بحلول عام 2026، سيؤدي الهدف الصارم لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى جعل حصة السيارات الكهربائية/المركبات الهجينة (EVs/HEVs) في جميع سيارات الركاب تصل إلى 2%، مما يعني أن تقنيات أشباه الموصلات المختلفة وأجهزة الطاقة ستكتسب فرصة سوقية بقيمة 38 مليار دولار أمريكي. هذا هو حكم شركة Yole Dedevelopment، وهي شركة أبحاث السوق، في تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة للمركبات الكهربائية في عام 2021.

هناك أنواع كثيرة من السيارات الكهربائية.

سواء كانت سيارة EV أو HEV، أو سيارة كهربائية، أو سيارة xEV. تصنيفها المحدد هو كما يلي:

المركبات الكهربائية الهجينة الخفيفة (MHEV): المركبات التي تستخدم محرك الاحتراق الداخلي (أو المحرك الحراري) والمحرك الكهربائي، وعادةً ما تستخدم محرك ICE مساعد بقدرة 10-20 كيلووات، بما في ذلك المركبات 48 فولت (الهجينة المعتدلة) المجهزة ببطاريات منخفضة الجهد.

مركبة كهربائية هجينة (HEV كاملة، HEV قوية): مركبة تستخدم محرك احتراق داخلي ومحرك كهربائي. يتم تشغيل المحرك الكهربائي بواسطة بطارية عالية الجهد، والتي يمكن أن توفر طاقة عالية للمحرك. نطاق الطاقة هو 70-170 كيلو واط، ولا يمكن شحن البطارية من شبكة الطاقة. سعة طاقة البطارية منخفضة نسبيًا (حوالي 2-5 كيلو وات في الساعة)، وبالتالي فإن نطاق القيادة في الوضع E محدود (عدة كيلومترات)؛

السيارة الكهربائية الهجينة القابلة للشحن (PHEV): مركبة تستخدم محرك احتراق داخلي ومحركًا كهربائيًا (مثل السيارة الهجينة الكاملة). يمكن شحن بطارية PHEV من شبكة الطاقة، لذلك فهي تحتوي على شاحن داخلي وقابس شحن. سعة البطارية أكبر من قدرة السيارة الكهربائية الهجينة (HEV) الكاملة، وعادةً ما تبلغ حوالي 9 كيلو وات في الساعة. في حالة استخدام شاحن ثنائي الاتجاه، يمكن استخدام السيارة كمصدر طاقة لتطبيقات V2G (من السيارة إلى الشبكة) وV2H (من السيارة إلى المنزل).

السيارة الكهربائية ذات المدى الممتد (EREV): هي مركبة كهربائية تعمل بالبطارية وتتضمن وحدة طاقة مساعدة (APU) تسمى "موسع الأميال". عادة ما يكون هذا المولد الصغير عبارة عن محرك احتراق داخلي (ICE)، ولكن يمكن أيضًا استخدام خلية الوقود. يقوم المولد بشحن البطارية التي تزود محرك السيارة بالطاقة. يُطلق على هذا الترتيب اسم سلسلة توليد القوة الهجينة. إن موسع الأميال غير مناسب للاستخدام اليومي، وينطبق فقط على الحالة التي يحتاج فيها السائق إلى زيادة الأميال المقطوعة في السيارة للوصول إلى محطة الشحن التالية.

