求一種電動(dòng)車的800v高壓快充架構(gòu)技術(shù)方案

一、高壓快充已成為充電難題的重要解決方案

1、充電焦慮亟待解決

縮短充電時(shí)間是目前提升電動(dòng)車使用體驗(yàn)的關(guān)鍵。當(dāng)補(bǔ)貼力度越來越弱，推力漸小，加速電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的解決方案要回歸到本質(zhì)上：主動(dòng)地解決消費(fèi)者關(guān)心的實(shí)際應(yīng)用問題，目前來看消費(fèi)者最為關(guān)心的問題就是續(xù)航和充電。如今車企推出的新車電池容量可做到100kWh，續(xù)航多在500km上下，甚至高達(dá)700km，續(xù)航不再是最大的負(fù)累。根據(jù)《Enabling Fast Charging:A?Technology Gap Assessment》做的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：在 525 英里（1 英里=1.6 公里）的旅程中，普通燃油車只需要加油一次，總耗時(shí)8小時(shí)23分鐘；續(xù)航200英里50KW的直充電動(dòng)車需要充電四次，每次充電耗時(shí)40分鐘，旅途累計(jì)耗時(shí)10小時(shí)48分鐘；續(xù)航300英里120KW的直充電動(dòng)車需要充電1次，每次充電耗時(shí)68分鐘，旅途累計(jì)耗時(shí)9小時(shí)16分鐘；而續(xù)航300英里400KW的直充電動(dòng)車單次充電僅需23分鐘，旅途總計(jì)耗時(shí)8小時(shí)31分鐘，整體耗時(shí)不輸燃油車。加強(qiáng)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升充電體驗(yàn)是大勢(shì)所趨。

政策方面，《2020年政府工作報(bào)告》中將充電基礎(chǔ)設(shè)施納入“新基建”，成為七大產(chǎn)業(yè)之一；《2020年能源工作指導(dǎo)意見》中指出要加強(qiáng)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升新能源汽車的充電保障能力；《交通運(yùn)輸部關(guān)于推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)建設(shè)的指導(dǎo)意見》中明確要在高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)超級(jí)快充、 大功率充電汽車充電設(shè)施。

2、ChaoJi快充標(biāo)準(zhǔn)即將落地

國(guó)內(nèi)ChaoJi充電標(biāo)準(zhǔn) 2021 年發(fā)布，超級(jí)充電基礎(chǔ)設(shè)施加速布局。ChaoJi充電源自中國(guó)大功率充電研究，并與德國(guó)、日本交流推進(jìn)，可支持350kW-900KW大功率充電，充電電壓1000-1500V，充電電流500-600A，10分鐘增加續(xù)航300公里以上。新一代的ChaoJi充電技術(shù)路線發(fā)端于電動(dòng)汽車大功率充電需求，但并不簡(jiǎn)單指大功率充電接口，而是一套完整的電動(dòng)汽車直流充電系統(tǒng)解決方案。立項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2021年底完成，并開啟試點(diǎn)示范，預(yù)計(jì)2025年普遍安裝。ChaoJi充電標(biāo)準(zhǔn)兼容性強(qiáng)，有望統(tǒng)一多國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。ChaoJi技術(shù)解決了國(guó)際上現(xiàn)有充電系統(tǒng)存在的一系列缺陷和問題，為世界提供一個(gè)統(tǒng)一的、安全的、可靠的、低成本充電系統(tǒng)解決方案。

