电源二合一或三合一的方案,公司的产品主要配套吉利汽车、某新能源龙头公司(如:DM-i系列车型)、小鹏汽车、东风本田、广汽本田、现代汽车等国内外知名整车厂商,目前公司绝大多数产品已经应用SiC功率器件 。
参考文献:
1、天风证券分析师于特《800V高压平台SiC应用,新能源汽车供应链的投资机会》
2、佐思汽车研究《800V高压平台研究:2022年进入大规模量产元年》

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