Durch das strenge CO2026-Emissionsziel wird der Anteil von Elektrofahrzeugen/Hybridfahrzeugen (EVs/HEVs) an allen Personenkraftwagen bis 2 38 % erreichen, was bedeutet, dass verschiedene Halbleitertechnologien und Leistungsgeräte eine Marktchance von 5.6 Milliarden US-Dollar erhalten. Dies ist das Urteil von Yole Dedevelopment, einem Marktforschungsunternehmen, in der Leistungselektroniktechnologie von Elektrofahrzeugen im Jahr 2021.

Es gibt so viele Arten von Elektroautos.

Ob EV oder HEV, Elektrofahrzeug oder xEV. Seine spezifische Klassifizierung ist wie folgt:

               

Mild-Hybrid-Elektrofahrzeug (MHEV): Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (oder Wärmemotor) und Elektromotor, in der Regel mit einem Hilfs-ICE-Motor mit einer Leistung von 10–20 kW, einschließlich 48-V-Fahrzeugen (Mild-Hybrid), die mit Niederspannungsbatterien ausgestattet sind.

               

Hybrid-Elektrofahrzeug (Full HEV, Strong HEV): ein Fahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor nutzt. Der Elektromotor wird von einer Hochvoltbatterie gespeist, die dem Motor eine hohe Leistung liefern kann. Der Leistungsbereich liegt zwischen 70 und 170 kW und die Batterie kann nicht über das Stromnetz geladen werden. Die Energiekapazität der Batterie ist relativ gering (ca. 2-5 kWh), sodass die Reichweite im E-Modus begrenzt ist (mehrere Kilometer);

               

Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV): Ein Fahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor nutzt (wie ein Vollhybrid). Die Batterie des PHEV kann über das Stromnetz geladen werden, daher enthält sie ein Bordladegerät und einen Ladestecker. Die Kapazität der Batterie ist größer als die des Voll-HEV, normalerweise etwa 9 kWh. Bei Verwendung eines Zwei-Wege-Ladegeräts kann das Auto als Stromquelle für V2G- (Vehicle to Grid) und V2H- (Vehicle to Home) Anwendungen genutzt werden.

               

Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite (EREV): Es handelt sich um ein batterieelektrisches Fahrzeug, das über ein Hilfsaggregat (APU) verfügt, das als „Mileage Extender“ bezeichnet wird. Bei diesem kleinen Generator handelt es sich in der Regel um einen Verbrennungsmotor (ICE), es kann aber auch eine Brennstoffzelle verwendet werden. Der Generator lädt die Batterie, die den Motor des Fahrzeugs mit Strom versorgt. Diese Anordnung wird als Serienhybrid-Antriebsstrang bezeichnet. Der Kilometerverlängerer ist nicht für den täglichen Gebrauch geeignet und gilt nur für den Fall, dass der Fahrer die Kilometerleistung des Fahrzeugs verlängern muss, um die nächste Ladestation zu erreichen.

                               

Kraftstoffelektrisches Fahrzeug (FCEV, FCV oder wasserstoffbetriebenes Fahrzeug): Es verfügt nur über einen Motor (ohne Verbrennungsmotor) und wird üblicherweise als wasserstoffbetriebenes Fahrzeug bezeichnet. Tatsächlich handelt es sich um ein Elektrofahrzeug, das mithilfe eines Brennstoffzellenstapels Strom aus Wasserstoff erzeugt. FCEV enthält Batterien (oder Superkondensatorbänke), um bestimmte Funktionen zu erfüllen, wie z. B. Bremsenergierückgewinnung usw. Bei der Batterie handelt es sich um eine Hochvoltbatterie, die in der Regel über eine geringe Energiekapazität (mehrere kWh) verfügt. Einige FCEV verwenden größere Batterien (ca. 10 kWh, die ähnlich wie PHEV über das Stromnetz aufgeladen werden können, um ein saubereres Fahren zu ermöglichen (vorausgesetzt, der Ladestrom wird aus sauberen erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik oder Windenergie erzeugt). Das Zwei-Wege-Ladegerät im FCEV kann als Stromversorgung für V2G- und V2H-Anwendungen verwendet werden.

