一文搞懂车规级碳化硅模块

发布人：旺材芯片时间：2022-01-05 来源：工程师发布文章

核心观点
动因：为什么是800V
整车：会战高端化，800V车桩并举
零部件与元器件：SiC和负极受益最大，其他部件平滑升级

核心观点
800V架构是全级别车型实现快充的主流选择。对于电池端，快充实质上是提升各电芯所在支路的充电电流，而随着单车带电量超100kWh以上的车型持续推出，电芯数量增加，若仍继续维持400V母线电压规格，电芯并联数量增加，导致母线电流增加，对铜线规格、热管理带来巨大挑战。
因此需要改变电池包内电芯串并联结构，减少并联而增加串联，方能在提升支路电流的同时维持母线电流在合理水平。由于串联数量增加，母线端电压将提升。而100kWh电池包实现4C快充所要求的母线电压即为800V左右。为了兼容全级别车型快充功能，800V电气架构成为实现快充的主流选择。

整车：会战高端化，800V车桩并举。2019年豪车品牌保时捷推出全球首款800V车型Taycan 。2020年比亚迪汉采用了 800V架构，2021年上海车展发布的e平台3.0亦搭载800V架构。随后华为、吉利、广汽、小鹏、岚图等Tier1和整车厂/品牌推出了车桩两端的解决方案，以保障快充使用体验。
我们认为未来两年高端化是整车厂主战场，军备竞赛开启。补能时间是电动车面临的核心短板之一，升级800V结构有利于实现快充，在短期内形成对中低端车型的差异化竞争力。长期看快充对于中低端车型亦是刚需，800V架构升级具备长期趋势。
零部件与元器件：SiC和负极受益最大，其他部件平滑升级。从目前400V升级至800V ，变化最大的零部件和元器件主要是功率半导体和电池负极。其中SiC基功率半导体由于耐压高、损耗低、开关频率高等优异性能，预计将全面替代Si基功率半导体。
由于快充瓶颈在于负极，如要将目前的1C倍充电率提升至2C ，再提升至4C ，主流技术包括石墨包覆/掺杂硬碳、硅碳负极。其余部件则需要重新选型，提升耐压等级，但整体来看成本变化平滑。短期来看高压方案比目前方案整车成本增加2%左右，长期看有望低于目前成本，为整车厂推广建立了良好基础。

风险因素： 新能源车销量不及预期，快充电池技术开发不及预期，快充充电桩铺设不及预期，电网扩容不及预期，快充导致电池安全问题。
投资建议： 未来两年是整车厂品牌向上最佳时间窗口，高端车型有望密集推出，军备竞赛开启。缩短补能时间是目前电动车升级的核心诉求之一，国内外整车厂争相布局800V快充，率先在高端车上配置，在短期内形成对中低端车型的差异化竞争力。长期看，中低端车型亦有快充需求，800V电气架构升级具备长期趋势。
我们推荐：

目前具备成熟800V技术以助力品牌升级的自主整车厂；

国内SiC功率半导体技术领先的供应商；

硅碳负极供应商。建议关注高压系统中零部件和元器件供应商。

01动因：为什么是800V
汽车电压平台演变
燃油车时代，6V-12V-48V：

1912年汽车开始装蓄电池，电压为6V。随着汽车电器如车灯、照明、ISG等用电器件增加，用电功率需求增加，1950年升级为12V，并延续至今。

期间还出现过42V，主要由美国发起，因零部件升级电压规格成本高而未能实现。2010年信息娱乐、混动等需求出现，由欧洲发起48V升级，与12V并存。

电动车时代，出现>400V高压：

纯电动汽车中由于成百上千个电池串并联，整个电池包电压超百伏，与燃油车上共有的12/48V用电器形成高、低压两套电气系统。

纯电动汽车高压系统主要由动力电池、配电盒、OBC、DCDC、电驱、PTC、空调、充电口等构成。

目前纯电动乘用车由于带电量不同，电压等级在250-450V范畴，公交车/物流车由于带电量高，电芯串联之后电池包电压范围在450-700V。

未来乘用车有望升级至800V。

痛点：补能速度，两种方案——换电和快充。

电动车在动力性能、智能化方面超越燃油车，续航里程也随着电池能量密度提升、电耗降低而提升到400km以上水平。但整体仍面临着补能焦虑的问题，燃油车加一次油时间为5分钟，而目前快充至少要60分钟。在高峰期充电排队等候的时间亦进一步拉长。
解决补能速度的两条路线包括换电和快充，换电目前还面临盈利模式、标准统一等挑战。
目前车企更多选择快充路线，一方面快充与CTC趋势一致，另一方面技术升级路径清晰。

