Para 2026, el estricto objetivo de emisiones de CO2 hará que la proporción de vehículos eléctricos/vehículos híbridos (EV/HEV) en todos los turismos alcance el 38%, lo que significa que diversas tecnologías de semiconductores y dispositivos de energía obtendrán una oportunidad de mercado de 5.6 millones de dólares. Este es el juicio de Yole Dedevelopment, una empresa de investigación de mercado, en Tecnología de electrónica de potencia de vehículos eléctricos en 2021.

Hay tantos tipos de coches eléctricos.

Ya sea EV o HEV, es un vehículo eléctrico o xEV. Su clasificación específica es la siguiente:

Vehículo eléctrico híbrido suave (MHEV): vehículos que utilizan un motor de combustión interna (o motor térmico) y un motor eléctrico, que generalmente utilizan un motor ICE auxiliar con una potencia de 10 a 20 kW, incluidos los vehículos de 48 V (híbridos suaves) equipados con baterías de bajo voltaje.

Vehículo eléctrico híbrido (HEV completo, HEV fuerte): vehículo que utiliza un motor de combustión interna y un motor eléctrico. El motor eléctrico funciona con una batería de alto voltaje, que puede proporcionar alta potencia al motor. El rango de potencia es de 70 a 170 kW y la batería no se puede cargar desde la red eléctrica. La capacidad de energía de su batería es relativamente baja (entre 2 y 5 kWh), por lo que la autonomía en modo E es limitada (varios kilómetros);

Vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV): un vehículo que utiliza un motor de combustión interna y un motor eléctrico (como un híbrido completo). La batería del PHEV se puede cargar desde la red eléctrica, por lo que contiene un cargador a bordo y un enchufe de carga. La capacidad de la batería es mayor que la del HEV completo, normalmente alrededor de 9kWh. Si se utiliza un cargador bidireccional, el automóvil se puede utilizar como fuente de energía para aplicaciones V2G (vehículo a red) y V2H (vehículo a hogar).

Vehículo Eléctrico de Autonomía Extendida (EREV): Es un vehículo eléctrico de batería que incluye una unidad de potencia auxiliar (APU) denominada “extensor de kilometraje”. Este pequeño generador suele ser un motor de combustión interna (ICE), pero también se puede utilizar una pila de combustible. El generador carga la batería, que suministra energía al motor del vehículo. Esta disposición se denomina sistema de propulsión híbrido en serie. El extensor de kilometraje no es adecuado para el uso diario y solo se aplica en el caso en que el conductor necesite ampliar el kilometraje del vehículo para llegar a la siguiente estación de carga.

Vehículo eléctrico de combustible (FCEV, FCV o vehículo propulsado por hidrógeno): Tiene sólo motor (sin motor ICE), y suele denominarse vehículo propulsado por hidrógeno. En realidad, se trata de un vehículo eléctrico que genera electricidad a partir de hidrógeno mediante una pila de combustible. FCEV contiene baterías (o bancos de supercondensadores) para lograr determinadas funciones, como la recuperación de energía de frenado, etc. La batería es una batería de alto voltaje, que normalmente tiene una capacidad energética baja (varios kWh). Algunos FCEV utilizan baterías más grandes (alrededor de 10 kWh, que se pueden cargar desde la red eléctrica, similar a los PHEV, para lograr una conducción más limpia (suponiendo que la electricidad de carga se genere a partir de fuentes de energía renovables limpias, como la energía fotovoltaica o eólica). El cargador bidireccional en FCEV se puede utilizar como fuente de alimentación para aplicaciones V2G y V2H.

Vehículo de nueva energía (NEV): término utilizado por el gobierno chino, que incluye PHEV, BEV, FCEV, etc. La formulación de vehículos de nueva energía puede hacer que las políticas emitidas por el Estado sean más sostenibles, cubran más iteraciones técnicas y ayuden a lograr una transición sin problemas. A través de mecanismos periódicos de ajuste y retiro, se alienta constantemente a las empresas a probar nuevas tecnologías. En los automóviles tradicionales, existe una gran brecha entre China y los países extranjeros, especialmente en los motores, que implican altas barreras técnicas. Hacer cosas nuevas, la brecha con el extranjero no es grande, para evitar ser eliminado por tecnología extranjera en el futuro.