مركبة الوقود الكهربائية (FCEV، FCV أو مركبة تعمل بالهيدروجين): لديها محرك فقط (بدون محرك ICE)، وتسمى عادة مركبة تعمل بالهيدروجين. في الواقع، إنها سيارة كهربائية تولد الكهرباء من الهيدروجين من خلال مجموعة خلايا الوقود. تحتوي FCEV على بطاريات (أو بنوك مكثفات فائقة) لتحقيق وظائف معينة، مثل استعادة طاقة الكبح، وما إلى ذلك. البطارية عبارة عن بطارية عالية الجهد، وعادة ما تكون ذات سعة طاقة منخفضة (عدة كيلووات في الساعة). تستخدم بعض سيارات FCEV بطاريات أكبر (حوالي 10 كيلووات في الساعة، والتي يمكن شحنها من شبكة الطاقة، على غرار PHEV، لتحقيق قيادة أنظف (بافتراض أن كهرباء الشحن يتم توليدها من مصادر الطاقة المتجددة النظيفة، مثل الطاقة الكهروضوئية أو طاقة الرياح). يمكن استخدام الشاحن ثنائي الاتجاه في FCEV كمصدر طاقة لتطبيقات V2G وV2H.

مركبات الطاقة الجديدة (NEV): مصطلح تستخدمه الحكومة الصينية، بما في ذلك PHEV وBEV وFCEV وما إلى ذلك. إن صياغة مركبات الطاقة الجديدة يمكن أن تجعل السياسات التي تصدرها الدولة أكثر استدامة، وتغطي المزيد من التكرارات الفنية، وتساعد على تحقيق التحول السلس. من خلال آلية التعديل والسحب الدورية، يتم تشجيع الشركات باستمرار على تجربة التقنيات الجديدة. وفي السيارات التقليدية هناك فجوة كبيرة بين الصين والدول الأجنبية، وخاصة المحركات التي تنطوي على حواجز تقنية عالية. اصنع أشياء جديدة، فالفجوة مع الدول الأجنبية ليست كبيرة، لتجنب القضاء عليها بواسطة التكنولوجيا الأجنبية في المستقبل.

في السنوات الأخيرة، تطور سوق السيارات الكهربائية xEV بسرعة، وذلك بفضل التزام الحكومات بتحقيق الحياد الكربوني في عام 2050. يعد اعتماد السيارات الكهربائية هو المفتاح لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وسوف يتطور مصنعو المعدات الأصلية والمستوى الأول ومصنعو أشباه موصلات الطاقة مع نمو السيارات الكهربائية.

في تطبيق xEV، يتضمن مستوى النظام العاكس الرئيسي والمولد، ومحول التعزيز، ومحول DC-DC وشاحن السيارة؛ تتضمن أنواع الحزم وحدات منفصلة ووحدات إمداد الطاقة؛ تشمل أجهزة الطاقة MOSFET السيليكون، و IGBT السيليكون، و BJT السيليكون (ترانزستور ثنائي القطب)، و MOSFET كربيد السيليكون (SiC) و GaN)HEMT، وما إلى ذلك.

تقود BEV تكنولوجيا الجهد العالي

مع التخفيض الصارم لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون والأهداف المحايدة للكربون في مختلف البلدان، اتخذت صناعة السيارات خطوة كبيرة نحو كهربة السيارات. على الرغم من أن كل شركة مصنعة للمعدات الأصلية لديها استراتيجيات مختلفة للكهرباء، خاصة في مناطق مختلفة، إلا أن لديهم هدفًا مشتركًا، وهو زيادة حصة السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية في أسطولها. ولا تزال الكهرباء الهجينة خيارا متاحا في السنوات العشر إلى الخمس عشرة المقبلة، على الرغم من أنها لا تلبي الهدف طويل المدى المتمثل في الحياد الكربوني.

على الرغم من تأثير وباء كوفيد-19، فإن تكنولوجيا السيارات الكهربائية بالبطارية المدفوعة بالكهربة العالمية لا تزال تتسارع، وتستمر الأجهزة الإلكترونية للطاقة في المحولات المختلفة مثل عاكس الجر، DC-DC، OBC (الشاحن الداخلي) في الزيادة، وEV / ينتقل نظام HEV إلى 48 فولت، ويتغير اتجاه البطارية أيضًا من 400 فولت إلى 800 فولت.