快充：两种技术方向：根据P=UI，提升快充功率有2种方案。

提升U，代表是保时捷的800V方案，350A电流，实现300kW充电功率。

提升I，特斯拉超级快充方案，对热管理有巨大挑战，600A电流，实现250kW充电功率。

快充：为什么至少是800V？
为了向上兼容电池容量大的高端车。电池充电速度以电流倍率（C）衡量。实际应用中的限制条件是：

充电枪有最大充电电流限制；

不同EV有不同的电池容量，均要实现相当的快充时间。

做一个简单的算术：假设忽略电池包内部电芯连接方式，容量75/100kWh的电池包，要求同样要实现7.5min充满（<4min30%-80%SOC），即4C的最高倍率，最大电流为500A充电枪下，根据容量=电流*电压*充电时间，75/100kWh电池包母线电压将达到600/800V。
因此，为了向上兼容电池容量大高端车快充性能，在设计之初就将整车电压水平定在800V，电池包内部电芯亦以800V为标准设计串并联拓扑，最后确定电芯容量。
例如，400V体系下，如果是三元电芯，需要400/3.6=112个串联节点；若4个电芯并联，则一共需要448个电芯。电池包容量是100kWh，则单个NCM电芯容量为62Ah，对应电芯连接方式是4并112串。800V体系下，若电芯规格不变，电芯连接方式则变为2并224串。

400V升级800V还有何益处？

高压线束规格下降，用量减少，降本减重，在电压翻倍、充电功率增幅不翻倍的情形下，串联增加，高压线束电流变小。

SiC逆变器使得电源频率增加，电机转速增加，相同功率下转矩减小，体积减小。电机电压翻倍，相同功率下电流减半，因此铜线细（但匝数增加，因此用铜量未减小），电流密度小，转矩变小。若需提升功率，额定电流仅需从400V电机额定电流的一半开始增加。

02整车：会战高端化，800V车桩并举
第一阶段：车端800V系统开始应用
保时捷Taycan的TurboS引领800V浪潮，自主品牌、海外合资以及造车新势力，纷纷跟进布局800V。
第二阶段：800V车桩并举，成为品牌升级的标配
广州车展各车企会战高端化，消费者对电车接受度迎来清晰拐点，未来两年料将是做品牌向上最好的阶段。
高端车比短处，低端车比长处。各家高端化升级过程中堆配置，补能是各车企共同面临的痛点，长期看快充料将成为标配。另外，快速补能对低端车亦是刚需，在换电路线发展速度比较慢的前提下，快充具备下沉潜力。
快充的完全体验，需要车桩两端同时配合。短期来看，800V快充桩普及速度有限，因此车企选择在车桩两端同时推广800V（小鹏、岚图等），亦有例如华为的零部件供应商提供完整的快充解决方案。
800V高电压平台难在哪里？——技术+基础设施共同推进
800V高电压平台面临多个难点，包括相关元器件的重新开发，电池模组安全性的提升以及半导体器件路线的改变。

原有的大部分元器件都要重新开发、设计，从而来匹配高电压平台。这对车企和供应商提出了新的要求。

800V快充对现有电池构成挑战，4C以上充电倍率以及电压和电流的增大会极大的影响电池的稳定性。仍需在BMS和电池材料电导率上进一步改善。

半导体器件方面，在500V电压平台上常用的是IGBT，而在800V电压平台上SiC的性价比优于IGBT。

800V快充性能实现需要车桩两端同时具备800V能力，同时还要电网配合增容。

03零部件与元器件：SiC和负极受益最大，其他部件平滑升级
400V->800V哪些零部件和元器件需要升级？

电控
800V下SiC性能优异，替代Si基功率半导体趋势明确：

SiC基功率半导体相比Si基具备更高耐压等级和开关损耗，以Si-IGBT为例，450V下其耐压为650V，若汽车电气架构升级至800V，考虑开关电压开关过载等因素，对应功率半导体耐压等级需达1200V，而高电压下Si-IGBT的开关/导通损耗急剧升高，面临成本上升而能效下降的问题。

800V下SiC的耐压、开关频率、损耗表现优异，是800V趋势下最大受益元器件。

薄膜电容提升耐压等级，短期内单车价值提升：

薄膜电容的作用是作为直流支撑电容器，从DC-link端吸收高脉冲电流，保护功率半导体。一般一个功率半导体配一个薄膜电容，新能源车上主要用于电机控制器、OBC上，若多电机车型，薄膜电容用量亦会随之增加。另外，在直流快充桩上亦需要一个薄膜电容。

