一.何谓车载充电机
车载充电机 (On-Board Charger,OBC) 是固定安装在电动汽车上的充电机,输入交流电(例如家用220V交流电),车载充电机将该交流电转换为直流电,给动力电池充电,实现新能源汽车动力电池的安全自动充电。由于冷却方式不同,车载充电机,主要可分为两种形态如下图。
目前,市场上的OBC主要是在400V电池平台上工作,主流的功率等级是3.3kW和6.6kW。由此来看,由于纯电动汽车的电池较大,OBC要能提供较大的输出功率,而插电式混合动力汽车的电池较小,OBC应提供较小的输出功率。那么,具体来说,HEV和PHEV的OBC功率为3.3 kW,通勤BEV为6.6 kW,卡车BEV为11 kW,高性能车和商用车辆为22 kW。
自2021年开始,国内车企纷纷布局800V快充技术,国内800V高压快充行业进入发展加速期。为了配合高压系统,OBC的功率范围也要进行相应的提升。随着整车平台高压化、快充技术的成熟,OBC的额定输出功率便往11kW和22kW发展。
二.在车载充电机中导入SiC的优点
OBC作为新能源车的核心部件之一,其效率、功率密度等参数对新能源车充电时间和续航里程具有一定影响。在保证系统可靠性和稳定性的前提下,更高的功率密度对减轻整车重量,提升整车续航里程具有积极推动作用,更高的效率对于缩短充电时间具有积极意义。
使用传统Si基功率半导体作为核心功率器件的OBC在效率和功率密度上已经达到瓶颈,继续使用Si基半导体已无法较大幅度提升OBC的效率和功率密度。而SiC功率器件具有高频、高效率的特点,在OBC上使用SiC功率器件对于提升OBC的效率和功率密度有较大帮助。
导入SiC功率器件能为车载充电机带来众多优点,首先是成本,采用SiC功率器件可减少DC/DC模块中大量的栅极驱动和磁性元件,因此,尽管SiC功率器件的成本比单个Si基功率器件的成本更高,但采用SiC方案的车载充电机整体上可节约20%左右的成本。然后是体积,采用SiC技术,双向车载充电机体积可减小20%以上,节省了汽车内部空间,整车系统更容易实现多合一小型集成化。最后是效率,SiC方案的双向车载充电机比普通双向的车载充电机效率高2%-3%,采用全SiC MOSFET方案的22 kW双向车载充电机,开关频率则提高一倍以上,SiC系统在3kW/L的功率密度下可实现97%的峰值系统效率,而采用Si基方案的车载充电机仅可在2kW/L的功率密度下实现95%的效率,这一系统效率的提升可为消费者节约每年250元左右的能源。
三.国内主流的车载充电机企业
根据NE时代公布的数据,2021年新能源乘用车装机量为288.7万套,下表所列企业为国内年销量前10名的车载充电机企业,这10家企业车载充电机的装机量累计超过90%的市场份额,其中前4家企业市场占有率累计为59%,均在10%以上。这些车载充电机企业合作的车企和应用的车型在表1中已列出,包括新势力车企如理想、小鹏、零跑、蔚来等,也有比亚迪、上汽、吉利、长安、北汽、广汽、一汽等传统车企。
四.国内导入SiC的车载充电机企业
许多电源类供应商已在车载充电机产品中导入SiC功率器件,目前,部分第三方生产商已具备SiC电源产品的量产能力,SiC功率器件在6.6kW及更高功率的车载充电机产品中被较为充分的应用,具体情况如表2所示。
五.SiC功率器件在车载充电机市场的需求估算
车载充电机分为单向车载充电机和双向车载充电机。单向车载充电机利用电网电能给新能源车的蓄电池组充电,功率单向流动。双向车载充电机的功率双向流动,能利用电网电能给新能源车充电,还能将新能源车电池的电能回馈到电网。
单向车载充电机和双向车载充电机均为两级结构,一级为PFC电路(AC-DC),二级为DC/DC级,两部分电路均需要用到功率器件。
图3、图4分别是PFC级单向充电和双向充电的拓扑图,适用功率等级为2.3 kW到22 kW,PFC级单向充电时用到2颗MOSFET和6颗SBD,双向充电时用到6颗MOSFET,且不需使用SBD。上述Si基功率器件均可根据应用需求替换为SiC功率器件。
图5是DC/DC级的单向充电拓扑图,适用功率等级为2.3 kW 到 22 kW,单向充电时用到4颗MOSFET和4颗SBD,DC/DC级双向充电时用到8颗MOSFET。上述Si基功率器件均可根据应用需求替换为SiC功率器件。
以上情况所用功率器件的颗数,可以简化为下表:
由于车载充电机的市场需求与电动汽车的销量密不可分,因此,在估算SiC功率器件在车载充电机市场的需求之前,需要先估算国内电动汽车的销量。根据乘联会官网公布的国内电动汽车销量数据,对2022年到2025年的国内电动汽车的销量进行预测,结果显示2025年国内电动汽车的销量预计超过一千万辆,由此可见,国内电动汽车市场的发展空间非常广阔。 随着电动汽车行业快速发展,车载充电机的应用也会越来越广泛。
目前电动汽车市场上仍然以400V的电压平台为主,单向车载充电机的市场占有率超过70%。对于车载充电机而言,单相车载充电机受交流电进线电流限制,最大功率只能到6.6kW。在市场需求的驱动下,2022年-2025年SiC功率器件在国内电动汽车的车载充电机中的普及率会逐年增长。以国内电动汽车的销量作为车载充电机数据预测的考量,综合SiC功率器件在国内电动汽车中的普及率,预测出2022年-2025年在车载充电机行业中SiC功率器件的市场规模。 由图7得知,2022年-2025年SiC SBD和SiC MOSFET会用到的6英寸晶圆片数量逐年增加,相应的,2022年车载充电机所用的SiC功率器件的市场规模预计超过8亿元人民币,2025年超过30亿元人民币。
六.总结
为了满足消费者对新能源车快速充电的诉求,提高市场竞争力,车企纷纷布局800V快速充电,电压升高,车载充电机的功率也要升高,目前市面上车载充电机主流的功率是3.3kW和6.6kW,车载充电机的功率有向11kW和22kW发展的趋势。比起Si基功率器件,车载充电机导入SiC基功率器件可以降低成本、减小体积、提高效率,因此,越来越多车载充电机企业在车载充电机中导入SiC功率器件。
目前国内第三代半导体企业积极布局,SiC基功率器件在各主流应用市场会逐渐普及,价格会逐步下降,搭载SiC功率器件车载充电机的车企会越来越多,SiC功率器件在车载充电机领域的应用前景非常广阔。