En los últimos años, el mercado de xEV se ha desarrollado rápidamente, gracias al compromiso de los gobiernos de alcanzar la neutralidad de carbono en 2050. La adopción de vehículos eléctricos es la clave para reducir las emisiones de dióxido de carbono, y los fabricantes de equipos originales, de nivel 1 y de semiconductores de potencia evolucionarán con el crecimiento de los vehículos eléctricos.

En la aplicación xEV, el nivel del sistema incluye el inversor principal y el generador, el convertidor elevador, el convertidor CC-CC y el cargador del vehículo; Los tipos de paquetes incluyen módulos de fuente de alimentación y discretos; Los dispositivos de potencia incluyen MOSFET de silicio, IGBT de silicio, BJT de silicio (transistor bipolar), MOSFET de carburo de silicio (SiC) y HEMT de nitruro de galio (GaN), etc.

BEV lidera la tecnología de alto voltaje

Con los estrictos objetivos de reducción de emisiones de dióxido de carbono y neutralidad de carbono de varios países, la industria automotriz ha dado un gran paso hacia la electrificación de los automóviles. Aunque cada OEM tiene diferentes estrategias de electrificación, especialmente en diferentes regiones, tienen un objetivo común, es decir, aumentar la proporción de BEV en su flota. La electrificación híbrida seguirá siendo una opción en los próximos 10 a 15 años, aunque no cumple el objetivo a largo plazo de la neutralidad de carbono.

A pesar de la influencia de la epidemia de COVID-19, la tecnología BEV impulsada por la electrificación global todavía se está acelerando, los dispositivos electrónicos de potencia en diferentes convertidores como el inversor de tracción, DC-DC, OBC (cargador a bordo) continúan aumentando, los EV /HEV está pasando a 48 V y la tendencia de la batería también está cambiando de 400 V a 800 V.

La elección de la electrificación está directamente relacionada con la elección de la arquitectura técnica de la potencia del convertidor o de la capacidad de la batería, lo que conducirá a características de rendimiento completamente diferentes de los distintos vehículos. Yole espera que en los próximos cinco años, con la incorporación de baterías de 48 V en los automóviles, el mercado de semiconductores de potencia relacionado con MHEV siga creciendo. Además, desde los vehículos híbridos hasta los BEV, el contenido de semiconductores de cada vehículo aumentará con la mejora del nivel de electrificación.

De hecho, BEV está promoviendo el rápido desarrollo de esta tecnología. En este sentido, los usuarios obviamente necesitan conducir una distancia más larga en un tiempo de carga más corto, al tiempo que reducen el coste. Hay varias formas de aumentar la autonomía, como optimizar el diseño de la batería para aumentar su capacidad energética o mejorar la eficiencia del inversor. Por otro lado, para reducir el tiempo de carga de las baterías, se utilizan cargadores de alta potencia (hasta 350 kW) en todo el mundo. Para evitar los desafíos asociados con los altos niveles de corriente, la tendencia de desarrollo es aumentar el voltaje de la batería. Aumentar el voltaje de la batería de los actuales 400 V a 800 V puede lograr una carga más rápida y proporcionar un alto valor agregado para los usuarios de automóviles.

De hecho, Porsche y Hyundai ya han adoptado baterías de 800 V y otras empresas seguirán su ejemplo. Como el inversor principal funciona a un voltaje más alto, sus componentes semiconductores de potencia también deben tener un voltaje nominal más alto, generalmente 1200 V V. La transición de componentes de 600V-750V a componentes de 1200V ha brindado nuevas oportunidades comerciales a algunos proveedores, mientras que el negocio de otros se reducirá. La elección de la electrificación de vehículos y las diferentes opciones tecnológicas conducirán a diferentes estrategias adoptadas por los principales fabricantes de equipos originales.

Principales factores impulsores de los vehículos eléctricos

La autonomía de los vehículos eléctricos no sólo está determinada por la batería, sino que también la eficiencia de todo el sistema eléctrico juega un papel importante. Un equipo del Instituto Flawn Hof de Fiabilidad y Microintegración (IZM) de Berlín está desarrollando una unidad de control electrónico-inversor de potencia para el sistema eléctrico puro del Porsche Mission E, que puede convertir la energía entre la batería y el motor de forma más eficaz que el esquema existente. .

Inversor de corriente Porsche SiC

Los investigadores y expertos de sus socios industriales utilizan transistores semiconductores de SiC especialmente eficientes para garantizar que la potencia consumida por la corriente que fluye a través de los transistores sea menor. Quieren utilizar la menor cantidad de transistores, porque cada dispositivo de SiC consumirá algo de energía y deberá enfriarse. Los investigadores rediseñaron los elementos de refrigeración del inversor de potencia para lograr el mejor efecto de refrigeración. Al optimizar el sistema de transmisión de esta manera, el kilometraje de los vehículos eléctricos aumentará en un 6%.