ويرتبط اختيار الكهرباء ارتباطًا مباشرًا باختيار البنية التقنية لطاقة المحول أو سعة البطارية، الأمر الذي سيؤدي إلى خصائص أداء مختلفة تمامًا للمركبات المختلفة. ويتوقع يول أنه في السنوات الخمس المقبلة، مع إضافة بطاريات 48 فولت في السيارات، سيستمر سوق أشباه موصلات الطاقة المرتبطة بالسيارات الهجينة الخفيفة (MHEV) في النمو. بالإضافة إلى ذلك، من المركبات الهجينة إلى السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية، سيزداد محتوى أشباه الموصلات في كل مركبة مع تحسن مستوى الكهربة.

في واقع الأمر، تعمل BEV على تعزيز التطور السريع لهذه التكنولوجيا. وفي هذا الصدد، من الواضح أن المستخدمين يحتاجون إلى القيادة لمسافة أطول في وقت شحن أقصر، مع تقليل التكلفة. هناك عدة طرق لزيادة نطاق القيادة، مثل تحسين تصميم البطارية لزيادة سعة الطاقة أو تحسين كفاءة العاكس. ومن ناحية أخرى، ومن أجل تقليل وقت شحن البطارية، يتم نشر أجهزة شحن عالية الطاقة (تصل إلى 350 كيلو واط) في جميع أنحاء العالم. ومن أجل تجنب التحديات المرتبطة بمستويات التيار المرتفعة، فإن اتجاه التطوير هو زيادة جهد البطارية. يمكن أن تؤدي زيادة جهد البطارية من 400 فولت الحالي إلى 800 فولت إلى تحقيق شحن أسرع وتوفير قيمة مضافة عالية لمستخدمي السيارة.

في الواقع، اعتمدت بورش وهيونداي بالفعل بطاريات 800 فولت، وسوف تحذو شركات أخرى حذوها. بما أن العاكس الرئيسي يعمل بجهد أعلى، فإن مكونات أشباه موصلات الطاقة الخاصة به يجب أن تتمتع أيضًا بتصنيف جهد أعلى، عادةً 1200 فولت فولت. لقد أدى الانتقال من مكونات 600 فولت إلى 750 فولت إلى مكونات 1200 فولت إلى توفير فرص عمل جديدة لبعض الموردين، بينما سيتم تقليل أعمال الآخرين. سيؤدي اختيار كهربة المركبات وخيارات التكنولوجيا المختلفة إلى استراتيجيات مختلفة تتبناها كبرى الشركات المصنعة للمعدات الأصلية.

العوامل الدافعة الرئيسية للسيارات الكهربائية

لا يتم تحديد مدى إبحار السيارات الكهربائية من خلال البطارية فحسب، بل تلعب أيضًا كفاءة نظام الطاقة بأكمله دورًا مهمًا. يقوم فريق من معهد فلاون هوف للموثوقية والتكامل الجزئي (IZM) في برلين بتطوير عاكس طاقة لوحدة التحكم الإلكترونية لنظام الطاقة الكهربائية النقية من بورشه Mission E، والذي يمكنه تحويل الطاقة بين البطارية والمحرك بشكل أكثر فعالية من المخطط الحالي .

محول الطاقة بورش SiC

يستخدم الباحثون والخبراء من شركائهم في الصناعة ترانزستورات أشباه الموصلات SiC ذات الكفاءة العالية لضمان أن الطاقة التي يستهلكها التيار المتدفق عبر الترانزستورات أصغر. إنهم يريدون استخدام أقل عدد من الترانزستورات، لأن كل جهاز SiC سوف يستهلك بعض الطاقة ويجب تبريده. أعاد الباحثون تصميم عناصر التبريد في عاكس الطاقة لتحقيق أفضل تأثير تبريد. ومن خلال تحسين نظام النقل بهذه الطريقة، سيزداد عدد الكيلومترات المقطوعة للسيارات الكهربائية في النهاية بنسبة 6٪.

