长假外出充电问题何时解？电动车走进800V快充时代，SiC上车或成突破口

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）国庆小长假，与往年一样的是高速路上继续上演“堵车大集合”，不一样的是新能源汽车成为“堵车大集合”的新亮点——“充电1小时，排队4小时”，来自网友的调侃被送上网络热搜，电动车的“充电焦虑”“续航焦虑”再次成为关注的重点和挥之不去的“忧愁”。
 
高速电动车充电困难的原因，除了汽车保有量提升而充电桩数量不足的矛盾，最为显著的就是充电慢。如果能提高充电速度，或许能进一步缓解充电压力，为了解决这个问题，不少厂商瞄准了充电技术。9月，小鹏汽车发布了基于800V高压SiC平台量产的首款车型——小鹏G9，定位“超快充全智能SUV”。800V高压SiC平台在新能源汽车领域一直备受关注，如今小鹏G9成为国产汽车中率先落地的厂商，为其在造车新势力的竞赛中带来不少竞争优势。
 
由于800V高压快充技术缓解了续航短、充电慢等电动汽车的痛点，成为越来越多车企在布局电动化过程中的选择。不过，国内宣布布局800V碳化硅高压平台的汽车厂商并不多，天风证券电子团队研究员李泓依认为，第三代半导体没有全面铺开的原因主要就在于其生长周期长，制造成本非常高。
 
但国内研究机构对碳化硅市场的发展普遍持乐观态度。数据显示，2021 年国内 SiC 器件和SiC模块的市场规模分别为 10 亿元和24 亿元，预计到2025 年有望达到 62 亿 元和78 亿元， SiC器件将以 58%的年复合增速增长。而新能源汽车在全球范围内的普及将是碳化硅产业落地的重要机遇。
 
碳化硅市场迎来拐点，国内产业链企业加速布局
 
碳化硅产业链主要分为三个环节：上游衬底，中游外延片和下游器件制造。其中，衬底是碳化硅成本高昂的主要环节。未来碳化硅成本下降主要依托于以下三大方面，一是产能扩张带来的规模效应，二是智能化制造方式提升生产效率，三是不断优化衬底生产技术。天风证券电子团队研究员李泓依认为，在以上三大因素的作用下，碳化硅的成本有望每年实现20%——30% 的价格下滑，预计到2026年会逐渐体现出综合价格优势。
 
由此推断出碳化硅的五大发展阶段。第一阶段是在2019 年以前，这是一个尚未成熟的阶段，仅有少量的厂商开启碳化硅研发。2019到2021 年进入平稳增长阶段。从2022年开始，碳化硅增长迎来拐点，包括汽车电动化、充电基础设施的扩建进度、5G技术加速部署、以特斯拉为代表的车企开始采用碳化硅上车的方案等。从2024年到2026 年，随着碳化硅的价格下降，体现出综合成本优势，会进入加速成长阶段。到2026年以后，成本优势带动个碳化硅产业全面铺开。
 
在现阶段，碳化硅市场的竞争格局显现出龙头效应。在衬底端，美国科锐公司（Wolfspeed）占据了60%以上的市场份额，加上日本、欧洲等国际企业，合计约占据80%的市场份额。当然，国内厂商也在加快碳化硅衬底的产能扩充，借此搭上产业快车。此前，天岳先进在科创板IPO，拟募资20亿元，将用于碳化硅半导体材料项目。山东天岳的衬底产品主要是4英寸，6英寸预计到2023年量产，但在全球碳化硅衬底市场中，山东天岳现在已经是仅次于科锐公司、美国二六（II-VI）的全球第三大厂商。另外东莞天域等外延片厂商、泰科天润等器件厂商也在相应板块加速布局。
 

 
得益于碳化硅的性能优势，光伏、新能源汽车等都是主要的细分应用市场。小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈宏曾指出，相比硅基半导体，碳化硅基的可以降低整5倍以上的能力损耗，提高电机逆变器4%的效率，增加约7%的整车续航里程。在新能源汽车的应用中，碳化硅是可以非常显著地带来能源节约。
 
目前，大多数新能源汽车高压电气系统电压范围一般为230V至450V，统称为400V系统。在快充技术的发展下，高压电气系统提升至550V至930V之间，这个区间统称为800V。从2021年开始，碳化硅相关供应链厂商就开始与汽车厂商达成合作，共同推进800V碳化硅高电压平台的落地。
 
例如在2020年，吉利发布了支持800V的SEA浩瀚架构。吉利旗下威睿电动汽车技术（宁波）有限公司和芯聚能在2021年成立了芯粤能半导体，未来将采用SiC器件整车电压平台提升至800V。例如，吉利在2021年5月份通过旗下威睿电动汽车与碳化硅企业芯聚能半导体等，合资成立了广东芯粤能半导体有限公司，未来采用碳化硅器件整车电压平台提升至800V。2021年6月，英飞凌推出电动车逆变器SiC模组，未来将应用于现代汽车下一代800V电动车型中。
 
