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貞光科技:一文解讀車規(guī)級碳化硅

貞光科技 ? 2023-01-04 09:54 ? 次閱讀
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貞光科技深耕汽車電子、工業(yè)及軌道交通領域十余年,為客戶提供車規(guī)MCU、車規(guī)電容、車規(guī)電阻、車規(guī)晶振、車規(guī)電感、車規(guī)連接器等車規(guī)級產(chǎn)品和汽車電子行業(yè)解決方案,成立于2008年的貞光科技是三星、VIKING、紫光芯能、基美、國巨、泰科、3PEAK思瑞浦等國內外40余家原廠的授權代理商。獲取更多方案或產(chǎn)品信息可聯(lián)系我們。

800V架構是全級別車型實現(xiàn)快充的主流選擇。對于電池端,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(xù)推出,電芯數(shù)量增加,若仍繼續(xù)維持400V母線電壓規(guī)格,電芯并聯(lián)數(shù)量增加,導致母線電流增加,對銅線規(guī)格、熱管理帶來巨大挑戰(zhàn)。因此需要改變電池包內電芯串并聯(lián)結構,減少并聯(lián)而增加串聯(lián),方能 在提升支路電流的同時維持母線電流在合理水平。由于串聯(lián)數(shù)量增加,母線端電壓將提升。而100kWh電池包實現(xiàn)4C快充所要求的母線電壓即為800V左右。為了兼容全級別車型快充功能,800V電氣架構成為實現(xiàn)快充的主流選擇。


整車: 會戰(zhàn)高端化,800V車樁并舉。2019年豪車品牌保時捷推出全球首款800V車型Taycan 。2020年比亞迪漢采用了 800V架構,2021年上海車展發(fā)布的e平臺3.0亦搭載800V架構。隨后華為、吉利、廣汽、小鵬、嵐圖等Tier1和整車廠/品 牌推出了車樁兩端的解決方案,以保障快充使用體驗。
未來兩年高端化是整車廠主戰(zhàn)場,軍備競賽開啟。補能 時間是電動車面臨的核心短板之一,升級800V結構有利于實現(xiàn)快充,在短期內形成對中低端車型的差異化競爭力。長期 看快充對于中低端車型亦是剛需,800V架構升級具備長期趨勢。
零部件與元器件:SiC和負極受益最大,其他部件平滑升級。從目前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和電池負極。其中SiC基功率半導體由于耐壓高、損耗低、開關頻率高等優(yōu)異性能,預計將全面替代Si基功率半導體。
由于快充瓶頸在于負極,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、硅碳負極。其余部件則需要重新選型,提升耐壓等級,但整體來看成本變化平滑。短期來看高壓方案比目前方案整 車成本增加2%左右,長期看有望低于目前成本,為整車廠推廣建立了良好基礎。 零部件與元器件: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?

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電控
800V下SiC性能優(yōu)異,替代Si基功率半導體趨勢明確:

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

  • 800V下SiC的耐壓、開關頻率、損耗表現(xiàn)優(yōu)異,是800V趨勢下最大受益元器件。

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薄膜電容提升耐壓等級,短期內單車價值提升:

  • 薄膜電容的作用是作為直流支撐電容器,從DC-link端吸收高脈沖電流,保護功率半導體。一般一個功率半導體配一個薄膜電容,新能源車上主要用于電機控制器、OBC上,若多電機車型,薄膜電容用量亦會隨之增加。另外,在直流快充樁上亦需要一個薄膜電容。

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

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電池
負極快充性能要求提升。動力電池快充性能的掣肘在于負極:

  • 一方面石墨材料的層狀結構,導致鋰離子只能從端面進入,導致離子傳輸路徑長;

  • 另一方面石墨電極電位低,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。


解決方法主要有兩類:

  • 石墨改性:表面包覆、混合無定型碳,無定型碳內部為高度無序的碳層結構,可以實現(xiàn)Li+的快速嵌入。

  • 硅負極:理論容量高(4200mAh/g,遠大于碳材料的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。

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電機
軸承防腐蝕、絕緣要求增加。軸電壓的產(chǎn)生:

  • 電機控制器供電為變頻電源,含有高次諧波分量,逆變器、定子繞組、機殼形成回路,產(chǎn)生感應電壓,稱為共模電壓,在此回路上產(chǎn)生高頻電流。由于電磁感應原理,電機軸兩端形成感應電壓,成為軸電壓,一般來說無法避免。

  • 轉子、電機軸、軸承形成閉合回路,軸承滾珠與滾道內表面為點接觸,若軸電壓過高,容易擊穿油膜后形成回路,軸電流出現(xiàn)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,由于電壓/開關頻率增加,800V電機內部的絕緣/EMC防護等級要求提升。

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高壓直流繼電器:高性能要求驅動附加值,單車價值量提升
性能升級,優(yōu)勢廠商優(yōu)勢明顯:作為新能源車高壓電流回路的橋梁,升壓對連接器的可靠性、體積和電氣性能的要求增加,其在機械性能、電氣性能、環(huán)境性能三方面均將持續(xù)提升。
作為中高端產(chǎn)品,電動汽車高壓連接器有較高的技術與工藝壁壘。傳統(tǒng)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,整車平臺高壓化將進一步提高行業(yè)壁壘,國產(chǎn)供應商迎來國產(chǎn)替代機遇。
數(shù)量增加,單車價值量有望提升:目前單輛電動車配置15-20個高壓連接器,單價在100-250元之間,雙電機或大功率驅動電機車型需求量更多。從400V增至800V后,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值量上升。

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OBC/DCDC:主動元件升級,短期內受益升壓增量
高電壓對功率器件提出更高要求,將驅動OBC/DCDC成本短期內攀升:

  • 為滿足800v高電壓平臺在體積、輕量、耐壓、耐高溫等方面帶來的更為嚴苛的要求,OBC/DCDC等功率器件集成化趨勢明顯;

  • 同時,預計SiC碳化硅將借助耐高壓、耐高溫、開關損耗低等優(yōu)勢在功率器件領域進行廣泛應用,驅動單車OBC/DCDC價值量提高約10%-20%。


800v高壓平臺有望為OBC/DCDC帶來新增量:

  • 高壓平臺使車載充電機升級需求增加,為高壓OBC提供增量;

  • 同時,為能夠適配使用原有400v直流快充樁,搭載800v電壓平臺新車須配有額外DCDC轉換器進行升壓,進一步增加對DCDC的需求。

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軟磁合金粉芯:升壓模塊提升用量需求
電感元件主要材料是由金屬磁粉芯:

  • 800V體系升級,中短期為了適配現(xiàn)存的400V充電樁,需加裝DCDC升壓模塊,獨立升壓模塊需要額外的電感。單車用量從原來0.5kg提升至約2.7kg;

  • 插混車由于電池容量較小,電壓無法通過串聯(lián)做到400V,對升壓DCDC需求更大。一般而言,純電動/插混單車用量0.5/4kg。

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充電樁:高壓快充比低壓大電流快充節(jié)省約5%成本
相同功率下,由于電流減小,電壓由400v到800v仍不需要液冷,未來500A則需要增配液冷系統(tǒng)。

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400V-800V車端成本變動平滑,利好整車廠推廣
車端成本來看,高壓架構比低壓架構成本+2%。

  • 電池端由于負極快充性能提升、BMS復雜程度提升等因素,成本+5%;

  • 從整車部件來看,高壓架構在熱管理、線纜輔料等部件成本變化小,優(yōu)于低壓高電流架構。

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800V受益板塊單車價值量與產(chǎn)業(yè)鏈標的:

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