新能源汽车碳化硅800V平台架构优势及实现方式解析
新能源汽车面世和发展以来,一直面临续航短、充电慢等终端客户问题。
根据功率计算公式可以轻松发现,想要提升充电效率,无外乎加大电流或提高电压两种方式。
过度的加大充电电流会持续产生高温热量,甚至引起燃烧或爆炸等后果。因此,提高电压成为了行业内的主流选择。
何为高压平台
受限于硅基IGBT的工作频率和偏大的元件尺寸,目前大部分新能源车产品采用的是400V平台。随着碳化硅半导体技术的发展,越来越多车企打造出基于碳化硅的800V甚至更高的高压平台。
无论是400V或是800V,指的都是车辆电气系统中的工作电压。但目前各家车企宣传的800V,并不是指整车的高压电气系统全时段达到800V电压,而是整车平均电压在550-930V范围内(也有机构认为电压范围应为600-900V),均统称为800V高压平台。
▲图源:mbbonitasprings
高压平台的优势
第一,充电功率更高,消除充电时间焦虑。400V系统下200kW左右的充电功率会成为很多车辆设计的极限,而800V高压系统可以将极限突破到400kW。如果按照这样的功率,100kWh的长续航电池的20%-80%充电仅需9分钟左右,极大的消除了充电焦虑。
第二,快充系统成本低。相比目前市面上基于400V系统的快充,800V高压系统可以在高功率充电应用下做到相对更低的系统成本。
▲800V高压平台下快充成本变动
第三,快充充电损耗低。相比400V系统,800V高压系统充电电流小,电池损耗,线束损耗以及充电桩损耗都可以降低,实现充电节能。
第四,电驱动力更强劲。800V高压平台下系统铜损更低,电机逆变器功率密度更高,带来的直观变化是更大的电机扭矩,以及更澎湃的动力性能。
▲图源:mbbonitasprings
如何实现高压平台
几年前较为主流的基于硅基IGBT的高压系统,其耐高压的等级在600-750V左右,并且器件的尺寸偏大,对整车轻量化与电气化不利。
目前,以碳化硅为主的耐高压大功率器件开始成为行业的主导。这种材料拥有耐高压和高导热性的材料特性,使用碳化硅的热损耗只有硅基产品的50%左右,而传导率高达98.5%,功率则可以做到1700V甚至更高。不仅如此,碳化硅功率模块的体积还可以做得更小且功率密度更高。
车企应用碳化硅800V平台架构时,其核心三电技术以及功率器件的耐压、损耗、抗热性能等也会有更高的要求。
1)电机方面 —— 轴承防腐蚀要求增加;电机内部的绝缘/EMC防护等级要求提升
▲800V应用SiC造成轴电流增加大而击穿油膜风险增加
2)电控方面 —— 整体成本上升
▲车/桩上功率半导体均有望从Si基转向SiC
3)电池方面 —— 电池负极快充性能要求提升
4)连接器+线束 —— 连接器数量可能增加;线缆耐压性需要提高、体积需减小
5)滤波系统 —— 主要包括电容和磁环,升级800V后EMC辐射量会变化
6)继电器 —— 能够兼容高电压
目前,800V高压系统已是各家车企重点宣传的关键技术、亦是消费者的决策因素之一。保时捷、路特斯、宝马、奔驰、比亚迪、蔚来、小鹏、问界、吉利、长城、阿维塔等国内外品牌在800V高压平台方向均有所布局。
▲图源网络
SMC桑德斯微电子根据客户的需求设计和生产半导体及相关产品。
2015年,SMC布局碳化硅产品的设计、研发与制造,并推出了一系列节能可靠、高性价比的大功率碳化硅产品器件,可广泛运用于包括新能源汽车、光伏、储能、电源等各个领域。
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深圳爱仕特科技有限公司推出新款汽车级碳化硅功率模块DCS12,旨在缩小半导体器件使用尺寸的同时,提高逆变器功率密度、可靠性、耐用性以及寿命周期,给高速发展的新能源汽车注入动力。
国内新能源汽车未来发展,最核心的技术是什么?
近年来,中国新能源汽车市场发展迅猛。根据中汽协数据显示,2023年,中国新能源汽车销量达到了949.5万辆,同比增长37.9%。预计2024年,中国新能源汽车销量可能将达到1200-1300万辆,并占据全球新能源汽车总销量的约60%。新能源汽车的迅猛发展,倒推车规级碳化硅SiC功率器件的需求也呈井喷式增长。
【应用】SiC器件可在5G基建、新能源汽车充电桩、工业互联网等领域中提高电能利用率
碳化硅(SiC)材料是功率半导体行业主要进步发展方向,用于制作功率器件,可显着提高电能利用率。可预见的未来内,新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景。特斯拉作为技术先驱,已率先在Model 3中集成全碳化硅模块,其他一线车企亦皆计划扩大碳化硅的应用。
【元件】展会直击 | 2.5nH超低电感,爱仕特全新LPD碳化硅模块惊艳亮相PCIM
2024年8月28日,亚洲电力电子行业盛典——PCIM Asia 2024在深圳国际会展中心如期召开,爱仕特在展会现场发布新一代超低电感LPD系列碳化硅功率模块。该模块采用创新封装和三相全桥设计,内置1200V碳化硅MOSFET和热敏电阻,杂散电感低至2.5nH,工作安全稳定。工作电源电压可达900V-1000V,工作频率可达30kHz,输出功率可达300kW。
【元件】基本半导体新推出Pcore™2汽车级DCM碳化硅MOSFET模块,工作结温高达175℃
汽车级DCM碳化硅MOSFET系列模块PcoreTM2是基本半导体专为新能源汽车主驱逆变器应用设计的一款高功率密度的碳化硅功率模块。产品具有低动态损耗、低导通电阻、高阻断电压、高电流密度、高可靠性等特点,可支持连续运行峰值结温至175℃,以及具备650Arms以上连续峰值相电流输出。
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