لحل المشكلة المتمثلة في أن المواد المختلفة لوحدة الطاقة لديها معدلات تمدد مختلفة، يستخدم عنصر التبريد الجديد لوحة معدنية رقيقة جدًا لتعويض الضغط الناتج عن التشوه الطفيف أثناء التسخين أو التبريد، وإطالة عمر الخدمة. لتقليل إجهاد وحدة عاكس الطاقة، يتم توصيل الهيكل المكون من عناصر التبريد وترانزستورات SiC مع بقية النظام الإلكتروني عن طريق لف أسلاك نحاسية رقيقة مرنة لمنع التشققات. يمكن ملاحظة أن نظام الجهد العالي 800 فولت هو المكان الذي يمكن فيه استخدام أداء درجة الحرارة العالية لـ SiC.

يعد عاكس الجر طلبًا كبيرًا على أجهزة الطاقة الإلكترونية.

هناك ثلاثة أنواع أساسية من المحولات في EV/HEV: العاكس الرئيسي، ومحول DC-DC، والمولد، وOBC. نظرًا لمستوى الطاقة العالي، يعد العاكس الرئيسي هو أكبر سوق للمحول، مع أعلى محتوى من أشباه الموصلات للطاقة. ولذلك، من المتوقع أن يصل حجم سوق العاكس الرئيسي إلى 19.5 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2026، وهو ما يمثل 67% من سوق محولات المركبات الكهربائية/الكهربائية الهجينة، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 26.9%.

وفيما يتعلق بسوق أشباه الموصلات للطاقة، ومن المتوقع أن تتضاعف قيمته ثلاث مرات في الفترة من 2020 إلى 2026 بسبب المنافسة التقنية الكبيرة بين وحدات IGBT وSiC. في الواقع، لا تزال التكلفة الحالية لوحدة SiC حوالي ثلاثة أضعاف تكلفة وحدة IGBT 650 فولت، ولكن عندما تصبح دفعة الإنتاج أكبر، مع الانتقال إلى رقائق 8 بوصات وشعبية أجهزة 1200 فولت ذات جهد بطارية أعلى، فإن هذه الفجوة سوف تضيق تدريجيا.

لا تزال سلسلة توريد السيارات الكهربائية/الكهربائية الهجينة تتأثر بالطلب المتزايد واتجاهات التكنولوجيا. على الرغم من أن الشركات الرائدة في تصنيع أشباه الموصلات للمركبات الكهربائية/الكهربائية الهجينة تتوافق مع شركات تصنيع أشباه الموصلات الأخرى لتطبيقات الطاقة (مثل Infineon، وstmicroelectronics، وHitachi، وMitsubishi Electric، وAnselme)، والشركات الأخرى (Tier 1، وOEM، والشركات المصنعة لأشباه موصلات الطاقة، والوافدين الجدد للوحدات النمطية النقية) كما نقوم بتوفير وحدات الطاقة للمركبات الكهربائية/الكهربائية الهجينة.

ويحدث موقف مماثل في مجال تصميم البطاريات وتصنيعها، حيث تحاول شركات تصنيع المعدات الأصلية مثل تيسلا وجنرال موتورز التحكم في سلاسل التوريد الخاصة بها. كما فتحت المنافسة على مستوى تصنيع المعدات الأصلية مسارين رئيسيين: الأول هو أن مصنعي المعدات الأصلية التقليديين ذوي الأسواق الناضجة والعلامات التجارية المعروفة يحولون أعمالهم إلى السيارات الكهربائية؛ من ناحية أخرى، تظهر شركات تصنيع المعدات الأصلية للسيارات الكهربائية النقية في أجزاء مختلفة من العالم (مثل Weilai، وRivian، وRimac، وTucki، وHezhong)، وبعضهم، بقيادة Tesla، يزيدون مبيعاتهم بسرعة سنة بعد سنة. عادةً ما تتمتع الطرازات الجديدة المقدمة بأداء أفضل من حيث التكلفة، مما يؤدي إلى إعادة تشكيل مبيعات السيارات العشرة الأولى بشكل مستمر.

