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【原创】蜂巢易创800V碳化硅电驱技术发展与布局

2月前浏览1039


   

李义兵

蜂巢传动电驱技术副总经理

各位专家,上午好!

我尽量简短给大家汇报下我们蜂巢在800V SiC方面的技术。

主要分四部分,首先介绍下发展的背景和消费痛点。

这个背景大家听了非常多,不管从销量还是从政策方面,我就简单说下。关于降碳这块大家感觉国家倡导的不是很多,我们在媒体上看到的不是很多,但国务院5月23日也发布了关于2024、2025年节能降碳的方案,说明国家对这块还是非常重视的。

再就是关于市场的需求,1-6月份新能源汽车乘用车达到35.2%,这只是统计了上半年,其实从8月份开始到9月份、10月份乘用车渗透率已经达到50%(52%、53%左右),这是非常迅猛的发展结果。

同时市场也预计新能源汽车渗透率整体将超过50%,既然新能源车越来越多走进消费者的生活中,那消费者对新能源车一些使用的痛点是什么这是一个统计,大家可以看到占比比较大的像续航能力不足、充电时间过长、充电不方便等,这是广大消费者非常关心的事情。



从统计来看新能源的续航和补能是痛点,我们怎么解决这个续航和补能,解决续航补能有很多方法,比如延长续航提升电池的技术,现在正在研发的固态电池等等,还有轻量化,对电驱来说要提升电驱的效率,我们采用了一些技术,我们做一些先进的热管理,由原来的风冷到水冷、油冷,到现在好多公司在提相变冷却,提升冷却热管理。

还有一个重要的点,我们电驱采用了碳化硅的技术,缓解车辆的补能需求也有许多技术,像我们基础设施的建设,增加补能设施、充电桩,尤其蔚来在推的换电业务非常快的补能。

再就是提升充电功率,功率提升后我的充电时间会缩短,功率也就是电压电流,一是提升电流二是提升电压,提升电流的弊端就是线的发热非常大,所以像特斯拉、华为提出液冷的超充。

     
     

另一个方式就是提升整个系统的充电电压800V。大家可以看800V和碳化硅在这个地方有一个结合形成了一个非常好的结合点,800V碳化硅它有哪些优势?

充电速度快,另一个就是电机的转速,自从小米的电机出来以后大家开始卷转速,怎么样能够提升电机转速?电压是一方面,再一个就是控制器的开关频率,对于碳化硅来说相对于硅基的IGBT它的开关频率显然能够提高很多,所以说我们更容易实现电机的转速提升到2万转以上,比硅的IGBT简单一些。

再就是功率密度,对于采用800V碳化硅技术,由于电压的升高,同时要保证电流的情况下,我的功率会变大,所以说在相同的体积的情况下,我的功率密度会有大幅提升。再有就是效率,CLTC的效率用800V及以上的平台加碳化硅,现在整个市场如果你的CLTC效率达不到92%都说不出口。

同时还有一个续航旅程,我下面会详细的说一下。由于碳化硅的加入,对于我们消费者也就是OEM会有更多的选择来搭配到我们车上进行驱动。

     
     


下面介绍一下碳化硅的应用价值,为这一页就比较基础介绍了碳化硅相对于硅有哪些优点,就不详细说了。然后碳化硅它用在哪些方面,在我们新能源车辆里主要用在逆变器,主要是把电池的直流电变逆变为交流电,逆变器主要用的碳化硅模块像全桥模块、半桥模块,还有一些短的形式。再一个就是用在电压转换器上,另外一个是车载充电机上,大概用的是分离器械。

这张罗列了碳化硅能够给消费者带来的四大优点:1、提升动力;2、系统效率提升;3、补能,充电时间非常快;4、成本。

大家对成本这块非常在意,尤其现在卷的非常严重的情况下,对碳化硅来说它的成本怎么降低,我们要站在系统层面而不是单独站在电驱和电池层面,我们站在系统层面,电池成本的节省和碳化硅成本的增加会做一个平衡。我们测算了下大约550公里的续航车辆基本达到成本的平衡,如果车辆续航能够超越550公里,它的相应成本整车的成本会有所降低。

