電動汽車的終局是800V嗎?
作者|王凌方 來源|電動汽車觀察家(ID:evobserver)
800V的誕生,是因為要快充。
2019年,保時捷推出Taycan純電超跑,揭開了800V高電壓電氣架構時代的大幕。除了強勁的動力,Taycan的充電速度也讓人嘆為觀止——充電5分鐘就可以補充120km的續(xù)航。
2022年,小鵬推出了國內(nèi)首款搭載800V高壓SiC平臺的量產(chǎn)車型G9——充電5分鐘,續(xù)航200公里。
至此,高壓快充作為實現(xiàn)快充的方式之一,受到越來越多主機廠的青睞。
但是,目前市場上的主流車型都是400V電壓平臺產(chǎn)品。需要特別說明下,400V平臺和800V平臺都是統(tǒng)稱。目前主流新能源整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍一般為230V-450V,取中間值400V,籠統(tǒng)稱之為400V系統(tǒng);整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達到550-930V,取中間值800V,可籠統(tǒng)稱之為800V系統(tǒng)。
高壓快充這么香,但是不是所有乘用車都需要800V?是否還有向更高電壓平臺發(fā)展的潛力?
答案,并沒有那么想當然。
01
帶電量提升,推漲快充需求
電動汽車與燃油車相比,最大的短板在于補能時間長。
在車型長續(xù)航的趨勢下,乘用車的帶電量越來越高,充電時間則在不斷被拉長。純電車型的帶電量從2020年的48度電,逐年提升至2022年的50度電;插混車型也由2020年的18度電,提升至2022年的21度電。
資料來源:動力電池聯(lián)盟
《2022中國電動汽車用戶充電行為白皮書》數(shù)據(jù)顯示,大部分用戶對充電時間較為敏感。快充樁由于充電效率高,成為96%用戶的首選。用戶使用直流快充樁平均單次充電時長48.7分鐘,周充電頻次高達4.51次。同時,用戶更偏好使用大功率充電設施,選擇120kw及以上功率充電設施的用戶占比到達72%。
可以看到,隨著車輛帶電量的逐年提升,快速充電已經(jīng)成為消費者的重要訴求。
正是基于消費者的需求,車企開始考慮提升車輛的快充能力。
400公里續(xù)航是重要分界線。《歐洲汽車那些事兒》統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示,400公里續(xù)駛里程是電動汽車對快充需求的分界線,大于400公里,車企就會開始想辦法提升充電速率。
02
大電流和高電壓的抉擇
實現(xiàn)快充一般有兩條路徑,一個是提高電流,另一個是提升電壓。
采用提升電流方式的典型車企就是特斯拉,V3超充樁能在400V電壓的條件下實現(xiàn)250kW 的充電功率,Model 3充電15 分鐘就能行駛250公里。
400V車要想實現(xiàn)大功率充電需要加大電流,此方案的問題在于充電槍、線纜以及電池核心部件等會產(chǎn)生較高的熱損失。換句話說,很多功率都以熱的形式散發(fā)掉了。優(yōu)勢是車端技術不變,單靠升級超充樁來增大充電的功率,但快充的速度也被平臺的電壓限制死了,僅提升電流帶來的空間很快就會到盡頭。
均勝電子方面則用數(shù)據(jù)向《電動汽車觀察家》進行了解釋,目前,主流充電槍的最大電流限制500A,所能達到的充電功率大約為200kW,車企普遍使用400V電壓系統(tǒng)、250A電流,達到100kW的充電功率,按單車帶電量50kWh計算,電池由30%SOC充電至 80%SOC需要30分鐘,800V高壓可以達到300-500kW的充電功率,僅需6-10分鐘就能迅速補能。