سوق أجهزة أشباه موصلات الطاقة XEV (مليون دولار أمريكي)

يسير SiC على السجادة الحمراء لسيارات EV/HEV

الآن، السيارات التي لا تستخدم SiC تشعر بالحرج من استدعاء السفر الكهربائي. في السنوات القليلة الماضية، خاصة منذ أن قامت Tesla بإدخال SiC في العاكس الرئيسي للطراز 3، تسبب اعتماد SiC في EV/HEV في تداعيات كبيرة. ولكن ليست كل المحولات أو جميع أنواع المركبات المكهربة مناسبة لهذه المادة باهظة الثمن.

ليس هناك شك في أن BEV هي الفائزة في اعتماد SiC، لأنها تتطلب مسافة طويلة ووقت شحن سريع. لذلك، مع تحسين كفاءة المحول، يتم تعويض تكلفة المحول المتزايدة، وبالتالي توفير تكلفة البطارية. لذلك، ليس من المستغرب أن يصبح استخدام SiC في العاكس الرئيسي هو الهدف المشترك لمصنعي المعدات الأصلية الرئيسيين، وسرعان ما قامت شركتي Daimler و Hyundai بدمجه في العاكس الرئيسي.

على الرغم من أن تكلفة أجهزة SiC أعلى من تكلفة أجهزة السيليكون، إلا أنها تساعد على تقليل تكلفة البطارية وزيادة نطاق الرحلة، وبالتالي تقليل تكلفة السيارة بأكملها بشكل فعال. يمكن أن يوفر استخدام عاكس SiC حوالي 200 دولار لكل سيارة، ويقلل حجم ووزن العاكس الرئيسي.

في الوقت الحاضر، قدمت Infineon وCree (Wolfspeed) وstmicroelectronics سلسلة من الأجهزة المزودة برقائق SiC. يعتبر العديد من مصنعي أشباه الموصلات وحدات SiC هدفًا لتطبيقات المركبات الكهربائية. من المقدر أنه بحلول عام 2026، سيشكل سوق وحدات SiC 32٪ من سوق أشباه الموصلات EV/HEV.

صدى كربيد السيليكا و800V

على الرغم من أن كل مصنع OEM لديه إستراتيجية خاصة به لاعتماد SiC، فقد قامت Tesla بتحسين أدائها بشكل كبير باستخدام تقنية SiC، كما أدى اعتماد بطارية 800 فولت إلى زيادة استخدام SiC، ويتابع المزيد من مصنعي المعدات الأصلية. في الوقت الحاضر، تستخدم كل من Shanghai Volkswagen وNissan وBYD وBeiqi New Energy وGeely أجهزة SiC في OBC وDC-DC لبعض موديلاتها؛ تستخدم Tesla وBYD وYutong Bus وGeely وما إلى ذلك أجهزة SiC في وحدات التحكم في المحركات؛ سوف تتبنى المزيد من شركات السيارات SiC في العاكس الرئيسي، بما في ذلك Hongqi، Beiqi New Energy، Jianghuai Automobile، Hyundai، Honda، BMW، Audi، وصانعي السيارات الجديدة Weilai، Tucki، Ideality، إلخ. أصدرت العديد من شركات المستوى 1 أيضًا خططًا للمحرك الكهربائي SiC، بما في ذلك Bosch وDelphi وZF وValeo وWeipai Technology وJingjin Electric وما إلى ذلك.

هناك شيء واحد مؤكد، سواء كانت التكنولوجيا جيدة أم سيئة، فإن التطبيق هو الأفضل. وفي مجال السيارات، سوف تتعايش أجهزة SiC مع الأجهزة القائمة على السيليكون لفترة طويلة. فيما يتعلق بالتوطين، مقارنة بالدول الأجنبية، لا تزال هناك فجوة معينة في عملية تصنيع أجهزة SiC المحلية، وخاصة أن معدل الإنتاجية يحتاج إلى مزيد من التحسين. والسؤال الرئيسي الآخر هو ما إذا كانت شركات السيارات تجرؤ على استخدام الأجهزة المنزلية، الأمر الذي يتطلب قدراً معيناً من الشجاعة والموقف العلمي، ويستغرق الأمر بعض الوقت لاختباره والتحقق منه على الطريق.