New Energy Vehicle (NEV): ein von der chinesischen Regierung verwendeter Begriff, der PHEV, BEV, FCEV usw. umfasst. Die Formulierung neuer Energiefahrzeuge kann die vom Staat erlassenen Richtlinien nachhaltiger machen, mehr technische Iterationen abdecken und zu einem reibungslosen Übergang beitragen. Durch regelmäßige Anpassungs- und Rückzugsmechanismen werden Unternehmen ständig dazu ermutigt, neue Technologien auszuprobieren. Bei herkömmlichen Autos gibt es eine große Kluft zwischen China und dem Ausland, insbesondere bei den Motoren, die hohe technische Hürden mit sich bringen. Machen Sie neue Dinge, der Abstand zum Ausland ist nicht groß, um in Zukunft nicht durch ausländische Technologie eliminiert zu werden.

In den letzten Jahren hat sich der xEV-Markt dank der Verpflichtung der Regierungen, bis 2050 COXNUMX-Neutralität zu erreichen, rasant entwickelt. Die Einführung von Elektrofahrzeugen ist der Schlüssel zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen, und OEMs, Tier-1-Hersteller und Leistungshalbleiterhersteller werden sich mit dem Wachstum von Elektrofahrzeugen weiterentwickeln.

Bei xEV-Anwendungen umfasst die Systemebene den Hauptwechselrichter und -generator, den Aufwärtswandler, den DC-DC-Wandler und das Fahrzeugladegerät. Zu den Pakettypen gehören diskrete Module und Stromversorgungsmodule. Zu den Leistungsbauelementen gehören Silizium-MOSFET, Silizium-IGBT, Silizium-BJT (Bipolartransistor), Siliziumkarbid-MOSFET (SiC) und Galliumnitrid-HEMT (GaN) usw.

BEV ist führend in der Hochspannungstechnologie

Mit den strikten Zielen zur Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes und der CO2-Neutralität verschiedener Länder hat die Automobilindustrie einen großen Schritt in Richtung Elektrifizierung von Automobilen gemacht. Obwohl jeder OEM unterschiedliche Elektrifizierungsstrategien verfolgt, insbesondere in verschiedenen Regionen, haben sie ein gemeinsames Ziel, nämlich den Anteil von BEV in ihrer Flotte zu erhöhen. Die Hybridelektrifizierung ist in den nächsten 10 bis 15 Jahren immer noch eine Option, auch wenn sie das langfristige Ziel der COXNUMX-Neutralität nicht erreicht.

Trotz des Einflusses der COVID-19-Epidemie beschleunigt sich die durch die globale Elektrifizierung vorangetriebene BEV-Technologie immer noch, die Zahl der leistungselektronischen Geräte in verschiedenen Wandlern wie Traktionswechselrichtern, DC-DC, OBC (On-Board-Ladegeräten) und Elektrofahrzeugen nimmt weiter zu Das /HEV-System wird auf 48 V umgestellt, und auch der Batterietrend ändert sich von 400 V auf 800 V.

Die Wahl der Elektrifizierung steht in direktem Zusammenhang mit der Wahl der technischen Architektur der Wandlerleistung oder der Batteriekapazität, was zu völlig unterschiedlichen Leistungsmerkmalen verschiedener Fahrzeuge führen wird. Yole geht davon aus, dass der Markt für Leistungshalbleiter im Zusammenhang mit MHEV in den nächsten fünf Jahren mit der Einführung von 48-V-Batterien in Automobilen weiter wachsen wird. Darüber hinaus wird der Halbleiteranteil jedes Fahrzeugs, vom Hybridfahrzeug bis zum BEV, mit der Verbesserung des Elektrifizierungsgrads zunehmen.

