电动汽车800V高压快充将至：属于碳化硅的最好时代来了？

2021 年 8 月，广汽埃安发布了 A480 超级充电桩，电压可达 880V，最高充 电功率为 480kW。2021 上海车展上，起亚 EV6 全系车型支持 400V 和 800V充电，现代 IonIQ 5 最新 800V高电压平台支持高达 350kW 的超大功 率充电，吉利浩瀚架构下首款车型采用 800V 高压系统，东风旗下岚图汽 车宣布研发基于超高压平台的超级快充技术。随着超充、快充需求的增加， 全碳化硅模块开始在充电桩上大量采用，根据产业链调研，800V 架构的高 性能充电桩大部分采用全碳化硅模块。

800伏特电压、350千瓦功率的充电平台或将成为未来纯电动汽车的分水岭。广汽埃安在线上发布会上，发布了最新的超倍速电池技术和A480超充桩。这套充电系统的充电电压为880伏特，充电功率为480千瓦，能实现6C的充电倍率。
所谓充电倍率，是以1小时充满电为基础，6C即六分之一小时（10分钟）完成一次充电。经过实测，广汽埃安实现了“充电5分钟，行驶207公里”的成绩，并获得了世界纪录认证机构（WRCA）的权威认证。自电动汽车量产以来，车企围绕充电功率的的竞赛就从未停歇，在电动车充电领域，业内普遍将800伏特平台，350千瓦功率作为高压充电门槛。此前以充电效率闻名的车型是保时捷Taycan，正好达到这一标准。
高压充电技术的普及，对于电动车意义重大，这意味着纯电动汽车彻底消除里程焦虑，在续航上媲美燃油车，届时，凭借自身更出色的动力性能、智能化体验，电动车将彻底替代燃油车。过对于充电系统而言，技术上实现高压充电并不困难，电网负荷的改造对于高压充电桩的普及更为重要。当下是否是一个普及高压充电的好时机，仍充满争议。
目前，受制于硅基IGBT功率耐压能力，主流快充模式主要基于400伏特电压平台。但400伏特的快充，显然不能满足电动汽车对充电效率的要求。此前，中国科学院院士欧阳明高在电动汽车百人会组织的研讨会上指出，解决充电的后顾之忧，需要更大功率的快充技术，超级快充是大势所趋，行业需要推进电动汽车采用≥800V的更高电压平台。
碳化硅材料特性使得 MOSFET 结构轻松覆盖 650V-3300V，导通损耗小；同时，90%的 行车工况是在主驱电机额定功率 30%以内，处于碳化硅的高效区；另外， SiC 主驱使得电源频率和电机转速增加，相同功率下转矩减小，体积减小； 主驱控制器用 SiC MOSFET 的 800V 平台车型总体节能 5%-10%。

SiC MOSFET 是 800V 高压系统功率半导体的较佳选择，目前已发布或即将发布 的 800V 高压系统方案大部分都选择采用 SiC MOSFET。对于超级快充，最好的办法是采用 800V 的平台，用 800V 的超级快充时，要求充电桩电源模 块的功率要扩容到 40kW/60kW，全 SiC 的方案效率则可以提高 2%。800V 高压系统将带动主驱逆变器、车载 OBC、DC-DC、PDU、超充、快充电桩开始大规模应用碳化硅，碳化硅迎来高速发展时刻。
充电快慢与什么因素有关
要想回答这个问题，咱们先要复习一个物理基础知识。如果你的中学物理课还没还给老师，那么就会知道，充电功率=输出电压×输出电流（P=UI），所以要想提高充电功率，要么提升充电电流，要么提升充电电压。
当功率高的时候自然充电更快，而功率低的时候充电效率也就慢下来。
因此，提升充电功率有两个解决方案，一是增大充电电流，二是提升充电电压。首先，如果我们选择提升电流的方案，还要涉及到另外一个物理公式：功率损耗=电阻×电流²（P=I²R）。
也就是说，在电阻不变的情况下，电流越大，所产生的功率损耗也就成倍数增长。
按照能量守恒的定律来看，如果说功率有损耗的话，那么这些损耗的功率一定是“开小差”了，至于它到底干了什么，可能有些朋友已经猜到了，那就是发热，表现为电线会越来越烫。
毫无疑问，提升电流会有非常大的安全隐患。所以，大多数车企选择了另一种解决方案：提升电压。当然也有例外，比如特斯拉，这个我们后面会讲到。
现阶段，我们能够常见到的充电平台，基本上都是采用了低电流、高电压的方式，而低电流所带来的好处，除了可以有效降低发热现象，还能进一步缩减线束的横截面积，也就是电阻的横截面积，因为电流越小，线束就可以做的更细、更便捷。
不过，我们虽然解决了电流的问题，但随之而来的，还有在高电压的环境下，如何确保充电平台中的各个组成部分，能够耐得住高压的考验。
说到这里，我们将要进入下一个话题，高压下的解决方案。
高压充电平台的快感