3、高壓方案已獲車企認(rèn)可

車企紛紛布局高壓快充方案。想要實(shí)現(xiàn)大功率充電，要么提升電壓，要么提升電流，根據(jù)發(fā)熱量公式 Q=I2Rt，電流的提升會(huì)導(dǎo)致電氣系統(tǒng)發(fā)熱加劇，對(duì)散熱的要求很高。目前，高壓快充成為行業(yè)的多數(shù)選擇，2019年保時(shí)捷的Taycan全球首次推出800V高電壓電氣架構(gòu)，搭載800V直流快充系統(tǒng)并支持350kw大功率快充。而進(jìn)入2021年后高壓快充路線受到越來越多主機(jī)廠的青睞，先是現(xiàn)代、起亞等國(guó)際巨頭發(fā)布800伏平臺(tái)，之后比亞迪、長(zhǎng)城、廣汽、小鵬等國(guó)內(nèi)主機(jī)廠也相繼推出或計(jì)劃推出800V平臺(tái)，高壓快充體驗(yàn)將會(huì)成為電動(dòng)車市場(chǎng)差異化體驗(yàn)的重要標(biāo)準(zhǔn)。從樁端看，高壓零部件的成熟度較高。充電槍、線、直流接觸器和熔絲等需重新選型，目前均有成熟產(chǎn)品，其余部件均無需改變。

從車端看，高壓主要部件均需重新選型。高壓電池、BMS、電驅(qū)、OBC、DC/DC、PTC、空調(diào)、高壓連接器等均需重新選型。

二、全系高壓快充有望成為主流架構(gòu)

目前預(yù)計(jì)能實(shí)現(xiàn)大功率快充的高壓系統(tǒng)架構(gòu)共有三類，全系高壓有望成為主流：（1）全系高壓，即800V動(dòng)力電池+800V電機(jī)、電控+800V OBC、DC/DC、PDU+800V空調(diào)、PTC。優(yōu)勢(shì)：能量轉(zhuǎn)化率高，例如電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率為90%，DC/DC 的能量轉(zhuǎn)化率為92%，如果全系高壓則不需要通過DC/DC來降壓，體系能量轉(zhuǎn)化率為90%，如果通過DC/DC降壓，則體系能量轉(zhuǎn)化率為90%×92%=82.8%。劣勢(shì)：該架構(gòu)不僅對(duì)電池系統(tǒng)要求很高，電控、OBC、DC/DC 中功率器件需要由Si基IGBT替換成SiC?MOSFET， 電機(jī)、壓縮機(jī)、PTC等均需要提升耐壓性能，短期車端成本提升較高，但長(zhǎng)期來看，產(chǎn)業(yè)鏈成熟以及規(guī)模效應(yīng)具備之后，部分零部件體積減小，能效提升，整車成本會(huì)下降。

（2）部分高壓，即 800V 電池+400V 電機(jī)、電控+400V OBC、DC/DC、PDU +400V 空調(diào)、PTC。優(yōu)勢(shì)：基本沿用現(xiàn)有架構(gòu)，僅升級(jí)動(dòng)力電池，車端改造費(fèi)用較小，短期有較大實(shí)用性。劣勢(shì)：多處使用DC/DC降壓，能量損失較大。

（3）全部低壓架構(gòu)，即400V電池（充電串聯(lián) 800V，放電并聯(lián)400V）+400V電機(jī)、電控+400V OBC、DC/DC、 PDU +400V空調(diào)、PTC。優(yōu)勢(shì)：車端改造小，電池僅需改造BMS即可。劣勢(shì)：串聯(lián)增多，電池成本增加，沿用原有動(dòng)力電池，對(duì)充電效率的提升有限。

三、系統(tǒng)性技術(shù)升級(jí)帶來多處價(jià)值增量

1、動(dòng)力電池：電芯、負(fù)極和 BMS 技術(shù)升級(jí)電芯一致性要求提升。800V平臺(tái)電池串聯(lián)數(shù)量較多，如果電池之間有差異性，電池使用壽命受到影響，對(duì)電芯生產(chǎn)工藝要求提高，一致性要求提升。負(fù)極改性或使用硅碳負(fù)極。動(dòng)力電池快充性能的掣肘在于負(fù)極，可以通過石墨改性解決，即表面包覆、混合無定型碳，無定型碳內(nèi)部為高度無序的碳層結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)Li+的快速嵌入；另一辦法是使用硅負(fù)極，理論容量高（4200mAh/g，遠(yuǎn)大于碳材料的372mAh/g），嵌鋰電位高——析鋰風(fēng)險(xiǎn)小——可以承受更大的充電電流。BMS 串聯(lián)比例增加。