数据显示，2021年特斯拉全年的交付量达93.62万辆，其中，特斯拉Model S / X 交付量达 24964 辆，Model 3 / Y 交付量达 911208 辆。这四个版本均采用了碳化硅。业内人士预计，特斯拉在今年的销量会出现翻倍。除此之外，随着现代起亚EV6、小鹏G9等汽车相应的碳化硅上车规划，天风证券研究所预计今年会有200万台汽车会使用到碳化硅。
 
李泓依认为，随着整个碳化硅产业链下游，特别是新能源汽车的带动，我们可以看到这个短中期都会呈现出需求非常景气的状态。我们认为整个碳化硅的需求端会高速发展，特别是在新能源汽车领域，但是也有可能在短期内处在不足的情况。
 
低损耗、高续航，碳化硅助力800V高压平台优势尽显

为何800V会代替400V成为新的趋势？众所周知，当下新能源汽车有两大焦虑，一是电量焦虑，二是里程焦虑。从技术角度上考虑，为了提升整车的充电功率，就要从电压或者电流入手。如果提升充电电流，就需要更粗重的线束、更多的发热量，并且还会产生更高的热损失。在相同的功率下，如果提升电压，电流就可以降低，相对应电池损耗、线束损耗、充电桩损耗也就会下降，而且设计上更自由。这也是800V电压平台会被考虑的原因。
 

 
业内研究机构指出，800V高压平台相较400V系统具有四大优势。一是800V高压平台可以做到更高的充电功率，消除充电慢的焦虑。二是有更加低廉的快充系统成本。三是降低快充损耗，实现充电节能。四是车辆行驶缓解能耗低，这主要是得益于800V高压系统电池、电驱、以及高压部件电流较小，降低了相关损耗；另外，碳化硅技术的应用，让电驱等高压部件的能耗大幅降低。
 
在应用上，800V高压SiC平台比400V平台在充电时间上又快了多少呢？小鹏汽车表示，现在的量产电动车基本上在400V、250A的水平，充电功率在100kW左右，充电5分钟可增加50至60公里的续航。行业先进的水平大概在250kW左右，基本上能够实现5分钟120-150公里左右的水平。
 
用了800V高压SiC平台的小鹏G9又能达到什么水平？官方表示，小鹏G9在800V超快充方面分为4C和3C两个车型。其中，4C车型的峰值充电功率可达430kW左右，充电5分钟能够续航200公里，充电10%—80%仅需要15分钟。充电站作为重要的配套设施，截至9月30日，小鹏自营充电站上线1011座，其中自营超充站799座，自营超快充站7座。
 
值得关注的是，在现有采用800V高压平台的车型中也有没有采用碳化硅，而是选择IGBT的。例如，保时捷Taycan，还有2019年3月上市的奥迪e-tron的功率模块内置了IGBT芯片，主要由日立AMS为上述两家车企开发的800V系统逆变器，日立AMS改良了整体的绝缘设计，将400V提升至800V。
 
但是，相对硅基IGBT，碳化硅更加适用于800V高压平台。在物理性质方面，硅基IGBT只能在200℃以下的环境中工作，而碳化硅材料有禁带宽度大、热导率高等性质，其元器件体积更小、频率更高、开关损耗更小，具有耐高温、耐高压的性能优势。同时，碳化硅模块提高逆变器的效率也很明显，ST的数据显示，同样在400V电压平台下，碳化硅能提升 2%至4%的效率；在750V电压平台下，则有3.5%至8%的效率提升。李泓依表示，随着整个开关频率的提高，碳化硅模块跟硅基模块的损耗差距也会越来越大。
 
在体积方面，相较于硅基材料，碳化硅的散热能力是硅基的三倍。“所以整个碳化硅的使用就可以减少整体的系统体积，进一步去减少系统成本。”李泓依指出。
 
小结：
数据显示，截止今年9月底，国内新能源汽车保有量达到了678万辆，今年以来新增187万辆，接近2020年全年的1.7倍。就在10月1日，仅仅是山东省的高速服务区充电站充电电量就达到18.84万千瓦时，同比增长40.82%，创下历史新高。
 
未来，随着大众、奔驰、宝马等国外车企，以及小鹏汽车、吉利、埃安等国内车企对800V新能源汽车的加速布局，800V碳化硅产业链将迎来快速发展，相应的市场也将快速成长。但是在碳化硅产业全面铺开之前，国庆、春节等小长假的高速路上，电动车车主安心出行，还有不少挑战摆在面前。