有关充电平台的组成，我们暂且分为充电端与车辆端两方面讨论。
首先是充电端，也就是所谓的电枪、电线等部分，参考案例为目前技术相对成熟的特斯拉V3超充站（Tesla Supercharger V3）。
需要事先声明的是，特斯拉目前所使用的V3超充技术，并非严格意义上的高压解决方案，因为它的峰值电压为400V，与眼下诸多厂商所追求的800V还有一段距离。所以，从某种意义上来说，V3超充技术更像是中高压与高电流的结合体。
而在前文我们曾提到过，高电流会导致电阻（线束）发热，从而造成一定程度上的安全隐患，那么有关这点特斯拉是怎么解决的呢？
据了解，特斯拉V3超充技术配备了一套液冷的充电枪。顾名思义，液冷充电枪就是通过一个电子泵来驱动冷却液流动，从而实现在经过液冷线缆时，带走电流损耗时所产生的的热量，最终回到冷却液油箱，通过电子泵驱动散热器进行散热。
如此循环工作，可以达到小截面积线缆通载大电流、低温升的要求。
众所周知，特斯拉其实早在V2 Supercharger上就使用了液冷线缆，不过由于超充功率的提升，特斯拉对V3 Supercharger上所配备的液冷技术进行了更新，换用了重量更轻、柔性更高的全新线缆，拥有着更好的散热效果。
至于在充电插口的使用上，特斯拉V3超充站采用的是由泰科提供的HC Stak 35连接器（与位于电池组一端的连接器相同）。
其优点是，在匹配了95平方的高压屏蔽线后，载流能力达到了330A@85℃（即实现330安培的最大载荷时温度为85摄氏度），距离特斯拉所使用的电缆耐热极限180℃还有很大余量。
所以，得益于良好的散热系统，特斯拉V3超充站可以实现250kW的充电功率，相较于第二代的145kW提升了72.4%。
当然，特斯拉并不是“抗压”能力最强的一个，因为有这么一款车型，可以做到800V高压充电，并且这台车已经量产在售，它就是全球范围内，首个实现800V系统充电的保时捷Taycan。
言归正传，在条件允许的情况下，目前Taycan所搭载的800V快充系统的峰值充电功率为350kW，按照官方的介绍，车辆的电池想要从5%充至80%，只需要22.5分钟。
不过为了实现这一目标，Taycan在架构内增加了大量复杂的电压转换设备，而这些设备，就是我们接下来要说的内容，即如何在车辆端，满足高压平台对于硬件上的需求。
目前比较主流的，是更换车规级的变换器核心零部件--IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor)，它的中文学名是“绝缘栅双极型晶体管”。
现阶段使用最广泛的是硅基IGBT，它的耐压等级区间在600V-750V，显然和厂商们所希望的800V无法形成匹配。因此为了适应高电压平台，有些厂商便选择了耐压性跟高的SIC（碳化硅），例如我们刚刚提到的保时捷Taycan。
可问题是，原本耐压性表现一般的IGBT，就已经占据了电动车将近10%的成本，而SIC的成本，更是IGBT的10倍左右。
换句话说，但凡使用高级别的SIC，就会提升车辆的整体成本，这无疑是雪上加霜。也正因如此，这些昂贵的原材料，在一定时间内减缓了厂商们进军高压平台的脚步。
好消息是，据业内相关人士透露，目前我国国内部分科技企业，正在和车企协作联合开发车规级的SIC，只不过具体的量产时间待还不确定（据悉，小鹏G9就使用了高压SIC平台）。
虽然听着还有些扑朔迷离，但人们不是常说，只要迈开第一步，就已经成功一半了吗？
各大厂商也开始在电动车充电的解决方案上拿出了新的成果
蔚来ET7 800V+碳化硅车型
蔚来 ET7 采用碳化硅模块。ET7 通过采用碳化硅功率模块（SiC MOSFET）、 减少零部件数量、优化电磁方案、优化减速器速比（从 9.57 提升到 10.48）、 采用扁线绕组等技术，在功率提升 12.5%的基础上，重量依然保持在 88 公 斤，使功率密度超过了 2.04kW/kg，在国产电驱系统中处于领先地位。
蔚来ET7碳化硅模块
蔚来 ET7 续航提升 4%~6%。蔚来所采用的碳化硅模块由安森美生产，位于韩国的晶圆厂生产晶圆，并在马来西亚进行模块封装。该模块的导通电 阻仅 1.7mΩ、热阻 0.1℃/W，是目前业内性能最优的碳化硅功率模块之一。 与传统的硅基 IGBT 模块相比，该模块在低载的工况下，也就是我们日常 通勤场景中，导通电压、开通损耗、关断损耗上都有优势，其中关断损耗 要比传统 IGBT 模块要低 2~3 倍。同时，该模块的开关频率可以达到 50~500kHZ，开关时间可以缩短到 50 纳秒，比传统的 IGBT 模块快 5~6 倍。 基于多重优势，采用碳化硅模块的蔚来电驱动系统的电流能力提升了 30%， 功率提升 20%，综合工况效率超过 91.5%，并对续航带来了 4%~6%的提升。