800V 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電池組需要兩倍數(shù)量的串聯(lián)電池，因此需要兩倍數(shù)量的電池管理系統(tǒng)電壓檢測(cè)通道。

2、電控、OBC、DC/DC：功率器件升級(jí)，SiC需求增加SiC MOSFET將加速替代Si IGBT。400V系統(tǒng)中，基本用650V、750V或 900V的功率模塊以滿足電控需求，800V系統(tǒng)中電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)提升至1000V或1200V，IGBT模塊承受的最大電壓在650V左右，采用SiC材料耐壓能力高，能降低損耗。而采用SiC結(jié)構(gòu)，從硬件到軟件都顛覆此前的系統(tǒng)，算法、硬件排布、包括電機(jī)方面ECM、高壓絕緣系統(tǒng)也要升級(jí)。全球碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈參與者眾多，老牌硅基功率企業(yè)與新興玩家同臺(tái)競(jìng)技。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)與硅基產(chǎn)業(yè)鏈類似，主要包括襯底（對(duì)應(yīng)硅片）、外延、工藝制造、設(shè)計(jì)、模組封裝、系統(tǒng)應(yīng)用等。

老牌玩家有英飛凌、Onsemi、Rohm、ST等，新興專攻碳化硅領(lǐng)域的企業(yè)有Cree、SICC、BASIC、中科漢韻等，以及主車廠/Tier 1 企業(yè)比亞迪、博世等。目前碳化硅基功率器件市占率約5%，行業(yè)仍處于發(fā)展的早期，相關(guān)技術(shù)選型、工藝路線、客戶綁定以及電動(dòng)車格局等遠(yuǎn)未定型，給國(guó)內(nèi)企業(yè)留下了足夠的空間和時(shí)間。

目前，市場(chǎng)上導(dǎo)電型碳化硅襯底市場(chǎng)Cree一家獨(dú)大。碳化硅外延片市場(chǎng)由Cree和Showa Denko雙寡頭壟斷。碳化硅功率器件市場(chǎng)由海外巨頭主導(dǎo)。國(guó)內(nèi)碳化硅各環(huán)節(jié)全產(chǎn)業(yè)鏈布局，有望快速成長(zhǎng)。襯底環(huán)節(jié)廠商包括天科合達(dá)、SICC、同光晶體、東尼電子等，外延廠商包括瀚天天成、東莞天域等，設(shè)計(jì)廠商包括上海瞻芯、上海瀚薪等，IDM 廠商包括泰科天潤(rùn)、中科漢韻、三安集成、華潤(rùn)微等。國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈在各個(gè)環(huán)節(jié)均有布局，而碳化硅仍在快速增長(zhǎng)階段，格局尚未固化，國(guó)內(nèi)企業(yè)有望依托龐大內(nèi)需市場(chǎng)調(diào)整海外巨頭壟斷地位。

3、高壓連接器：用量和性能都將提升目前主流的充電樁是400V，且車端驅(qū)動(dòng)部件以400V標(biāo)準(zhǔn)為主，為了滿足800V架構(gòu)，需要增加大量400到800V的DC/DC，從而增加連接器用量，新能源汽車單車使用連接器數(shù)量提升至800到1000個(gè)（傳統(tǒng)汽車單車連接器數(shù)量約為500個(gè)）。而800V連接器設(shè)計(jì)要點(diǎn)較多，要滿足熱管理、EMC、車機(jī)震動(dòng)和腐蝕等問題，尤其是800V交流電頻率很快，導(dǎo)致EMC問題，給其他敏感零部件帶來干擾，長(zhǎng)期來看連接器品質(zhì)升級(jí)是必然。從單車價(jià)值量的角度來說，在不含線束的情況下，一般高壓連接器單車價(jià)值量為2000元左右，新增高壓連接器在乘用車可以達(dá)到單車800-1500元，商用車可達(dá)1500元以上。

