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充电桩速度狂飙与背后功率器件的那些事儿

发布时间:2023-02-09作者来源:萨科微浏览:1747


2023 年 1 月 30 日,工信部等八部门印发《组织开展公共领域车辆全面电动化先行区试点工作通知》,提出新增公共充电桩(标准桩)与公共领域新能源汽车推广数量(标准车)比例力争达到 1:1,高速公路服务区充电设施车位占比预期不低于小型停车位的 10%。意味着政策面上,对于新能源行业的发展及推动,已经在充电桩领域进一步细化并展开,有助于缓解电动汽车车主及潜在车主对于里程的担心与焦虑。


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国产新能源汽车

快充平台的布局现状


目前,国内常见的普通快充设备充电时间仍需要 40min 左右,而慢充则将近要8h,新能源汽车厂商们陆续布局充电更快的大功率充电方案,充电速度争相狂飙,并在这两年纷纷落地。


小鹏G9作为全国[敏感词]支持800V高压SiC平台的量产车型,于2021年11月份广州车展亮相,宣称充电5分钟,续航200公里,成为量产车型中充电速度最快的一款。


比亚迪早在2021年9月推出的e平台3.0,就配备了800V闪充功能,实现了充电5分钟,续航150公里。同时,其部分车型还搭配了号称全球首创的电驱升压技术,普通国标快充站即可使用,可以达到充电15分钟,续航300公里。


吉利在2021年发布的极氪001上引入了SEA浩瀚架构,支持400V和800V两种电压架构,实现了最快充电5分钟,续航120公里的充电速度。


另外,理想、广汽、东风等多家主机厂商,也都在2021年前后就发布了800V/超级快充的技术与平台,并将相关车型于2022、2023年逐步推出。暂且不说别的,至少在充电速度上,能够看到国内新能源汽车的快速迭代。


就好像安卓手机一步步走向超级快充的历程,从一开始普通的Micro USB到后面逐步采用Type C接口,并随着技术的突破,充电速度也开始狂飙。某品牌“充电5分钟,通话2小时”的宣传语至今还朗朗上口,而现在不少国产安卓机厂商已经可以达到10分钟左右就几乎可以充满电的速度,让终端消费者手机电池续航的焦虑大大得到了缓解。


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充电桩大功率化

高压化的变化趋势


那么新能源汽车在充电技术与速度的升级和迭代过程中,有哪些趋势和变化呢?不难发现,前面提到的多家主机厂商推出的超级快充,多数都是基于800V的高压平台。


正常来说,电池电量=充电功率*充电时间=充电电压*充电电流*充电时间。因此,在充满相同电量的情况下,如果要缩短充电时间的话,那一定需要将功率提高,电压和电流中总有一位需要承担这项任务。众所周知,电流越大,其传输过程中的损耗也越大,同时,大电流意味着电缆也需要更粗,耗材成本同样会很大,因此,提高电压成了最为理想的选择。


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图、新能源汽车行业快充发展趋势


所以,无论是机车端,还是充电桩端,高压平台的应用是必然趋势。虽然现状是,并非所有的新能源汽车都可以一下子从低压慢充跨越到高压快充,但这是一个逐步迭代的过程,并且汽车相比手机的产品周期更长,迭代的周期也会更久一些,但迭代的方向是不会变的。


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直流快充桩

逐渐替代交流慢充桩


另外一个现象,就是直流快充的充电桩正在逐步替代交流慢充的充电桩。交流充电桩和直流充电桩由于AC-DC变流环节的不同,而导致前者充电速度不及后者,通常就将交流充电桩称为“慢充”,而将直流充电桩称为“快充”。


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图、电动汽车充电架构


交流充电桩的本质是一个带控制的插座,其结构简单,在充电过程中需要车载充电机自身进行变压整流,因此交流充电桩本身几乎用不到功率器件。反之,直流充电桩则更为复杂,其核心功能是将电网中的交流电提前转化为可以直接向电池充电的直流电。整个充电模块包括了半导体功率器件、集成电路、磁性元件等关键组成部分。


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图、充电模块成本构成


充电模块本身占据充电桩硬件设备将近一半的成本,其中功率器件、磁性元件和半导体IC的占比分别为30%、25%、10%。


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表、直流充电桩与交流充电桩对比


截至 2022 年 10 月,公共充电桩保有量中,直流快充桩占比约 42.3%,较 2018 年的 36.7% 提升约 5.7个百分点,伴随下游新能源汽车快充车型的进一步投放,未来直流快充桩占比有望进一步提升。


