特斯拉、蔚來都在用的SiC,除了增加續航里程還好在哪?

特斯拉、蔚來都在用的SiC,除了增加續航里程還好在哪?

蔚來ES7也用上了SiC電驅系統,更好的電驅性能,讓它成為了蔚來旗下最快SUV產品。

在蔚來產品系列的命名法則裏,數字7似乎與奧迪一樣,都代表着性能運動;在蔚來ES7之前使用SiC電驅系統的是ET7,0-100km/h加速成績是3.8秒,ES7的加速成績是3.9秒。蔚來使用的碳化硅SiC電驅系統,在整個系統中起到了一定的性能提升作用。

那麼,蔚來使用了SiC電驅系統,會對我們用車有什麼改變?

用了SiC電驅,續航加速兩不耽誤?
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SiC碳化硅這個名詞非常陌生,如果一台車用上這個模塊,單車成本會提升;有了這個模塊,提升電能效率,增加的成本可以減少一部分電池容量給找平。它的逆變器開關通導效率更高、損耗更少,能讓續航里程更真實;它不易生產、成本高,這是它的缺點。

從傳統電驅系統使用的IGBT迭代到SiC模塊,不僅是汽車領域在這麼做,光伏發電領域也是由IGBT迭代到SiC模塊,因為它性能更好、耐高温、耐高壓。

特斯拉、蔚來都在用的SiC,除了增加續航里程還好在哪?

放到汽車領域中,已經有了這個轉型的趨勢。蔚來和許多企業一樣,把SiC模塊應用在了第二代電驅系統裏,提高了電驅系統的性能、縮小了尺寸、電能效率提高。蔚來在2021年就已經應用了這種技術。

最近推出的蔚來ES7,也用到了SiC模塊。

它使用的電機方案是前電動機使用的是180kW電機、後電機使用的是300kW電機,兩台電機的核心差異是前面那台逆變器用上了SiC模塊,後面那台電機使用的也是SiC模塊。480kW的綜合功率,已經超過了蘭博基尼Huracan。

整個二代電驅180kW和300kW相比於蔚來(ES6、ES8、EC6)之前一直用的160kW和240kW兩款電機,最大功率和扭矩分別提升了20%和23%。

特斯拉、蔚來都在用的SiC,除了增加續航里程還好在哪?

SiC用在車用逆變器上,在相同功率等級下,全SiC模塊的封裝尺寸顯著小於硅模塊,同時也可以使開關損耗降低35%。在相同封裝下,全SiC模塊具備更高的電流輸出能力,支持逆變器達到更高的功率。

蔚來使用SiC模塊的第二代電驅特點:

  1. 綜合損耗降低,提升了4-6%的續航里程,改善了車輛在城市工況下的功耗;
  2. SiC模塊使用過程中更耐高温,同等體積下最大電流能力提升30%以上;
  3. 開關速度更快、功率損耗更小,能降低逆變器開關造成的電流損耗;
  4. 多目標優化的電路設計,讓可靠性、效率、壽命、電磁兼容、絕緣更好;
  5. 多目標優化軟件控制策略,開關損耗降低33-35%,電控系統效率提升5-10%。
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當車型電池的容量越大,使用SiC能夠帶來的利益也就越多,其實這是整個體系能力的增強,效率更高。舉例,續航里程620km、電池能量100kWh,降低損耗並且能提升4-6%的續航里程,就是相當於增加了24-37km的續航里程損耗。

SiC模塊的開關損耗很大程度上是由開關速度決定的,IGBT目前發展已經達到了性能天花板,本身性能導致其開關速度受到限制。SiC模塊的禁帶寬度是IGBT的3倍、絕緣擊穿場強是IGBT的10倍左右、熱傳導率是IGBT的3倍、電子飽和遷移率是2倍。這些特性應用在功率器件中則意味着:

  1. 禁帶寬度越大,臨界擊穿電壓 越大,更適合高壓大功率應用,更適合800V平台使用;
  2. 高飽和電子遷移這個數值越高,開關速度就越快,在高壓下的高頻操作所需的驅動功率就越小,能量損耗就低;
  3. 高熱導率能避免使用額外的冷卻系統,有利於成本和小型化的處理,SiC最高工作温度1000°。

SiC模塊更像是一個剛性開關,極快的開關速度帶來更低的開關損耗;所以,關於驅動器電路的設計,其實SiC是更適合城市走走停停的工況,SiC模塊更能發揮最大價值。

其實關於SiC模塊的應用應該在硬件和軟件上都會去做一個系統性的協調和系統性的優化,蔚來是這麼解決的:低速行駛時,靠主驅動器(前電機最大功率180kW)驅動,發揮SiC模塊高效的特點,在需要高速行駛時才會讓後電機(最大功率300kW)參與驅動工作,提供更更好的動力。

再延展一點,不要誤以為用了SiC模塊之後電動車加速會有質的飛躍,更快的逆變器開關速度+承受高壓輸出確實能非常有限的提升加速性能,但主要的還是提高了電能效率增加續航、提高經濟性、縮短充電時間為主。

SiC是發展趨勢,為什麼鮮有人用?
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SiC模塊不算非常新的技術,早已經廣泛用於光伏逆變器、工業電源和充電樁市場,投入到汽車市場中是因為受到新能源汽車廠商近期加速導入刺激,致使SiC功率元器件用量激增,從而影響了SiC襯底和外延片需求量同步暴漲,而這兩部分材料總和佔整個SiC模塊的70%成本。

其中,SiC襯底成本佔比最大(43%),技術難度雖次於外延環節但也相當高,如切片和研磨,難度極大。這個環節目前國內總體技術水平落後國外3年左右,但代差已縮小至半代左右。

特斯拉、蔚來都在用的SiC,除了增加續航里程還好在哪?

SiC在電動汽車市場中的應用,包括現階段應用於充電模塊的小鵬汽車和配套的超級充電樁,也有把它應用在電驅模塊中的特斯拉Model 3、比亞迪海豚、漢等產品中。

  1. 在2016年特斯拉Model 3上使用的是意法半導體提供的SiC功率模塊,電能轉換效率提升90%、體積縮小約90%;
  2. 在2020年比亞迪漢使用自研的SiC模塊,增加了電控系統的過流能力。
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多説一句,蔚來使用的SiC元件是安美森提供的,也是特斯拉SiC元件的供應商,使用的應該還是芯片並聯的低雜感封裝技術,提升功率以及循環可靠性。暫時不清楚使用的單面水冷還是雙面水冷,不過個人認為應該對12kV的時候可能才會需要的雙面水冷,目前來看單面水冷應該夠用。

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SiC模塊雖然應用廣泛,但距離普及還很遠?

SiC模塊的應用之所以能實現比較廣泛的應用範圍,可以歸結於現在之前高位的成本開始下降,但也還算不上便宜,通過率半導體材料換成SiC材料成本約漲幅6000元左右,一定程度上限制了SiC的普及;另外是產能問題,由於工藝複雜導致碳化硅產品良率普遍較低,目前全球碳化硅產能僅60萬片左右,遠不能滿足當前新能源汽車爆發式的增長需求。

未來的IGBT和SiC應該也是共存的關係,不用高壓平台的車使用IGBT、800V或更高平台產品使用SiC模塊。關於SiC的成本,可以參考IGBT經歷7個技術迭代,成本現在是最初的五分之一,把SiC加以時間研究、打磨、成熟產業鏈,它的價格會更低而且對應的平台也會是更高壓的1200V平台。

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