由于碳化硅耐高温、高压的特性,输出功率提升了41%,也就满足了消费者对车辆性能的需求。这块是效率的提升,下面这张图展示了关于碳化硅和硅损耗的差别,大家可以看硅基会有一个拖尾非常大,损耗是电压和电流的乘积,大家看电压电流的面积可以直观看出来大约降低88%的损耗。

通过一些测试,后面也列了关于800V IGBT以及800V碳化硅相关的续航里程,也能看到我们采用碳化硅的车辆他的续航里程大约提升5%-10%,提升还是非常可观的。

它提升的根本原因就是采用碳化硅控制器效率面积变大,下面这个图是CLTC或者WLTC它的工况点,这个工况点集中于坐标的右侧,上面那个图碳化硅其他的面积变大,所以面积的偏向也是偏向于右边,我们大多数工况点会落到高效区里。

这个表格展示了碳化硅相比于硅的提升,低速低流的情况下提升10%,这块对CLTC效率提升非常大,大家可以看下如果400V硅基的IGBT它的CLTC一般是90%以下,但用了碳化硅后,800V碳化硅的效率能达到92%以上,这个提升还是非常明显的。这是成本的盈亏点,刚才也说了550公里的盈亏点。

这是时间,在400公里续航的情况下50千瓦的充电功率,200千瓦的充电功率和350千瓦的充电功率,它的充电时间是不一样的,功率越大充电时间越短,800V可以有效的提升充电功率。

下面说下关于蜂巢在碳化硅技术的布局。

这是蜂巢电驱它的一个产品的型谱,碳化硅所应用的范围是我们的L平台,在这里面我们是800伏和400伏一个兼容,硅和碳化硅的一个兼容。目前碳化硅模块应用在高端车型性价比的车型考虑的因素大多采用IGBT。

随着800V平台的推广和碳化硅技术的成熟,促使模块成本降低,碳化硅这个模块会逐渐下沉到终端甚至入门的车型慢慢下沉到稍微低端的车型里。这是我们碳化硅控制器的特点,最高效率能达到99.7%,也支持信息安全和多功能的集成。EMC等级可满足Class5,我们采用的是ASPICE、ISO26262的V流程开发。

关于产业方面,基于蜂巢创立的无锡芯动半导体业务,这个业务起创于2021年的10月这个项目组成立,一直到现在2024年的8月份碳化硅的模块实现量产,这也会逐渐应用到整个车上。

联合芯动这个产品路线以车规级业务为起点,从提高功率密度、降低单位功率成本两个角度,逐步迭代升级。同步开发IGBT和SiC;由灌封转向塑封;由单面散热转向双面散热。Si&SiC混合模块,保证性能的同时,有效降低成本。

     
     

下面说下蜂巢关于碳化硅技术的思考和展望。

列了下碳化硅我们所面临的挑战,碳化硅的优势非常多这不再多说,挑战也非常多。首先是电磁干扰方面,再就是高压绝缘,因为它开关频率变高后高压绝缘面临的挑战非常大,还有轴承和电腐蚀还有模块杂散电感方面的设计。

最重要的是系统的可靠性,碳化硅这块的应用比较短,相关的失效模式还没有摸的太透,这需要继续做相关的测试去摸可靠性,通过硬件、软件改善提高整个系统的可靠性。再就是大家非常关心的成本我们怎么把成本继续的往下优化。

在碳化硅材料成本方面,随着产业链进一步衬底,外延及晶圆成本逐渐降低,我们认为碳化硅至少存在50%的下降空间,到2030年碳氧硅的价格将降低至IGBT的1.8倍,这是我们的一个预计。