从价值量看的话,交流慢充桩从家用的7kw到公用三相交流电的40kw,单价大概在2000-5000元之间;而直流快充桩功率基本都在50kw以上,单价也贵了不少,基本在3万元之上,部分功率更高的甚至可达十几万元。因此,在直流快充逐步替代交流慢充的过程中,不光是占比的逐步提高,其单桩的价值量也在大幅提升,所用到的功率器件及半导体IC也会水涨船高。


除了这两个趋势变化外,前文提到比亚迪采用的电驱升压技术也是值得关注的点。目前业内不少厂家为了能够加快充电速度,也在采用类似技术。有专业人士对比了比亚迪和华为的相关专利,发现比亚迪利用了电机的绕组作为400V转800V升压时的电感和MCU的功率管进行功率转换来实现的;而华为的专利是通过外置电感和MCU的功率管来实现升压功能的,同时还包括了通过电驱放电的方案,覆盖的面也更加广泛。这一类技术,目前可以作为从400V到800V普及过程中的过渡方案。


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背后功率器件那些事儿

MOSFET、IGBT及碳化硅的应用


功率器件作为充电模块的核心部件,作用是通过整流、稳压、开关、变频等一系列操作帮助电流完成从充电桩端到达电池端这样一整个充电的过程。目前,国内充电桩采用的功率器件主要就是硅基的MOSFET和IGBT


其中,MOSFET更适用于中小功率的应用场景,是在充电桩中实现电能高效转换、增强稳定性的关键器件;而IGBT兼具MOSFET高输入阻抗和GTR低导通压降的优点,是理想的开关器件,在高压系统中也更具优势。


当充电桩向高压架构发展的趋势越来越明显,高性能MOSFET的需求也越来越大,通过改进器件结构的超级结MOSFET应运而生了。超级结MOSFET能够在保证较低导通电阻的同时大大提升耐压性,并进一步提高功率密度和工作频率。目前国内外的功率器件厂商均已布局相关产品。超级结MOSFET的产品市场规模也将于2024年达到10亿美元,Omidia和Yole预测2020-2025年,全球超级结MOSFET晶圆出货量CAGR达8.1%,增速为普通硅基MOSFET的两倍。


还有碳化硅功率器件,根据ROHM测算,900V 平台下相同导通电阻的碳化硅MOSFET 芯片尺寸仅为硅基 MOSFET 的 1/35、超级结 MOSFET 的 1/10。与传统硅器件相比,碳化硅模块可以帮助充电桩提升近 30%的输出功率、减少 50%左右的损耗,并增强充电桩的稳定性。


目前碳化硅价格仍是硅基 IGBT 的 3-4 倍,而充电桩行业竞争激烈,对成本控制要求高,现阶段碳化硅模块在充电桩市场当中渗透率较低。相比纯碳化硅方案,目前硅基 IGBT+碳化硅 SBD 混合方案应用更为广泛。随着全球碳化硅衬底产能的逐步释放、工艺改善下良率的不断提升以及技术方案的不断成熟,碳化硅器件的价格持续下降,其在充电桩市场的应用有望得到进一步推广。

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里程焦虑问题远期逐渐弱化


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图源 | thenextavenue.com


随着充电桩速度的持续提升,背后各式各样的功率器件都起着举足轻重的作用,无论是硅基MOSFET、IGBT,还是碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料的应用


虽然距离真正消除“里程焦虑”还很远,但可以说这块电动汽车的“短板”正在被一点一点地补上。无论是大功率高压充电平台的趋势,还是直流充电平台的趋势,适用的都是交通繁忙、停留时间短等需要快速补电的场景,比如商场、高速公路服务区的充电桩。针对的更多是终端消费者需要快速补电的需求,而普通家用或工作场所等停留时间长的应用场景,快充的吸引力则较为有限。


对于这些应用场景来说,大多会安装私人或小范围人群共享的充电桩,即使是交流慢充的充电桩,通常都有足够的时间去完成充电,考虑更多的是用电的成本,从而转化为对每公里耗电成本的考量。


随着功率器件硬件及解决方案的不断进步,充电模块的不断改进,充电桩的充电速度也会不断提升。如果有一天,电动汽车的补电便利程度真的赶上了传统燃油汽车,充电就像加油一样方便,你还会纠结选购电车吗?


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