Tatsächlich treibt BEV die rasante Entwicklung dieser Technologie voran. In dieser Hinsicht ist es offensichtlich, dass Benutzer eine längere Strecke in kürzerer Ladezeit zurücklegen und gleichzeitig die Kosten senken müssen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Reichweite zu erhöhen, beispielsweise die Optimierung des Batteriedesigns zur Erhöhung der Energiekapazität oder die Verbesserung der Wechselrichtereffizienz. Um andererseits die Batterieladezeit zu verkürzen, werden weltweit Hochleistungsladegeräte (bis zu 350 kW) eingesetzt. Um die mit hohen Strömen verbundenen Herausforderungen zu vermeiden, geht der Entwicklungstrend dahin, die Batteriespannung zu erhöhen. Eine Erhöhung der Batteriespannung von derzeit 400 V auf 800 V kann ein schnelleres Laden ermöglichen und einen hohen Mehrwert für Autonutzer bieten.

Tatsächlich haben Porsche und Hyundai bereits 800-V-Batterien eingeführt, und andere Unternehmen werden diesem Beispiel folgen. Da der Hauptwechselrichter mit einer höheren Spannung arbeitet, müssen auch seine Leistungshalbleiterkomponenten eine höhere Nennspannung haben, normalerweise 1200 V. Der Übergang von 600-V-750-V-Komponenten zu 1200-V-Komponenten hat einigen Lieferanten neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnet, während das Geschäft anderer zurückgehen wird. Die Entscheidung für die Fahrzeugelektrifizierung und die unterschiedlichen Technologieoptionen werden dazu führen, dass die großen OEMs unterschiedliche Strategien verfolgen.

     

Hauptantriebsfaktoren von Elektrofahrzeugen

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen wird nicht nur von der Batterie bestimmt, sondern auch die Effizienz des gesamten Energiesystems spielt eine wichtige Rolle. Ein Team des Flawn-Hof-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin entwickelt einen elektronischen Steuereinheit-Wechselrichter für das rein elektrische Antriebssystem Mission E von Porsche, das die Energie zwischen Batterie und Motor effektiver umwandeln kann als das bestehende System .

     

Porsche SiC-Wechselrichter

Forscher und Experten ihrer Industriepartner nutzen besonders effiziente SiC-Halbleitertransistoren, um sicherzustellen, dass der Stromverbrauch durch den durch die Transistoren fließenden Strom geringer ist. Sie wollen die geringste Anzahl an Transistoren verwenden, da jedes SiC-Gerät etwas Energie verbraucht und gekühlt werden muss. Forscher haben die Kühlelemente des Wechselrichters neu gestaltet, um den besten Kühleffekt zu erzielen. Durch eine solche Optimierung des Übertragungssystems wird sich die Laufleistung von Elektrofahrzeugen letztendlich um 6 % erhöhen.

Um das Problem zu lösen, dass unterschiedliche Materialien des Leistungsmoduls unterschiedliche Ausdehnungsraten aufweisen, verwendet das neue Kühlelement eine sehr dünne Metallplatte, um die durch leichte Verformung beim Erhitzen oder Abkühlen verursachte Spannung auszugleichen und die Lebensdauer zu verlängern. Um die Belastung des Wechselrichtermoduls zu reduzieren, ist die Struktur aus Kühlelementen und SiC-Transistoren durch Verdrillung flexibler dünner Kupferdrähte mit dem restlichen elektronischen System verbunden, um Risse zu vermeiden. Es zeigt sich, dass gerade im 800-V-Hochspannungssystem die Hochtemperaturleistung von SiC genutzt werden kann.

Traktionswechselrichter sind eine große Nachfrage nach leistungselektronischen Geräten.

Bei EV/HEV gibt es grundsätzlich drei Arten von Wandlern: Hauptwechselrichter, DC-DC-Wandler, Generator und OBC. Aufgrund seines hohen Leistungsniveaus ist der Hauptwechselrichter der größte Markt im Umrichter mit dem höchsten Leistungshalbleiteranteil. Daher wird erwartet, dass der wichtigste Wechselrichtermarkt bis 19.5 2026 Milliarden US-Dollar erreichen wird, was 67 % des Marktes für EV/HEV-Wandler entspricht, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26.9 %.

