一.何謂車載充電機
車載充電機 (On-Board Charger,OBC) 是固定安裝在電動汽車上的充電機,輸入交流電(例如家用220V交流電),車載充電機将該交流電轉換爲直流電,給動力電池充電,實現新能源汽車動力電池的安全自動充電。由于冷卻方式不同,車載充電機,主要可分爲兩種形态如下圖。
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目前,市場上的OBC主要是在400V電池平台上工作,主流的功率等級是3.3kW和6.6kW。由此來看,由于純電動汽車的電池較大,OBC要能提供較大的輸出功率,而插電式混合動力汽車的電池較小,OBC應提供較小的輸出功率。那麽,具體來說,HEV和PHEV的OBC功率爲3.3 kW,通勤BEV爲6.6 kW,卡車BEV爲11 kW,高性能車和商用車輛爲22 kW。
自2021年開始,國内車企紛紛布局800V快充技術,國内800V高壓快充行業進入發展加速期。爲了配合高壓系統,OBC的功率範圍也要進行相應的提升。随着整車平台高壓化、快充技術的成熟,OBC的額定輸出功率便往11kW和22kW發展。
二.在車載充電機中導入SiC的優點
OBC作爲新能源車的核心部件之一,其效率、功率密度等參數對新能源車充電時間和續航裏程具有一定影響。在保證系統可靠性和穩定性的前提下,更高的功率密度對減輕整車重量,提升整車續航裏程具有積極推動作用,更高的效率對于縮短充電時間具有積極意義。
使用傳統Si基功率半導體作爲核心功率器件的OBC在效率和功率密度上已經達到瓶頸,繼續使用Si基半導體已無法較大幅度提升OBC的效率和功率密度。而SiC功率器件具有高頻、高效率的特點,在OBC上使用SiC功率器件對于提升OBC的效率和功率密度有較大幫助。
導入SiC功率器件能爲車載充電機帶來衆多優點,首先是成本,采用SiC功率器件可減少DC/DC模塊中大量的栅極驅動和磁性元件,因此,盡管SiC功率器件的成本比單個Si基功率器件的成本更高,但采用SiC方案的車載充電機整體上可節約20%左右的成本。然後是體積,采用SiC技術,雙向車載充電機體積可減小20%以上,節省了汽車内部空間,整車系統更容易實現多合一小型集成化。最後是效率,SiC方案的雙向車載充電機比普通雙向的車載充電機效率高2%-3%,采用全SiC MOSFET方案的22 kW雙向車載充電機,開關頻率則提高一倍以上,SiC系統在3kW/L的功率密度下可實現97%的峰值系統效率,而采用Si基方案的車載充電機僅可在2kW/L的功率密度下實現95%的效率,這一系統效率的提升可爲消費者節約每年250元左右的能源。
三.國内主流的車載充電機企業
根據NE時代公布的數據,2021年新能源乘用車裝機量爲288.7萬套,下表所列企業爲國内年銷量前10名的車載充電機企業,這10家企業車載充電機的裝機量累計超過90%的市場份額,其中前4家企業市場占有率累計爲59%,均在10%以上。這些車載充電機企業合作的車企和應用的車型在表1中已列出,包括新勢力車企如理想、小鵬、零跑、蔚來等,也有比亞迪、上汽、吉利、長安、北汽、廣汽、一汽等傳統車企。
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四.國内導入SiC的車載充電機企業
許多電源類供應商已在車載充電機産品中導入SiC功率器件,目前,部分第三方生産商已具備SiC電源産品的量産能力,SiC功率器件在6.6kW及更高功率的車載充電機産品中被較爲充分的應用,具體情況如表2所示。
五.SiC功率器件在車載充電機市場的需求估算
車載充電機分爲單向車載充電機和雙向車載充電機。單向車載充電機利用電網電能給新能源車的蓄電池組充電,功率單向流動。雙向車載充電機的功率雙向流動,能利用電網電能給新能源車充電,還能将新能源車電池的電能回饋到電網。
單向車載充電機和雙向車載充電機均爲兩級結構,一級爲PFC電路(AC-DC),二級爲DC/DC級,兩部分電路均需要用到功率器件。
圖3、圖4分别是PFC級單向充電和雙向充電的拓撲圖,适用功率等級爲2.3 kW到22 kW,PFC級單向充電時用到2顆MOSFET和6顆SBD,雙向充電時用到6顆MOSFET,且不需使用SBD。上述Si基功率器件均可根據應用需求替換爲SiC功率器件。
圖5是DC/DC級的單向充電拓撲圖,适用功率等級爲2.3 kW 到 22 kW,單向充電時用到4顆MOSFET和4顆SBD,DC/DC級雙向充電時用到8顆MOSFET。上述Si基功率器件均可根據應用需求替換爲SiC功率器件。
以上情況所用功率器件的顆數,可以簡化爲下表:
由于車載充電機的市場需求與電動汽車的銷量密不可分,因此,在估算SiC功率器件在車載充電機市場的需求之前,需要先估算國内電動汽車的銷量。根據乘聯會官網公布的國内電動汽車銷量數據,對2022年到2025年的國内電動汽車的銷量進行預測,結果顯示2025年國内電動汽車的銷量預計超過一千萬輛,由此可見,國内電動汽車市場的發展空間非常廣闊。 随着電動汽車行業快速發展,車載充電機的應用也會越來越廣泛。
目前電動汽車市場上仍然以400V的電壓平台爲主,單向車載充電機的市場占有率超過70%。對于車載充電機而言,單相車載充電機受交流電進線電流限制,最大功率隻能到6.6kW。在市場需求的驅動下,2022年-2025年SiC功率器件在國内電動汽車的車載充電機中的普及率會逐年增長。以國内電動汽車的銷量作爲車載充電機數據預測的考量,綜合SiC功率器件在國内電動汽車中的普及率,預測出2022年-2025年在車載充電機行業中SiC功率器件的市場規模。 由圖7得知,2022年-2025年SiC SBD和SiC MOSFET會用到的6英寸晶圓片數量逐年增加,相應的,2022年車載充電機所用的SiC功率器件的市場規模預計超過8億元人民币,2025年超過30億元人民币。
六.總結
爲了滿足消費者對新能源車快速充電的訴求,提高市場競争力,車企紛紛布局800V快速充電,電壓升高,車載充電機的功率也要升高,目前市面上車載充電機主流的功率是3.3kW和6.6kW,車載充電機的功率有向11kW和22kW發展的趨勢。比起Si基功率器件,車載充電機導入SiC基功率器件可以降低成本、減小體積、提高效率,因此,越來越多車載充電機企業在車載充電機中導入SiC功率器件。
目前國内第三代半導體企業積極布局,SiC基功率器件在各主流應用市場會逐漸普及,價格會逐步下降,搭載SiC功率器件車載充電機的車企會越來越多,SiC功率器件在車載充電機領域的應用前景非常廣闊。