4、高壓直流繼電器：高壓化、高性能拉升附加值800V下產(chǎn)品性能要求提高，附加值提升。繼電器在新能源汽車中對(duì)電池充放電線路進(jìn)行切換及保護(hù)，防止設(shè)備故障、短路、起火等，節(jié)省維護(hù)成本，對(duì)空調(diào)、轉(zhuǎn)向、剎車、氣泵、電機(jī)等進(jìn)行通斷控制，為新能源汽車核心元件。800V平臺(tái)電壓電流更高、電弧更嚴(yán)重，對(duì)高壓直流繼電器耐壓等級(jí)、載流能力、滅弧、使用壽命等性能要求提高，產(chǎn)品需要在觸點(diǎn)材料、滅弧技術(shù)等多方面改進(jìn)，高壓直流繼電器高性能帶來高附加值，乘用車單車價(jià)值量約為800-1400元， 預(yù)計(jì)800V電壓平臺(tái)單車價(jià)值量將提升40%。

5、熔斷器：激勵(lì)熔斷器滲透率提高，單車價(jià)值量提升熔斷器是新能源汽車必不可少的安全裝置。隨著電路保護(hù)要求提高，新型熔斷器逐漸得到應(yīng)用。傳統(tǒng)電力熔斷器無法根據(jù)保護(hù)要求調(diào)整，而新型的激勵(lì)熔斷器可以通過接收控制信號(hào)，激發(fā)保護(hù)動(dòng)作。與傳統(tǒng)熔斷器相比，激勵(lì)熔斷器可根據(jù)車輛的工況需要，主動(dòng)切斷高壓回路，使系統(tǒng)供電迅速斷開，使高壓端隔離，保護(hù)系統(tǒng)以及人身安全。全球熔斷器市場(chǎng)主要集中在國(guó)外企業(yè)。2019 年CR3占比 64%。2019 年，全球前三的熔斷器企業(yè)分別為L(zhǎng)ittlefuse、 Bussmann、Mersen，占比分別為31%、24%、9%，CR3 達(dá)到64%，格局較為集中。

在新能源汽車領(lǐng)域，熔斷器集中度較高，中熔電氣為國(guó)內(nèi)第一。根據(jù)中國(guó)電動(dòng)車百人會(huì)，2019年主流整車企業(yè)中， 中熔、Bussmann、Mersen占比分別為 55%、30%、10%，CR3占比達(dá)到 95%。熔斷器企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是定制化研發(fā)能力，熔斷器需要根據(jù)下游定制化開發(fā)，新車型需要反復(fù)提出要求并修改，企業(yè)聯(lián)合上下游靈活定制化研發(fā)的能力是壁壘之一；二是自動(dòng)化生產(chǎn)效率，傳統(tǒng)行業(yè)熔斷器由于產(chǎn)品品類多、下游分散，不同型號(hào)產(chǎn)品較難自動(dòng)化，而新能源汽車熔斷器由于數(shù)量多、且為圓管，較易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，高度自動(dòng)化產(chǎn)線在提升規(guī)模效應(yīng)、降低不良率、控制成本方面具有重要作用。

6、薄膜電容：耐壓及安全性升級(jí)，單車價(jià)值提升在新能源汽車運(yùn)用中，電容器是能源控制、電源管理、電源逆變以及直流交流變換等系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，電容器的壽命也決定了逆變器/變流器壽命。目前新能源車中主要用到三種薄膜電容——DC濾波、DC-Link、IGBT吸收。這三種電容中，DC-Link 電容（直流支撐電容）最為重要，在逆變器中直流電作為輸入電源，需通過直流母線與逆變器連接，逆變器在從DC-Link得到有效值和峰值很高的脈沖電流的同時(shí)，會(huì)在DC-Link上產(chǎn)生很高的脈沖電壓使得逆變器難以承受，所以需要選擇DC-Link電容器來連接，一方面吸收逆變器從DC-Link端的高脈沖電流；另一方面也防止逆變器受到 DC-Link 端的電壓過沖和瞬時(shí)過電壓的影響。