Was den Markt für Leistungshalbleiter betrifft, so wird aufgrund des erheblichen technischen Wettbewerbs zwischen IGBT- und SiC-Modulen erwartet, dass sich sein Wert zwischen 2020 und 2026 verdreifachen wird. Tatsächlich sind die aktuellen Kosten eines SiC-Moduls noch etwa dreimal so hoch wie die eines 650-V-IGBT-Moduls. Mit der Umstellung auf 8-Zoll-Wafer und der zunehmenden Beliebtheit von 1200-V-Geräten mit höherer Batteriespannung wird sich diese Lücke jedoch allmählich verringern.

Die Lieferkette von Elektro- und Hybridfahrzeugen wird weiterhin von der steigenden Nachfrage und den Technologietrends beeinflusst. Obwohl die führenden EV/HEV-Halbleiterhersteller mit anderen Halbleiterherstellern für Leistungsanwendungen (wie Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric und Anselme) übereinstimmen, sind andere Unternehmen (Tier 1, OEM, Leistungshalbleiterhersteller und reine Modulneulinge) bieten auch Leistungsmodule für EV/HEV an.

Eine ähnliche Situation herrscht im Bereich Batteriedesign und -herstellung, und OEMs wie Tesla und General Motors versuchen weiterhin, ihre Lieferketten zu kontrollieren. Der Wettbewerb auf OEM-Ebene hat auch zwei Hauptwege eröffnet: Zum einen verlagern traditionelle OEMs mit reifen Märkten und bekannten Marken ihr Geschäft auf Elektrofahrzeuge; Andererseits entstehen in verschiedenen Teilen der Welt reine Elektrofahrzeug-OEMs (wie Weilai, Rivian, Rimac, Tucki und Hezhong), und einige von ihnen, angeführt von Tesla, steigern ihre Verkäufe Jahr für Jahr rasch. Die neu eingeführten Modelle weisen in der Regel ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis auf, was zu einer kontinuierlichen Neugestaltung der Verkäufe der Top-Ten-Autos führt.

     

Markt für XEV-Leistungshalbleitergeräte (Mio. USD)

SiC wandelt auf dem roten Teppich von EV/HEV

Jetzt ist es für Autos, die kein SiC verwenden, peinlich, von elektrischem Fahren zu sprechen. In den letzten Jahren, insbesondere seit Tesla SiC in seinen Hauptwechselrichter Modell 3 eingeführt hat, hat die Einführung von SiC in Elektro- und Hybridfahrzeugen große Auswirkungen gehabt. Doch nicht alle Umrichter oder alle Arten von elektrifizierten Fahrzeugen sind für dieses teure Material geeignet.

Es besteht kein Zweifel daran, dass BEV der Gewinner der Einführung von SiC ist, da es eine lange Laufleistung und schnelle Ladezeiten erfordert. Daher werden durch die Verbesserung des Wandlerwirkungsgrads die erhöhten Wandlerkosten kompensiert, wodurch die Batteriekosten eingespart werden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Verwendung von SiC im Hauptwechselrichter zum gemeinsamen Ziel großer OEMs geworden ist und Daimler und Hyundai es bald in den Hauptwechselrichter integriert haben.

Obwohl die Kosten für SiC-Geräte höher sind als die für Silizium-Geräte, tragen sie dazu bei, die Batteriekosten zu senken und die Reichweite zu erhöhen, wodurch die Kosten für das gesamte Fahrzeug effektiv gesenkt werden. Durch den Einsatz eines SiC-Wechselrichters können etwa 200 US-Dollar pro Auto eingespart und die Größe und das Gewicht des Hauptwechselrichters reduziert werden.

Heutzutage haben Infineon, Cree (Wolfspeed) und stmicroelectronics eine Reihe von Geräten mit SiC-Chips vorgestellt. Viele Halbleiterhersteller betrachten SiC-Module als Ziel für Anwendungen in Elektrofahrzeugen. Es wird geschätzt, dass der SiC-Modulmarkt bis 2026 32 % des EV/HEV-Halbleitermarktes ausmachen wird.