采用碳化硅技术可以降低 800V 电机的谐波损耗。通常的功率流(灰色)从输 入功率，通过气隙功率，到轴上的机械输出功率。定子和后来的转子的功率损失是通过散热传递的。红色表示的是完全转化为热量而不影响机械功率的谐波输入功率。
小鹏 G9 800VSiC 平台
充电 5分钟续航 200公里。小鹏 SUV G9，首次采 用 800V 高压 SiC 平台，小鹏汽车还将铺设中国首批量产的 480kW 高压超 充桩，有望实现充电 5 分钟，续航 200 公里。
小鹏 G9 800VSiC 平台，充电 5分钟续航 200公里。小鹏 SUV G9，首次采 用 800V 高压 SiC 平台，小鹏汽车还将铺设中国首批量产的 480kW 高压超 充桩，有望实现充电 5 分钟，续航 200 公里。
多家汽车品牌采用 800V+碳化硅方案 ：Model3 开创车用碳化硅先河。2018 年，特斯拉 Model3 逆变器模组上率先采用了 24 颗碳化硅 SiC MOSFET，该产品由意法半导体提供，开启了碳化硅电动汽车应用的先河，比亚迪汉电驱 2020 年也开始采用 SiC MOSFET， 2021 年开始，电动汽车应用碳化硅呈现大幅增长态势。
根据不完全统计，全球已采用或确定采用 SiC 功率器件的近 30 家汽车品牌， 预计 2022 年之后，电动汽车应用碳化硅出现爆发式增长。
车载充电模块开始大规模采用碳化硅。动力电池电压平台升级到 800V ， 当前的 OBC 、 DC/DC 及 PDU 等电源产品都需要从 400V等级提升至符合 800V 电压平台的应用， SiC 器件由于其优异的特性也将开始大规模的应用。
碳化硅器件可提升 OBC 效率与功率密度，降低损耗。车载 OBC 采用碳化 硅器件，系统效率可提升 1.5% - 2.0%。器件开关频率 x2，减少被动器件体 积，提升功率密度（30% - 50%）器件数量减少，简化驱动电路设计，减少 驱动芯片使用量，有望降低系统成本。
800V 系统车型，车上需要加装大功率升压模块，广泛应用碳化硅。直流快充桩原本输出电压等级为 400V，可直接给动力电池充电， 但升级为 800V 后充电桩电压不再能够继续充电，因此需要一个额外的升压产品使 400V 电压能够上升到 800V ，进而给动力电池进行直流快充。在此技术方案下， 行业深度研究 - 17 - 敬请参阅最后一页特别声明 这个器件需要能够满足大功率充电的功率，因此其价值量相比传统 DC/DC 要更大，而电源企业也将充分受益于此升压 DC/DC 产品的配置。高电压对 功率器件提出更高要求，碳化硅将借助耐高压、耐高温、开关损耗低等优 势在功率器件领域进行广泛应用。
以 OBC 举例，从 Si 设计转到 SiC 设计，功率器件和栅极驱动的数量减少 30% 以上，开关频率提高一倍以上。降低了功率转换系统的组件尺寸、重 量和成本，同时提高运行效率。
车载电源产品主要向集成化、高功率化、双向化发展。
(1) 集成化：通过将 DC/DC、OBC、电机、电控器件等集成可以减少车载 电源的占用空间，减少电路板尺寸，降低组装成本以及 BOM 和 PCB 成本。
(2) 高功率化：随着电动车续航、带电量的提高，10kW、 20kW 以上的大 功率将成为主流，主要通过三相交流电技术。
(3) 双向化：双向 DC/DC 具有效率高、体积小、成本低的优点，同时还可 将电池电能对外输出，有效提高电能利用率。双向车载充电机可以将电池 的电能对外输出，实现车对车、车对负载、车对电网充电。 在车载电源系统中使用 SiC MOSFET能以更高的频率进行开关，功率密度 更高，能效更高，EMI 性能得到改善以及系统尺寸减小。同时，再以 22KW OBC 系统举例，再进一步细化成本结构：尽管相比单个 Si 基二极管 和功率晶体管，分立式 SiC 基功率器件的成本更高。但从系统角度来说， SiC 器件的性能可减少所需元件的数量，从而降低电路元件成本以满足支 持各种功率器件功能的要求。综合测算，SiC 系统比 Si 系统可节约近 20% 的成本。
除了结构成本节约之外，SiC 系统在 3 kW/L 的功率密度下可实现 97% 的峰 值系统效率，而 Si OBC 仅可在 2 kW/L 的功率密度下实现 95% 的效率。
充电桩向大功率方向发展，全碳化硅模块用量增加

本文来源：四轮进化 e创智联 出行一客