而且800V高壓平臺可以支持更長時間的快充。根據(jù)華為智能電動領域總裁王超分享的研究發(fā)現(xiàn),當采用低壓大電流模式時,最大功率充電僅出現(xiàn)在10%-20%SOC時段,而在其他區(qū)間充電功率下降迅速。但在800V高壓模式下,最大功率快充可支持30%-80%SOC 時段。因此相比于低壓大電流而言,800V高壓模式可支持更長時間的快充。
換句話說,高電壓下充電時間更長,充電速度就會更快。
兩相對比,可以發(fā)現(xiàn),大電流模式的缺點是快充上限低、損耗大。因此,更多的車企更傾向于采用高電壓的方式來解決快充問題。
目前,比亞迪、吉利、小鵬、嵐圖、Lucid、奧迪、通用等車企都在采用高電壓的方式提升充電速度。
資料來源:OFweek 維科網(wǎng)
03
800V好處多,但成本高
800V平臺帶來的好處不僅僅是充電快。
華為數(shù)字能源技術有限公司智能電動領域副總裁彭鵬演講時就曾表示,800V-1000V的高壓平臺是大功率快充的必經(jīng)之路。除了滿足快充以外,高壓平臺還有很多額外價值。理論上說,隨著充電功率的提升,汽車的動力性能也會提高。
此外,需要的線纜和部件會大大減少,車重也會減少,反過來也有助于提升續(xù)航里程。隨著SIC等功率器件的應用,高壓損耗也會降低,動力系統(tǒng)的效率會進一步提升,這也是高壓化平臺帶來的其他價值。
800V平臺的效果,需要SIC來疊加buff。
根據(jù) Future eDrive- - Technologies的測算,在800V平臺下100kWh的電池有望減重達25kg,減重的效果較為明顯。這是由于在電壓翻倍、充電功率增幅不翻倍的情形下,串聯(lián)增加,高壓線束電流變小。高壓線束規(guī)格下降,同時用量減少,從而降本減重。SiC逆變器使得電源頻率增加,電機轉速增加,相同功率下轉矩減小,體積減小。
800V平臺好處雖多,但是成本卻很高。
800V平臺相比400V平臺,電壓電流更高、電弧更嚴重,對高壓直流繼電器耐壓等級、載流能力、滅弧、使用壽命等性能要求提高,產(chǎn)品需要在觸點材料、滅弧技術等多方面改進。
信達證券給出的數(shù)據(jù)顯示,800V電壓平臺單車價值量或將提升40%。例如,800V高壓架構需裝配耐壓等級高的薄膜電容器,高耐壓電容器單價更高,將提升薄膜電容器的單車價值量。為滿足 800V 高電壓平臺在體積、輕量、耐壓、耐高溫等方面帶來的更為嚴苛的要求,OBC/DCDC 等功率器件集成化趨勢明顯。
電機方面,800V逆變器導致電壓變化頻率高,軸電流增大,軸承防腐蝕要求增加,同時,由于電壓/開關頻率增加,800V電機內(nèi)部的絕緣/EMC 防護等級要求提升等等,這些都會提升成本。
但是疊加了SiC方案,可以做到綜合成本不提升。安信證券數(shù)據(jù)顯示,采用SiC方案,在電池容量相同的情況下,其續(xù)航里程可提高5-10%;同理,在續(xù)航里程相同的情況下,電池容量可以減少5-10%。同等電池情況下,明顯增加續(xù)航里程,假設原車續(xù)駛里程600km,提升7%,意味著提升有效里程到642km。
簡而言之,800V平臺疊加SIC帶來的減重效果,相當于多加電池提升了續(xù)駛里程,但卻省下了電池的成本。綜合下來,采用800V和SIC方案后,可以實現(xiàn)整車成本沒有提升,但充電速度顯著提升的效果。
04
應用到10萬元以下車型仍不經(jīng)濟
隨著800V平臺產(chǎn)業(yè)鏈的成熟,B級以下的車也有望采用。在彭鵬看來,當前長續(xù)航混動車型電池容量基本達到50度電,A級車也是50-60度電,華為認為未來長續(xù)航的混動車型及A級車型的純電車型,其實也會向高壓化發(fā)展。尤其是隨著各家車企紛紛圍繞B+級車型布局高壓化規(guī)劃,將來一定會向A級車型和混動車型進行延展,增加超快充特性。