目前薄膜电容ASP为200元，800V趋势下，薄膜电容的ASP需提升约20%。另外短期看，800V会在高端车率先应用，高端车一般采用多电驱配置，提升薄膜电容用量。

电池
负极快充性能要求提升。动力电池快充性能的掣肘在于负极：

一方面石墨材料的层状结构，导致锂离子只能从端面进入，导致离子传输路径长；

另一方面石墨电极电位低，高倍率快充下石墨电极极化大，电位容易降到0V以下而析锂。

解决方法主要有两类：

石墨改性：表面包覆、混合无定型碳，无定型碳内部为高度无序的碳层结构，可以实现Li+的快速嵌入。

硅负极：理论容量高（4200mAh/g，远大于碳材料的372mAh/g），适合快充的本征原因是嵌锂电位高——析锂风险小——可以容忍更大的充电电流。

电机
轴承防腐蚀、绝缘要求增加。轴电压的产生：

电机控制器供电为变频电源，含有高次谐波分量，逆变器、定子绕组、机壳形成回路，产生感应电压，称为共模电压，在此回路上产生高频电流。由于电磁感应原理，电机轴两端形成感应电压，成为轴电压，一般来说无法避免。

转子、电机轴、轴承形成闭合回路，轴承滚珠与滚道内表面为点接触，若轴电压过高，容易击穿油膜后形成回路，轴电流出现导致轴承腐蚀；

800V的逆变器应用SiC，导致电压变化频率高，轴电流增大，轴承防腐蚀要求增加；

同时，由于电压/开关频率增加，800V电机内部的绝缘/EMC防护等级要求提升。

高压直流继电器：高性能要求驱动附加值，单车价值量提升
需求具有高确定性，800V下产品性能要求提高，附加值提升：

高压直流继电器作为自动控制开关元件，起到高压电路控制和安全保护作用，新能源车对高压直流继电器具有刚性需求；

800V平台电压电流更高、电弧更严重，对高压直流继电器耐压等级、载流能力、灭弧、使用寿命等性能要求提高，产品需要在触点材料、灭弧技术等多方面改进，附加值提高。

预计单车价值量将提高40%，乘用车配置数量以4-5个为主，充电桩多为2个：

目前A级车高压继电器单车价值量为800元左右，预计800V电压平台单车价值量将提升40%。数量配置取决于车型类别和电路设计，乘用车多采用主回路2只、快充回路1-2只、预充回路1只方案；

商用车功率更高，配置约4-8只；直流充电桩常规配2只。

熔断器：激励熔断器渗透率提高，单车价值量提升
具备需求刚性，电路保护要求提高驱动激励熔断器、智能熔断器等产品创新，价值提升：

熔断器是电路过电流保护器件，800V要求熔断器在绝缘、耐压等级等方面进行改进调整；

新型激励熔断器通过接收控制信号激发保护动作，当前已逐步应用于新能源汽车，平均售价是传统电力熔断器3.6x；

智能熔断器自动检测回路信号触发保护动作，尚处于开发应用前期。

预计单车价值量将提升约20%，激励熔断器渗透率提高：当前熔断器单车价值量约200-250元，800V平台下保守方案采用热熔丝和激励熔丝，激进方案只采用激励熔丝，随着激励熔断器市场渗透率的不断提升，预计单车价值量将达到250-300元。
高压连接器：电流减小降规格，迎国产替代机遇
性能升级，优势厂商优势明显：作为新能源车高压电流回路的桥梁，升压对连接器的可靠性、体积和电气性能的要求增加，其在机械性能、电气性能、环境性能三方面均将持续提升。
作为中高端产品，电动汽车高压连接器有较高的技术与工艺壁垒。传统燃油车的低压连接器被海外供应商垄断。电动车快速增长打开高压连接器新增量，技术变化要求快速响应，整车平台高压化将进一步提高行业壁垒，国产供应商迎来国产替代机遇。
数量增加，单车价值量有望提升：目前单辆电动车配置15-20个高压连接器，单价在100-250元之间，双电机或大功率驱动电机车型需求量更多。从400V增至800V后，高压连接器将重新选型，增加大功率快充接口及400V到800V的转化接口，带动高压连接器单车价值量上升。
OBC/DCDC：主动元件升级，短期内受益升压增量
高电压对功率器件提出更高要求，将驱动OBC/DCDC成本短期内攀升：