碳化硅成本下降的关键就是晶圆尺寸的提升,由6寸上升到8寸,现在大多数晶圆厂都能生产8寸,但8寸还是比较少,会慢慢随着晶圆的发展推开。

再就是良率,相对于硅来说碳化硅属于一个化合物,这个化合物的良率显然比硅低一些,这个良率的提升有利于降低碳化硅的成本,同时还有数据的提升,现在有两大主流:平边型、沟槽型。沟槽型的芯片面积更小,晶圆下产出的芯片越多,这也会有效降低成本。良率因为我不是碳化硅的专家,大家看下就好。

     

我们有以下的思考:

1,灌封与塑封相辅相成

灌封产品在市场中应用广泛,虽然封装方面性能优化空间有限,但芯片技术迭代拓展了灌封产品在车规方面的应用,基于工艺的成熟度和设计的兼容性,灌封产品在未来5年将持续保持生命力

2,IGBT与SiC长期共存

SiC MOS在性能方面优于Si IGBT,有人认为SiC将完全替代Si。但是我们认为基于需求端不同车型的不同应用,Si IGBT仍然拥有使用价值,即便SiC Mos成本得以优化,Si IGBT与SiC MOS将长期共存。

3,成本是永恒的话题

无论是IGBT还是SiC,无论何种封装模式。将产品从实验室搬到生产线的前提条件就是技术方案的商业可行性。成本是在满足需求的前提下最核心的目标。所有技术的迭代最终都是为了实现成本的优化,最近爆火的Si+SiC混联模块也是追求成本和性能平衡的产物。国家大力发展新能源像光伏、汽车、储能等等,这些都需要碳化硅。

中国作为最大的新能源汽车制造国和消费国,快速增长的新能源汽车带动功率半导体产业蓬勃发展。SiC是未来电动化的方向,更是中国第三代功率半导体实现换道超车的关键。

长城汽车&蜂巢易创&芯动半导体 将加快SiC产业规划布局,通过整合上下游产业链、设备厂商资源,构建完整的产业生态,打造供应与成本护城河。 

我们愿以开放的心态携手产业上下游合作伙伴共同努力,为国家的节能减排战略做出应有的贡献。

谢谢大家!

     

蔡蔚(主持):谢谢义兵。

我简单说几句,今天上午叫新格局、新突破,我们看有哪些格局哪些突破,首先我们从各个方面讲,我们领导人物一般认为电驱动这块中国遥遥领先,我们不需要继续研究,我们下一步研究底盘把电驱动这块给拿掉,我知道这是对的还是错的,但我个人认为这一定是错的。

因为任何一个汽车最后要表现汽车的一定要有动力性、舒适性、安全性,而这三性离了电驱动是不可能有的,100公里加速给电池就能百公里加速,你装的越多我估计越差,所以电池、电驱动是很重要的。

有的人说电机我们不落后,电机不落后为什么别人的功率密度已经做到了15点几,我们13点几还没装车,天天喊着遥遥领先,所以我们还有很多的地方需要努力,这是电驱动方面我们需要努力的,尤其刚才义兵最后讲的碳化硅的应用,大家可能不是特别清楚,碳化硅用到汽车行业里,最早被列入这里面就是我做的,三个课题指南都是我写的。

三个承担单位分别是中车、上海电驱动和中科院电工所,我2013年就把它写到了国家重点发展规划里,而真正最早应用的国内是比亚迪,国外是特斯拉,但现在为止已经普遍了,没有不用的。

同样道理电机最早大家在用的时候一直是在感应电机和永磁电机当中跳跃,可以告诉大家,根据我的研究到今天为止永磁电机仍然是最好的,在汽车上应用没有其他电机可比,因为我们汽车的电机大部分和碳化硅的使用是在低速轻载的时候用的最多,我们所有的工况都是低速轻载为主,而低速轻载碳化硅和永磁电机表现了其独特的优势和强势,没有任何一个别的电机和别功率器件到今天为止比它更好。