تسريع إدخال دفعة من الكهرباء

يتسارع تنفيذ الإستراتيجية الأولية لكهربة المركبات، نظرًا لحظر مركبات الديزل في بعض المناطق/المدن، ويتزايد تفضيل العملاء لمركبات الدفع الرباعي. "باب الديزل" من فولكس فاجن، "تأثير تسلا"، حوافز للمركبات عديمة الانبعاثات في الصين، خفض تكلفة البطارية، هدف خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، NEDC (ظروف القيادة الأوروبية الجديدة) ←WLTP (إجراء اختبار المركبات الخفيفة العالمي الموحد)، بما في ذلك وباء كوفيد-19، كلها تعمل على تعزيز عملية كهربة المركبات.

تسريع كهربة السيارة

في الوقت الحاضر، في تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة للمركبات الكهربائية/الكهربائية الهجينة، يمكن أن يكون العاكس الرئيسي إما جهازًا منفصلاً أو وحدة وفقًا لنوع الكهربة ومستوى الطاقة المختلف الذي تحدده الشركة المصنعة. إن 48-12V DC-DC هو في الأساس جهاز منفصل 80-100V؛ HV-12V DC-DC هو في الأساس جهاز منفصل بجهد 500-650 فولت و80-100 فولت؛ OBC هو في الأساس جهاز منفصل بجهد 600-650 فولت؛ محول التعزيز هو في الأساس جهاز منفصل بجهد 600 فولت.

أجهزة الطاقة المستخدمة لكل نوع xEV

ولذلك، فإن الوحدات، وخاصة أجهزة ووحدات الطاقة SiC، لديها مساحة كبيرة للمقدمة. بدأت بعض شركات تصنيع المعدات الأصلية الأجنبية في استخدام ثنائيات حاجز شوتكي SiC و MOSFET على OBC في عام 2018. بعد ذلك، استمر معدل اختراق السوق في الارتفاع، ثم انتقلوا إلى وحدات التحكم في المحرك والعاكسات الرئيسية ذات متطلبات الموثوقية الأعلى. وهذه أيضًا هي عملية الانتقال من الأجهزة المنفصلة إلى وحدات SiC بالكامل.

أعلى الطلب على الاستيراد هو السيارات الكهربائية ذات المدى الطويل. ومن المتوقع أن يصل معدل اختراق وحدات التحكم في محركات المركبات التي يزيد مداها عن 500 كيلومتر إلى 100% بحلول عام 2024؛ يمكن أن يصل معدل الاختراق الإجمالي للمركبات التي يقل طولها عن 500 كيلومتر إلى 40%.

مما لا شك فيه أن جميع مصنعي المعدات الأصلية تقريبًا للسيارات الكهربائية قد أدرجوا تطبيق أجهزة SiC في خطط تطوير المشاريع الجديدة، ومن المتوقع أن تصبح SiC العقدة المتفجرة في سوق السيارات الكهربائية في عام 2025.

إخلاء المسؤولية: هذه المقالة منقولة من "TechSugar". تمثل هذه المقالة فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا تمثل آراء Sacco Micro والصناعة. إنه مخصص فقط لإعادة الطباعة والمشاركة لدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة الطبع. وفي حالة وجود أي مخالفة يرجى التواصل معنا لحذفها.

هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس/فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي
ف ف: 332496225 مدير تشيو
العنوان: الغرفة 809، المبنى C، مبنى Zhantao Technology، رقم 1079 شارع Minzhi، منطقة Longhua الجديدة، Shenzhen