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理想率先邁入補(bǔ)能“5G時(shí)代”,碳化硅的春天來了?

2023/06/30
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800V,5C,9分30秒,400公里。

這一連串的數(shù)據(jù),是理想最新交出的成績(jī)單。用官方話說,基于800V高壓純電平臺(tái)和5C電池,純電車型可以實(shí)現(xiàn)峰值500kW以上的充電功率,充電9分30秒續(xù)航能夠達(dá)到400公里。整體用時(shí)較2C純電車型縮短了50%。

這樣的充電速度,恐怕手機(jī)廠商聽了也會(huì)沉默。曾憑借單一爆款車型ONE走天下的理想,先后推出了L9,L8,L7套娃系列,如今其正從增程殺向純電的市場(chǎng)。而最好的出場(chǎng)方式,便是拿出一套殺手锏。

或許可以這樣認(rèn)為,比小鵬S4超充技術(shù)來得更兇猛的,是理想口中的“5G補(bǔ)能時(shí)代”。

碳化硅的高光時(shí)刻

我們?cè)谥拔恼隆秳C冬至,800V+SiC能帶來新能源汽車的春天嗎?》里提到過,新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的這幾年,新老問題不斷。比如,續(xù)航里程依然是讓新能源車主焦慮的主因,而補(bǔ)能效率猶如一道催化劑。較低的補(bǔ)能效率嚴(yán)重影響了電車的使用體驗(yàn)。

說到底,把大電池塞進(jìn)車終究不是最好的解決辦法。也因?yàn)檫@點(diǎn),碳化硅成了這一領(lǐng)域明星般的存在。

2019年,特斯拉Model 3率先將碳化硅功率模塊應(yīng)用在主逆變器中,自此碳化硅開啟“上車”之旅。同年,保時(shí)捷Taycan加入800V SiC的陣營(yíng)。

到2021年,現(xiàn)代IONIQ 5、起亞EV6、捷尼賽思GV60都紛紛用上800V SiC MOSFET。同時(shí)通用汽車的奧特能平臺(tái)宣布將使用碳化硅技術(shù),美國(guó)Lucid旗下旗艦車型 Air也被爆出將采用碳化硅功率模塊。

不難發(fā)現(xiàn),碳化硅上車正在不斷提速。截至去年,小鵬、極狐、比亞迪等品牌也加入了這一陣營(yíng)。轉(zhuǎn)眼來到2023年,仰望、理想相繼宣布進(jìn)入800V快充市場(chǎng),再度引燃碳化硅市場(chǎng)的熱度。

其中,理想自研了800V高壓平臺(tái)和5C電池,仰望則推出了以四電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)為核心的動(dòng)力系統(tǒng)——易四方平臺(tái)。據(jù)悉,易四方平臺(tái)全系車型標(biāo)配碳化硅電控,最高效率可達(dá)99.5%。

不久后,將有更多的汽車品牌加入到800V SiC陣營(yíng)。去年10月,捷豹路虎宣布,下一代電動(dòng)車的逆變器將采用碳化硅器件,管理從電池到電機(jī)的電力傳輸。今年1月份,梅賽德斯-奔馳確認(rèn),未來電動(dòng)汽車將用上碳化硅器件。

毋庸置疑,這是碳化硅的高光時(shí)代,且當(dāng)之無愧。

從市場(chǎng)來看,SiC功率器件的前兩大應(yīng)用包括電動(dòng)汽車和再生能源領(lǐng)域,2022年規(guī)模分別達(dá)到了10.9億美元、2.1億美元,占整體SiC功率器件市場(chǎng)產(chǎn)值約67.4%和13.1%。預(yù)計(jì)到2025年,車用SiC市場(chǎng)規(guī)模將增至39.82億美元 。

屆時(shí),整個(gè)純電汽車的碳化硅市場(chǎng),800V高壓平臺(tái)的份額將突破10%。

圖片來源:TrendForce

最大發(fā)展窗口在電車?

既然都是800V,那用了碳化硅會(huì)有何不同?

簡(jiǎn)單說,電池容量相同時(shí),用碳化硅可以延長(zhǎng)續(xù)航;或者以更小的電池,可以達(dá)到相同的續(xù)航里程,進(jìn)而降低系統(tǒng)成本。

在“2023碳化硅功率器件應(yīng)用及測(cè)試技術(shù)大會(huì)”上,毫厘機(jī)電拿出了一組對(duì)比數(shù)據(jù)。在峰值功率上,硅基IGBT模塊可以達(dá)到560KW,而碳化硅則做到了800KW;峰值效率上,IGBT可以達(dá)到98%,碳化硅則能達(dá)到99.5%。

與此同時(shí),在相同條件下,800V SiC功率器件的開關(guān)和導(dǎo)通損耗都可以做到更低。比如,當(dāng)把器件的開關(guān)頻率從10kHz提高到40kHz時(shí),碳化硅增加的損耗相對(duì)有限,而硅基IGBT的損耗可能會(huì)有接近3倍的增長(zhǎng),這會(huì)直接影響到功率器件的效率提升。