但業(yè)內(nèi)人士也普遍給出了10萬元以下車型,暫時不會采用高壓平臺的判斷。因為800V的經(jīng)濟性是SiC的應用帶來的,但是SiC的成本無論如何都會比Si-IGBT高。
目前來看,搭載800V高電壓平臺的車型售價都在30萬元以上。
用Si-IGBT作為逆變器的開關器件,配套耐壓等級主要為650V左右,當然也可以采用耐壓等級為1200V的IGBT作為 800V電機控制器的功率開關,但Si-IGBT器件的導通損耗、開關損耗都有顯著的上升,如果在800V高壓系統(tǒng)領域走硅Si-IGBT技術路線的話,就會出現(xiàn)成本上升但效能下降的問題。
因此,如果不采用SiC,車企使用800V高壓平臺成本提升明顯,但效率提升小,應用動力就會不足。
用某功率器件生產(chǎn)商相關負責人李先生的話說,“有的車可能賣個兩三萬塊錢,用一個SiC模塊就得大幾千,用不起啊。”
李先生解釋說,SiC之所以貴,是因為長晶速度慢、耗電量大、良品率低等問題。
以PVT法碳化為例,硅長晶速度大概為0.3-0.5mm/h,7天才可生長 2cm,最高僅能生長3-5cm,而硅基72小時即可生長至2-3m高度。
根據(jù)電子發(fā)燒友網(wǎng)調(diào)查,目前業(yè)內(nèi)4英寸SiC 襯底良率約 70%,6英寸良率僅約30%-50%,即使國際龍頭企業(yè)的襯底良率也僅70%左右,而傳統(tǒng)硅棒良率已達95%左右。
SiC材料特性使其加工難度遠高于Si,現(xiàn)有多線切割技術總材料損耗量高達30%~50%。碳化硅襯底作為莫氏硬度9.2的高硬度脆性材料硬度高、脆性大、化學性質穩(wěn)定,加工過程中易開裂,加工后的襯底易翹曲。所以,如果技術上沒有顯著突破,SiC器件的成本要遠高于Si-IGBT:當前SiC功率器件是Si-IGBT的3~5倍左右。
再從必要性上來看,經(jīng)濟型小車對超快充的需求也并不大。
經(jīng)濟型小車本身電池就小。平均帶電量上看,A00級22kWh,A0級別44kWh左右,主要滿足短距離代步需求。
新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟發(fā)布的《中國小型純電動乘用車出行大數(shù)據(jù)報告》顯示,A00純電以中小城市日常代步使用為主,不同車企的產(chǎn)品用戶次均行駛里程分布在5-10km,次均行駛里程超過30公里的占比不足1%。次均行駛里程平均值在7.63km左右,次均行駛時長的峰值在15-30min,超過1小時的不足0.2%。次均行駛時長平均值在17.4min。
以宏光 MINI EV為例,通過拉線(220V)充電的方式解決了充電難的問題,使得目標客戶群迅速擴大。宏光 MINI EV的電池組容量很小,使得在充電速度很低的情況下,充電時長卻并不長——小型純電動乘用車個人私用用戶次均充電時長為3.85小時,而宏光MINI EV僅為3.3小時。
這類車型充電靈活,對超快充的需求本就不高,因此沒有向高電壓平臺發(fā)展的必要。
對于乘用車是否還會有更高電壓平臺。均勝電子方面表示,長期來看,800V有潛力升級到1200V。在汽車行業(yè),800V被稱之為高壓,但在電力行業(yè),800V還屬于中低壓,工業(yè)領域在1200V的耐壓問題和絕緣問題已得到解決。
換句話說,進一步提升電壓,或許只是時間問題。
編者按:本文轉載自微信公眾號:電動汽車觀察家(ID:evobserver),作者:王凌方
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