当然还有氮化镓等等,我认为这些都属于宽禁带功率半导体,而氮化镓现在的耐压遇到了一些挑战,而我们充电的时候需要高压,所以氮化镓未来的使用,我个人认为在电驱动方面的使用,氮化镓很可能会出现多电瓶的方案推动向前发展。永磁材料就变成一个很重要的。

我们已经在挑战永磁材料的极限,但到今天为止还没有第二个材料比永磁材料更好的,用材料是1983年发明的,稀土永磁到今天为止,任何人说他1980年做的稀土永磁都是骗子,千万别听,毕竟83年永磁材料才有的。

稀土永磁材料据我在各个专家的系统当中,而且我被专门弄到包头稀土做了一个星期的讨论,得的结论是再过1000年包头稀土仍然有,那么再过500年我们有的是,所以我们不用担心这件事,但是我们必须要注意我们整个行业要呼吁我们的国家以市场化的方式来调整,不要领导涨价,这件事情是很重要的。

为什么出现了各种各样的电机都认为必须走这条路,原因就是因为我们的价格波动,2011年是其中的一个,2022年又是其中的一个,每过十年波动一次,大部分是人为的,所以我们要解决这样的问题,我们整个行业要团结一心把这件事做好,从而使我们稀土永磁电机得到一个良性的发展,很好的发展。也应该研究无稀土、无永磁的,所有的电机都应该研究,但到今天为止用在我们车上和船上、飞机上的不完全一样,我们用在车上的生产稀土永磁电机是最好的,到现在为止还没有发现第二个比它更好的。

所以我们需要继续努力在各个方面进行研发和开发,我们未来发展的方向一定是低碳的,低碳就牵扯到燃料的问题,所以未来究竟是氢燃料还是甲醇燃料、乙醇燃料等等各种各样的燃料,我个人认为这都是必备的。

我们可以清晰的看到,燃料电池汽车去年打到高峰5000千多辆(全中国)那能叫产业化吗?所以我们还有地方需要努力,丰田两万台,我们能把这叫产业化吗?都不是产业化,所以我们需要努力,在大家共同的努力下,让这样一个不可能的事情发生。

比如我们研究电驱动的时候,也应当适当拓宽到氢燃料的增程,或者其他零碳燃料、低碳燃料的增程中,但我绝不认为零碳是对的,全世界如果没有二氧化碳的话,植物都死掉了还怎么存活,还是需要有的,这些都是需要大家一起解决的问题。

最后谈一下高安全性、高效率、高功率密度、高可靠性,这四个仍然是我们的主要。舒适性也很重要,尤其是电机和电驱动最近大家已经开始研究全功率区域内低于75分贝的材料,有的人说他做到了65我不是特别信,但往那个方向发展是对的,没有什么问题。另外我们一定要用数据告诉别人我们领先了多少,说了多少。

稀土永磁的储存量和稀土永磁的市占量大家已经看了70以上我们遥遥领先,但稀土当中的晶格别人是从0-1我们是从1到无穷大的,我们是沿着这个方向走的,但我们有些东西是比较领先的,比如李卫院士团队搞的澜铈稀土,我也做过很多研究,澜铈稀土暂时放到车上会影响我们的功率密度,像大家经常说的,我们用磁阻电机代替永磁电机在车上不可能。

这一系列东西希望通过我们今天的会议和接下来两天的会议得到更广泛的讨论,今天上午大部分都是新势力,小鹏、蔚来等等,非常感谢陈院士,可以说没有任何一个院士像陈院士一样对我们这个行业兢兢业业,他不介意你是高层次还是低层次的,只要我有时间就尽一切努力为这个行业做出贡献。

我也建议为上午所有的演讲嘉宾和听众鼓掌,为电驱动变成真正强国当中一个最主要的贡献做出我们的贡献,上午就到这里。         

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首次发布时间:2025-02-12
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