Para resolver el problema de que diferentes materiales del módulo de potencia tienen diferentes tasas de expansión, el nuevo elemento de enfriamiento adopta una placa de metal muy delgada para compensar la tensión causada por la ligera deformación durante el calentamiento o enfriamiento y prolongar la vida útil. Para reducir la tensión del módulo inversor de potencia, la estructura compuesta por elementos de refrigeración y transistores de SiC se conecta con el resto del sistema electrónico retorciendo finos cables de cobre flexibles para evitar grietas. Se puede ver que el sistema de alto voltaje de 800 V es justo donde se puede utilizar el rendimiento de alta temperatura del SiC.

El inversor de tracción es una gran demanda para los dispositivos electrónicos de potencia.

Básicamente existen tres tipos de convertidores en EV/HEV: inversor principal, convertidor DC-DC, generador y OBC. Debido a su alto nivel de potencia, el inversor principal es el convertidor más grande del mercado, con el mayor contenido de semiconductores de potencia. Por lo tanto, se espera que el principal mercado de inversores alcance los 19.5 millones de dólares en 2026, lo que representa el 67% del mercado de convertidores EV/HEV, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 26.9%.

En lo que respecta al mercado de semiconductores de potencia, debido a la importante competencia técnica entre los módulos IGBT y SiC, se espera que su valor se triplique entre 2020 y 2026. De hecho, el costo actual del módulo SiC todavía es aproximadamente tres veces el del módulo IGBT de 650 V, pero cuando el lote de producción sea más grande, con la transición a obleas de 8 pulgadas y la popularidad de los dispositivos de 1200 V con mayor voltaje de batería, esta brecha se reducirá gradualmente.

La cadena de suministro de EV/HEV continúa viéndose afectada por la creciente demanda y las tendencias tecnológicas. Aunque los principales fabricantes de semiconductores EV/HEV son consistentes con otros fabricantes de semiconductores para aplicaciones de energía (como Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric y Anselme), otras empresas (Nivel 1, OEM, fabricantes de semiconductores de potencia y recién llegados de módulos puros) También proporcionamos módulos de potencia para EV/HEV.

Una situación similar ocurre en el campo del diseño y fabricación de baterías, y los fabricantes de equipos originales como Tesla y General Motors están intentando controlar aún más sus cadenas de suministro. La competencia a nivel de OEM también ha abierto dos vías principales: una es que los OEM tradicionales con mercados maduros y marcas reconocidas están dirigiendo su negocio a los vehículos eléctricos; Por otro lado, están surgiendo fabricantes de vehículos totalmente eléctricos en diferentes partes del mundo (como Weilai, Rivian, Rimac, Tucki y Hezhong), y algunos de ellos, liderados por Tesla, están aumentando rápidamente sus ventas año tras año. Los nuevos modelos introducidos suelen tener una mejor relación coste-beneficio, lo que lleva a una continua remodelación de las ventas de los diez primeros coches.

Mercado de dispositivos semiconductores de potencia XEV (millones de dólares)

SiC camina sobre la alfombra roja de los EV/HEV

Ahora, a los coches que no utilizan SiC les da vergüenza llamarlos viajes eléctricos. En los últimos años, especialmente desde que Tesla introdujo el SiC en su inversor principal Modelo 3, la adopción del SiC en EV/HEV ha causado grandes repercusiones. Pero no todos los convertidores ni todos los tipos de vehículos electrificados son adecuados para este costoso material.

No hay duda de que BEV es el ganador en la adopción de SiC, porque requiere un largo kilometraje y un tiempo de carga rápido. Por lo tanto, con la mejora de la eficiencia del convertidor, se compensa el mayor coste del convertidor, ahorrando así el coste de la batería. Por lo tanto, no sorprende que el uso de SiC en el inversor principal se haya convertido en el objetivo común de los principales fabricantes de equipos originales, y Daimler y Hyundai pronto lo incorporaron al inversor principal.

Aunque el costo de los dispositivos de SiC es mayor que el de los dispositivos de silicio, ayuda a reducir el costo de la batería y aumentar el alcance de crucero, reduciendo así efectivamente el costo de todo el vehículo. El uso del inversor SiC puede ahorrar alrededor de $200 por automóvil y reducir el tamaño y el peso del inversor principal.

