充電樁速度狂飆與背后功率器件的那些事兒

行業(yè)資訊|Industry News|

2023-02-09 10:50:13 921

2023 年 1 月 30 日，工信部等八部門印發(fā)《組織開展公共領域車輛*電動化先行區(qū)試點工作通知》，提出新增公共充電樁（標準樁）與公共領域新能源汽車推廣數(shù)量（標準車）比例力爭達到 1：1，高速公路服務區(qū)充電設施車位占比預期不低于小型停車位的 10%。意味著政策面上，對于新能源行業(yè)的發(fā)展及推動，已經在充電樁領域進一步細化并展開，有助于緩解電動汽車車主及潛在車主對于里程的擔心與焦慮。

國產新能源汽車

快充平臺的布局現(xiàn)狀

目前，國內常見的普通快充設備充電時間仍需要 40min 左右，而慢充則將近要8h，新能源汽車廠商們陸續(xù)布局充電更快的大功率充電方案，充電速度爭相狂飆，并在這兩年紛紛落地。

小鵬G9作為全國*支持800V高壓SiC平臺的量產車型，于2021年11月份廣州車展亮相，宣稱充電5分鐘，續(xù)航200公里，成為量產車型中充電速度最快的一款。

比亞迪早在2021年9月推出的e平臺3.0，就配備了800V閃充功能，實現(xiàn)了充電5分鐘，續(xù)航150公里。同時，其部分車型還搭配了號稱全球首創(chuàng)的電驅升壓技術，普通國標快充站即可使用，可以達到充電15分鐘，續(xù)航300公里。

吉利在2021年發(fā)布的極氪001上引入了SEA浩瀚架構，支持400V和800V兩種電壓架構，實現(xiàn)了最快充電5分鐘，續(xù)航120公里的充電速度。

另外，理想、廣汽、東風等多家主機廠商，也都在2021年前后就發(fā)布了800V/超級快充的技術與平臺，并將相關車型于2022、2023年逐步推出。暫且不說別的，至少在充電速度上，能夠看到國內新能源汽車的快速迭代。

就好像安卓手機一步步走向超級快充的歷程，從一開始普通的Micro USB到后面逐步采用Type C接口，并隨著技術的突破，充電速度也開始狂飆。某品牌“充電5分鐘，通話2小時”的宣傳語至今還朗朗上口，而現(xiàn)在不少國產安卓機廠商已經可以達到10分鐘左右就幾乎可以充滿電的速度，讓終端消費者手機電池續(xù)航的焦慮大大得到了緩解。

充電樁大功率化

高壓化的變化趨勢

那么新能源汽車在充電技術與速度的升級和迭代過程中，有哪些趨勢和變化呢？不難發(fā)現(xiàn)，前面提到的多家主機廠商推出的超級快充，多數(shù)都是基于800V的高壓平臺。

正常來說，電池電量=充電功率*充電時間=充電電壓*充電電流*充電時間。因此，在充滿相同電量的情況下，如果要縮短充電時間的話，那一定需要將功率提高，電壓和電流中總有一位需要承擔這項任務。眾所周知，電流越大，其傳輸過程中的損耗也越大，同時，大電流意味著電纜也需要更粗，耗材成本同樣會很大，因此，提高電壓成了最為理想的選擇。

圖、新能源汽車行業(yè)快充發(fā)展趨勢

所以，無論是機車端，還是充電樁端，高壓平臺的應用是必然趨勢。雖然現(xiàn)狀是，并非所有的新能源汽車都可以一下子從低壓慢充跨越到高壓快充，但這是一個逐步迭代的過程，并且汽車相比手機的產品周期更長，迭代的周期也會更久一些，但迭代的方向是不會變的。

直流快充樁

逐漸替代交流慢充樁

另外一個現(xiàn)象，就是直流快充的充電樁正在逐步替代交流慢充的充電樁。交流充電樁和直流充電樁由于AC-DC變流環(huán)節(jié)的不同，而導致前者充電速度不及后者，通常就將交流充電樁稱為“慢充”，而將直流充電樁稱為“快充”。

圖、電動汽車充電架構

交流充電樁的本質是一個帶控制的插座，其結構簡單，在充電過程中需要車載充電機自身進行變壓整流，因此交流充電樁本身幾乎用不到功率器件。反之，直流充電樁則更為復雜，其核心功能是將電網中的交流電提前轉化為可以直接向電池充電的直流電。整個充電模塊包括了半導體功率器件、集成電路、磁性元件等關鍵組成部分。

圖、充電模塊成本構成

充電模塊本身占據(jù)充電樁硬件設備將近一半的成本，其中功率器件、磁性元件和半導體IC的占比分別為30%、25%、10%。

表、直流充電樁與交流充電樁對比

截至 2022 年 10 月，公共充電樁保有量中，直流快充樁占比約 42.3%，較 2018 年的 36.7% 提升約 5.7個百分點，伴隨下游新能源汽車快充車型的進一步投放，未來直流快充樁占比有望進一步提升。