薄膜電容器可部分替代電解電容器。隨著電力電子技術(shù)向各領(lǐng)域拓展，薄膜電容器的應(yīng)用越來越多，目前，660V交流電壓等級(jí)變頻器或功率單元需要耐壓1200V的薄膜電容器，可以做到0.4元人民幣/μF，在價(jià)格相等條件下，薄膜電容器等效電容量可以達(dá)到電解電容器等效電容量的一半。由于薄膜電容器的半永久壽命，使得這一領(lǐng)域中替代電解電容器具有極大的商業(yè)價(jià)值和技術(shù)價(jià)值。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)提升空間較大，國(guó)產(chǎn)薄膜質(zhì)量和性能與國(guó)外著名品牌薄膜有比較大的差距，因此，國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)薄膜電容器不得不依賴國(guó)外品牌薄膜支撐，這是我國(guó)薄膜電容器制造領(lǐng)域的短板，只有薄膜制造技術(shù)及產(chǎn)品的提升，整個(gè)薄膜電容器制造業(yè)才能進(jìn)入良性發(fā)展。

7、系統(tǒng)性技術(shù)升級(jí)帶來多部件價(jià)值量提升電池：提升負(fù)極與 BMS 性能，短期內(nèi)高性能硅碳負(fù)極成本較高，隨著產(chǎn)業(yè)化規(guī)模效應(yīng)提升，成本有望下降到合理區(qū)間，短期單車價(jià)值量提升約3500 元；BMS由于串聯(lián)的增多，價(jià)值量提升約40%，對(duì)應(yīng)價(jià)值量1680元；電控及小三電：原有Si基功率模塊需要替換成SiC功率模塊，由此帶來模塊價(jià)值量提升約20%，對(duì)應(yīng)價(jià)值量300元；以SiC器件功率器件為核心的電控及小三電價(jià)值量提升約15%，對(duì)應(yīng)價(jià)值量1125 元；高壓連接器：高壓對(duì)連接器的要求更高，高壓連接器單車價(jià)值量提升約800元。元器件：高壓直流繼電器單車價(jià)值量提升約40%，對(duì)應(yīng)價(jià)值量300-560元；熔斷器單車價(jià)值量提升約20%，對(duì)應(yīng)價(jià)值量50-60元；薄膜電容單車價(jià)值量提升約20%，對(duì)應(yīng)價(jià)值量80元。

四、車企紛紛布局，產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)明確

1、華為：打造行業(yè)內(nèi)首個(gè)全棧高壓平臺(tái)解決方案2021年4月18日，華為給出了一套比較明確的技術(shù)目標(biāo)：到2025年將推出電壓平臺(tái)超1000V、功率600kW的快充方案，5分鐘即可實(shí)現(xiàn)30%-80%SOC充電性能。華為推出AI閃充動(dòng)力域高壓平臺(tái)解決方案。其產(chǎn)品包括高壓車載充電系統(tǒng)、高壓異步電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓同步電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓電池管理系統(tǒng)、直流快充模塊、三電云和高壓熱管理系統(tǒng)。全棧產(chǎn)品可幫助整車企業(yè)實(shí)現(xiàn)高壓平臺(tái)產(chǎn)品快速搭載落地。另外，從整車成本層面考慮，采用800V高壓器件，初期成本可能會(huì)比原來400V電壓平臺(tái)略高。華為在發(fā)布會(huì)上稱，高壓架構(gòu)下整車成本的上升不足2%，后期，基于技術(shù)快速迭代，一旦產(chǎn)業(yè)鏈趨于成熟，就可以快速拉低整個(gè)產(chǎn)業(yè)的成本。