Hoy en día, Infineon, Cree(Wolfspeed) y stmicroelectronics han introducido una serie de dispositivos con chips de SiC. Muchos fabricantes de semiconductores consideran que los módulos de SiC son el objetivo de las aplicaciones de vehículos eléctricos. Se estima que para 2026, el mercado de módulos de SiC representará el 32% del mercado de semiconductores EV/HEV.

Eco de SiC y 800V

Aunque cada OEM tiene su propia estrategia de adopción de SiC, Tesla ha mejorado significativamente su rendimiento con la tecnología SiC y la adopción de la batería de 800 V también ha aumentado el uso de SiC, y más OEM están haciendo un seguimiento. En la actualidad, Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy y Geely utilizan dispositivos SiC en OBC y DC-DC de algunos de sus modelos; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely, etc. utilizaron dispositivos de SiC en controladores de motores; Más empresas de automóviles adoptarán SiC en el inversor principal, incluidas Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi y los fabricantes de automóviles nuevos Weilai, Tucki, Ideality, etc. Muchas empresas de nivel 1 también han lanzado planes de propulsión eléctrica de SiC, incluidas Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric, etc.

Una cosa es segura, ya sea que la tecnología sea buena o mala, la aplicación es la mejor. En el ámbito de la automoción, los dispositivos de SiC coexistirán con los dispositivos basados ​​en silicio durante mucho tiempo. En términos de localización, en comparación con países extranjeros, todavía existe una cierta brecha en el proceso de fabricación de dispositivos de SiC nacionales, especialmente la tasa de rendimiento debe mejorarse aún más. Otra cuestión clave es si las empresas de automóviles se atreven a utilizar dispositivos domésticos, lo que requiere cierto coraje y actitud científica, y lleva algún tiempo probarlo y verificarlo en la carretera.

Acelerar la introducción por lotes de electrificación

La implementación de la estrategia inicial de electrificación de vehículos se está acelerando, porque los vehículos diésel están prohibidos en algunas áreas/ciudades y la preferencia de los clientes por los vehículos SUV está aumentando. La "puerta diésel" de Volkswagen, el "efecto Tesla", incentivos para los vehículos de cero emisiones en China, reducción del coste de las baterías, objetivo de reducción de las emisiones de dióxido de carbono, NEDC (Nuevas Condiciones de Conducción Europeas) →WLTP (Procedimiento Global Unificado de Pruebas de Vehículos Ligeros), incluido el La epidemia de COVID-19 está promoviendo el proceso de electrificación de los vehículos.

Aceleración de la electrificación de vehículos

En la actualidad, en la tecnología de electrónica de potencia de EV/HEV, el inversor principal puede ser un dispositivo discreto o un módulo según el tipo de electrificación y el diferente nivel de potencia seleccionado por el fabricante. El 48-12V DC-DC es básicamente un dispositivo discreto de 80-100V; HV-12V DC-DC es básicamente un dispositivo discreto de 500-650 V y 80-100 V; OBC es básicamente un dispositivo discreto de 600-650 V; El convertidor elevador es básicamente un dispositivo discreto de 600 V.

Dispositivos de alimentación utilizados para cada tipo de xEV

Por lo tanto, los módulos, especialmente los dispositivos y módulos de potencia de SiC, tienen un gran espacio para su introducción. Algunos fabricantes de equipos originales extranjeros comenzaron a utilizar diodos de barrera Schottky de SiC y MOSFET en OBC en 2018. Después de eso, la tasa de penetración en el mercado siguió aumentando y luego hicieron la transición a controladores de motor e inversores principales con mayores requisitos de confiabilidad. Este es también el proceso de transición de dispositivos discretos a módulos totalmente de SiC.

La mayor demanda de importación son los vehículos eléctricos con una larga autonomía de crucero. Se espera que la tasa de penetración de SiC en los controladores de motores de vehículos con una autonomía de más de 500 km se acerque al 100 % en 2024; La tasa de penetración global de vehículos de menos de 500 kilómetros puede alcanzar el 40%.

Sin duda, casi todos los fabricantes de vehículos eléctricos han incluido la aplicación de dispositivos de SiC en sus planes de desarrollo de nuevos proyectos, y se espera que el SiC se convierta en el nodo explosivo del mercado de vehículos eléctricos en 2025.

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