     

Echo von SiC und 800V

Obwohl jeder OEM seine eigene SiC-Einführungsstrategie verfolgt, hat Tesla seine Leistung mit der SiC-Technologie erheblich verbessert, und die Einführung der 800-V-Batterie hat auch die Verwendung von SiC erhöht, und weitere OEMs folgen diesem Schritt. Derzeit verwenden Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy und Geely alle SiC-Geräte in OBC und DC-DC einiger ihrer Modelle; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely usw. verwendeten SiC-Geräte in Motorsteuerungen; Weitere Automobilhersteller werden SiC im Hauptwechselrichter einsetzen, darunter Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi und die Neuwagenhersteller Weilai, Tucki, Ideality usw. Viele Tier-1-Unternehmen haben ebenfalls SiC-Elektroantriebspläne veröffentlicht, darunter Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric und so weiter.

Eines ist sicher: Ob die Technologie gut oder schlecht ist, die Anwendung ist die beste. Im Automobilbereich werden SiC-Geräte noch lange Zeit neben siliziumbasierten Geräten existieren. In Bezug auf die Lokalisierung besteht im Vergleich zum Ausland immer noch eine gewisse Lücke im Herstellungsprozess inländischer SiC-Geräte, insbesondere die Ausbeute muss weiter verbessert werden. Eine weitere wichtige Frage ist, ob sich Automobilhersteller trauen, Haushaltsgeräte zu verwenden, was einen gewissen Mut und eine wissenschaftliche Einstellung erfordert und einige Zeit in Anspruch nimmt, um sie auf der Straße zu testen und zu verifizieren.

Beschleunigung der serienmäßigen Einführung der Elektrifizierung

Die Umsetzung der ursprünglichen Strategie der Fahrzeugelektrifizierung beschleunigt sich, da Dieselfahrzeuge in einigen Gebieten/Städten verboten sind und die Präferenz der Kunden für SUV-Fahrzeuge zunimmt. Volkswagens „Dieseltür“, „Tesla-Effekt“, Anreize für emissionsfreie Fahrzeuge in China, Reduzierung der Batteriekosten, Ziel zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen, NEDC (Neue Europäische Fahrbedingungen) →WLTP (Global Unified Light Vehicle Test Procedure), einschließlich der Die Ausbreitung der COVID-19-Epidemie treibt den Prozess der Elektrifizierung von Fahrzeugen voran.

     

Beschleunigung der Fahrzeugelektrifizierung

Derzeit kann in der Leistungselektroniktechnologie von EV/HEV der Hauptwechselrichter entweder ein diskretes Gerät oder ein Modul sein, je nach Elektrifizierungstyp und dem vom Hersteller gewählten unterschiedlichen Leistungsniveau. Der 48-12-V-DC-DC ist im Grunde ein diskretes 80-100-V-Gerät. HV-12V DC-DC ist im Grunde ein diskretes Gerät mit 500–650 V und 80–100 V; OBC ist im Grunde ein diskretes 600-650-V-Gerät. Der Aufwärtswandler ist im Grunde ein diskretes 600-V-Gerät.

     

Für jeden xEV-Typ verwendete Leistungsgeräte

Daher verfügen Module, insbesondere SiC-Leistungsgeräte und -Module, über einen großen Einführungsraum. Einige ausländische OEMs begannen 2018, SiC-Schottky-Barrieredioden und MOSFETs auf OBC zu verwenden. Danach stieg die Marktdurchdringung weiter an, und dann gingen sie zu Motorsteuerungen und Hauptwechselrichtern mit höheren Zuverlässigkeitsanforderungen über. Dies ist auch der Prozess des Übergangs von diskreten Geräten zu reinen SiC-Modulen.

Die größte Importnachfrage besteht bei Elektrofahrzeugen mit großer Reichweite. Es wird erwartet, dass die SiC-Penetrationsrate von Motorsteuerungen von Fahrzeugen mit einer Reichweite von über 500 km bis 100 nahezu 2024 % betragen wird; Die Gesamtdurchdringungsrate von Fahrzeugen unter 500 km kann 40 % erreichen.

Zweifellos haben fast alle OEMs von Elektrofahrzeugen den Einsatz von SiC-Geräten in neue Projektentwicklungspläne einbezogen, und es wird erwartet, dass SiC im Jahr 2025 zum explosiven Knotenpunkt auf dem Markt für Elektrofahrzeuge werden wird.

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