车载充电机对碳化硅功率器件的市场需求

知识点：车载充电机

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基器件均可根据应用需求替换为SiC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 。

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