所以越來越多的車企從碳化硅入手,尋找增加續(xù)航的解決辦法。

此外還有一點(diǎn),功率器件往往面臨著一個(gè)高熱通量的問題。如果管理不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過熱,甚至影響到性能和可靠性。這也是為什么只要提到碳化硅,就要談熱阻的重要原因。

據(jù)芯聚能半導(dǎo)體透露,國(guó)內(nèi)及海外的碳化硅廠商能夠做到90W/(mK)的導(dǎo)熱率,個(gè)別廠商已經(jīng)可以提供130W/(mK)高導(dǎo)熱的基板。正如前文所言,隨著電動(dòng)汽車滲透率不斷提高,碳化硅勢(shì)必將借著這股熱潮,繼續(xù)搶占市場(chǎng)份額。

截至目前,碳化硅在車載逆變器(電控)、DC-DC、車載充電器(OBC)以及充電樁等領(lǐng)域均有應(yīng)用。從電驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)來看,高功率密度和高效率是核心指標(biāo),其次為系統(tǒng)集成化、小型化、輕量化。

這其中,電控的增效,主要是靠碳化硅功率器件。

關(guān)乎效率?更關(guān)于“詩和遠(yuǎn)方”

既如此,特斯拉為什么放棄了?

特斯拉在3月舉辦的“投資者日”上宣布,其找到了一種可減少75%碳化硅器件用量但又不會(huì)損害汽車性能和效率的辦法。簡(jiǎn)言之,碳化硅很好,但終究?jī)r(jià)格太貴且很難擴(kuò)大供應(yīng)量。

因而不乏有分析指出,接下來,硅和碳化硅的混合模塊很可能會(huì)受到越來越多的采用。比如,在低端車型上使用硅基IGBT;在高性價(jià)比的中端車型上,搭載IGBT和碳化硅的混合器件,達(dá)到既高效又低成本的要求;而高端車型上,則沿用碳化硅功率模塊來實(shí)現(xiàn)最佳的性能。

與此同時(shí),混合器件的方案還可以兼容400V、800V平臺(tái),從而針對(duì)市場(chǎng)需求進(jìn)行靈活配置。

安森美(onsemi)中國(guó)區(qū)汽車市場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人吳桐認(rèn)為,(混合模塊方案中)單車碳化硅的價(jià)值量雖然有所降低,但會(huì)大幅度增加碳化硅的使用,未來15萬元以上的車型都有可能用上碳化硅。而800V的高壓系統(tǒng)基本上會(huì)100%采用碳化硅。

換句話說,硅基IGBT與碳化硅MOSFET大概率會(huì)長(zhǎng)期共存。就像一個(gè)產(chǎn)品系列一樣,有不同的價(jià)格區(qū)間,有對(duì)應(yīng)的目標(biāo)市場(chǎng)和消費(fèi)群體。碳化硅的價(jià)格不會(huì)無限降低,但成本問題亟需解決。

按照無錫芯動(dòng)半導(dǎo)體的預(yù)估,到2025年,400V平臺(tái)的碳化硅器件成本會(huì)降至硅器件的2.5~3倍;在2027年,碳化硅器件價(jià)格將進(jìn)一步下降到硅器件的2倍左右。而800V碳化硅價(jià)格的下降比例要比400V平臺(tái)低,但整體上,價(jià)格差距會(huì)不斷縮小。

這注定是一場(chǎng)持久戰(zhàn)。

對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)來說,碳化硅是個(gè)提升效率的好東西,它和800V是最佳的搭檔;放眼整個(gè)碳化硅行業(yè),汽車市場(chǎng)又是一個(gè)絕對(duì)不能錯(cuò)過的風(fēng)口。甚至對(duì)碳化硅從業(yè)者來說,“得汽車得天下”。

因而在華大半導(dǎo)體戰(zhàn)略規(guī)劃部總經(jīng)理王輝看來,如果一家碳化硅企業(yè)沒有抓住汽車產(chǎn)業(yè)變革的爆發(fā)式窗口期,那么在碳化硅這個(gè)事上,就不一定能夠持續(xù)下去。所以這更像是一場(chǎng)國(guó)產(chǎn)功率器件的生存戰(zhàn)和超車賽。

寫在最后

今年以來,以ChatGPT為代表的AI大模型迅速崛起,算力缺口一度成為這個(gè)時(shí)代最緊張的代名詞。有業(yè)內(nèi)人士直言, “云端服務(wù)器的能耗變得非??膳隆薄2皇强捎^,是可怕。也正因如此,在電源轉(zhuǎn)化效率方面,行業(yè)看到了碳化硅的需求??梢赃@樣說,碳化硅不只是新能源汽車行業(yè)的加速器,其潛力仍等待被開發(fā)。

從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的方向上看,以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體被認(rèn)為是中國(guó)超車的絕佳機(jī)會(huì)。國(guó)內(nèi)的研發(fā)進(jìn)程和海外相比,沒有太大的差距,而從應(yīng)用端看,汽車產(chǎn)業(yè)的變革或許能夠創(chuàng)造出一個(gè)彎道超車的契機(jī)。

 

 

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