2、小鵬汽車：車端、樁端同時(shí)布局車端：小鵬汽車發(fā)布了800V高壓碳化硅平臺(tái)，這一平臺(tái)能夠承受超過600A的充電峰值電流，平臺(tái)采用高能量密度、高充電倍率電池，充電5分鐘最高可補(bǔ)充續(xù)航200公里。樁端：480kW高壓超充樁。這一高壓充電樁能夠充分發(fā)揮800V平臺(tái)的補(bǔ)能技術(shù)潛力。

此外，小鵬超充將在站端帶來自研儲(chǔ)能充電技術(shù)，采用儲(chǔ)能超充站及移動(dòng)儲(chǔ)能車兩種方式，通過削峰填谷，為用戶帶來高效補(bǔ)能體驗(yàn)的同時(shí)減輕電網(wǎng)壓力?？斐滠囆停篏9，預(yù)計(jì)2022年三季度交付。

3、廣汽集團(tuán)：車端、樁端同時(shí)布局車端：2021年廣汽科技日上，廣汽集團(tuán)展示了最新的超級(jí)快充技術(shù)，其中分為3C 和6C兩個(gè)版本，6C高倍率快充技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)0-80%SOC只需8分鐘，30-80%SOC只需5分鐘。電芯方面：海綿硅負(fù)極片電池和超級(jí)快充電池技術(shù)；即將量產(chǎn)的車型，電芯能量密度大于280wh/kg，電池續(xù)航超1000km，未來電芯能量密度還將超過315wh/kg。能效方面，220-480kW充電功率，充電8分鐘，續(xù)航200-400km。樁端：480kW充電樁，并大規(guī)模布局，預(yù)計(jì)到2025年，廣汽埃安將會(huì)在全國(guó)300個(gè)城市建設(shè)2000座超充站，滲透至地級(jí)市，實(shí)現(xiàn)全覆蓋?？斐滠囆停篈ION V Plus，2021 年 9月 29 日上市。

4、長(zhǎng)城汽車：已布局快充電池2021年12月8日，長(zhǎng)城汽車子公司蜂巢能源在第二屆電池日發(fā)布會(huì)上發(fā)布了800V超級(jí)快充電池系統(tǒng)，充電15分鐘續(xù)航100公里，最大充電功率可達(dá) 480KW，靈活的高壓架構(gòu)支持800V和400V靈活切換，高安全的BMS耐壓等級(jí)達(dá) 5000V，高效熱管理使得電池在4C快充下電池包溫升小于20℃。快充車型：機(jī)甲龍，預(yù)計(jì)2022年上市。

5、嵐圖汽車：全棧布局高壓快充系統(tǒng)2021年9月26日，嵐圖汽車發(fā)布了最新800V高壓超級(jí)快充技術(shù)，是一套動(dòng)力電池和用電設(shè)備均為800V高壓系統(tǒng)，無冗余升壓裝置的全新高壓系統(tǒng)架構(gòu)，包括超級(jí)快充系統(tǒng)、超低系統(tǒng)能耗、高性能電池、SiC電驅(qū)總成，并支持無線充電。該技術(shù)具備極致快速充電的能力，其中整車高性能電池搭載 4C 電芯，在360KW超級(jí)充電樁的加持下，充電速率可提升125%，實(shí)現(xiàn)充電10分鐘，續(xù)航400公里?？斐滠囆停河型?023年量產(chǎn)。

6、比亞迪：基于 e 平臺(tái) 3.0 打造快充技術(shù)e平臺(tái)3.0的關(guān)鍵模塊，體積更小、重量更輕、性能更強(qiáng)、能耗更低。標(biāo)配全新熱泵技術(shù)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)為8合1模塊，綜合效率可超89%。搭載e平臺(tái)3.0的電動(dòng)車，零百加速可快至2.9s，綜合續(xù)航里程最大突破1000km。800V閃充技術(shù)，電動(dòng)車充電5分鐘，行駛150km，百公里電耗比同級(jí)別車型降低10%，冬季續(xù)航里程至少提升10%。

審核編輯：劉清