從價值量看的話，交流慢充樁從家用的7kw到公用三相交流電的40kw，單價大概在2000-5000元之間；而直流快充樁功率基本都在50kw以上，單價也貴了不少，基本在3萬元之上，部分功率更高的甚至可達十幾萬元。因此，在直流快充逐步替代交流慢充的過程中，不光是占比的逐步提高，其單樁的價值量也在大幅提升，所用到的功率器件及半導體IC也會水漲船高。

除了這兩個趨勢變化外，前文提到比亞迪采用的電驅升壓技術也是值得關注的點。目前業(yè)內不少廠家為了能夠加快充電速度，也在采用類似技術。有專業(yè)人士對比了比亞迪和華為的相關專利，發(fā)現(xiàn)比亞迪利用了電機的繞組作為400V轉800V升壓時的電感和MCU的功率管進行功率轉換來實現(xiàn)的；而華為的專利是通過外置電感和MCU的功率管來實現(xiàn)升壓功能的，同時還包括了通過電驅放電的方案，覆蓋的面也更加廣泛。這一類技術，目前可以作為從400V到800V普及過程中的過渡方案。

背后功率器件那些事兒

MOSFET、IGBT及碳化硅的應用

功率器件作為充電模塊的核心部件，作用是通過整流、穩(wěn)壓、開關、變頻等一系列操作幫助電流完成從充電樁端到達電池端這樣一整個充電的過程。目前，國內充電樁采用的功率器件主要就是硅基的MOSFET和IGBT。

其中，MOSFET更適用于中小功率的應用場景，是在充電樁中實現(xiàn)電能高效轉換、增強穩(wěn)定性的關鍵器件；而IGBT兼具MOSFET高輸入阻抗和GTR低導通壓降的優(yōu)點，是理想的開關器件，在高壓系統(tǒng)中也更具優(yōu)勢。

當充電樁向高壓架構發(fā)展的趨勢越來越明顯，高性能MOSFET的需求也越來越大，通過改進器件結構的超級結MOSFET應運而生了。超級結MOSFET能夠在保證較低導通電阻的同時大大提升耐壓性，并進一步提高功率密度和工作頻率。目前國內外的功率器件廠商均已布局相關產品。超級結MOSFET的產品市場規(guī)模也將于2024年達到10億美元，Omidia和Yole預測2020-2025年，全球超級結MOSFET晶圓出貨量CAGR達8.1%，增速為普通硅基MOSFET的兩倍。

還有碳化硅功率器件，根據(jù)ROHM測算，900V 平臺下相同導通電阻的碳化硅MOSFET 芯片尺寸僅為硅基 MOSFET 的 1/35、超級結 MOSFET 的 1/10。與傳統(tǒng)硅器件相比，碳化硅模塊可以幫助充電樁提升近 30%的輸出功率、減少 50%左右的損耗，并增強充電樁的穩(wěn)定性。

目前碳化硅價格仍是硅基 IGBT 的 3-4 倍，而充電樁行業(yè)競爭激烈，對成本控制要求高，現(xiàn)階段碳化硅模塊在充電樁市場當中滲透率較低。相比純碳化硅方案，目前硅基 IGBT+碳化硅 SBD 混合方案應用更為廣泛。隨著全球碳化硅襯底產能的逐步釋放、工藝改善下良率的不斷提升以及技術方案的不斷成熟，碳化硅器件的價格持續(xù)下降，其在充電樁市場的應用有望得到進一步推廣。

里程焦慮問題遠期逐漸弱化

圖源 | thenextavenue.com

隨著充電樁速度的持續(xù)提升，背后各式各樣的功率器件都起著舉足輕重的作用，無論是硅基MOSFET、IGBT，還是碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料的應用

雖然距離真正消除“里程焦慮”還很遠，但可以說這塊電動汽車的“短板”正在被一點一點地補上。無論是大功率高壓充電平臺的趨勢，還是直流充電平臺的趨勢，適用的都是交通繁忙、停留時間短等需要快速補電的場景，比如商場、高速公路服務區(qū)的充電樁。針對的更多是終端消費者需要快速補電的需求，而普通家用或工作場所等停留時間長的應用場景，快充的吸引力則較為有限。

對于這些應用場景來說，大多會安裝私人或小范圍人群共享的充電樁，即使是交流慢充的充電樁，通常都有足夠的時間去完成充電，考慮更多的是用電的成本，從而轉化為對每公里耗電成本的考量。

隨著功率器件硬件及解決方案的不斷進步，充電模塊的不斷改進，充電樁的充電速度也會不斷提升。如果有一天，電動汽車的補電便利程度真的趕上了傳統(tǒng)燃油汽車，充電就像加油一樣方便，你還會糾結選購電車嗎？

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