تا سال 2026، هدف دقیق انتشار CO2 باعث می شود که سهم وسایل نقلیه الکتریکی/خودروهای هیبریدی (EVs/HEV) در تمام خودروهای سواری به 38 درصد برسد، که به این معنی است که فناوری های مختلف نیمه هادی و دستگاه های قدرت، فرصتی معادل 5.6 میلیارد دلار در بازار به دست خواهند آورد. این قضاوت Yole Dedevelopment، یک شرکت تحقیقات بازار، در فناوری Power Electronics of Electric Vehicles در سال 2021 است.

انواع ماشین های برقی بسیار زیاد است.

خواه EV باشد یا HEV، خودروی الکتریکی باشد یا xEV. طبقه بندی خاص آن به شرح زیر است:

               

خودروی الکتریکی هیبریدی ملایم (MHEV): خودروهایی که از موتور احتراق داخلی (یا موتور حرارتی) و موتور الکتریکی استفاده می کنند، معمولاً از موتور کمکی ICE با قدرت 10-20 کیلووات استفاده می کنند، از جمله خودروهای 48 ولت (هیبریدی ملایم) مجهز به باتری های ولتاژ پایین.

               

وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدی (HEV کامل، HEV قوی): وسیله نقلیه ای که از موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی استفاده می کند. انرژی موتور الکتریکی توسط یک باتری ولتاژ بالا تامین می شود که می تواند قدرت بالایی را برای موتور تامین کند. محدوده توان 70-170 کیلو وات است و باتری را نمی توان از شبکه برق شارژ کرد. ظرفیت انرژی باتری آن نسبتا کم است (حدود 2-5 کیلووات ساعت)، بنابراین برد رانندگی در حالت E محدود است (چند کیلومتر).

               

خودروی برقی هیبریدی پلاگین (PHEV): وسیله نقلیه ای که از یک موتور احتراق داخلی و یک موتور الکتریکی (مانند یک هیبرید کامل) استفاده می کند. باتری PHEV را می توان از شبکه برق شارژ کرد، بنابراین حاوی یک شارژر داخلی و یک دوشاخه شارژ است. ظرفیت باتری بیشتر از ظرفیت کامل HEV است، معمولاً حدود 9 کیلووات ساعت. اگر از شارژر دو طرفه استفاده می شود، خودرو می تواند به عنوان منبع تغذیه برای برنامه های V2G (خودرو به شبکه) و V2H (از وسیله نقلیه به خانه) استفاده شود.

               

وسیله نقلیه الکتریکی با برد طولانی (EREV): این یک وسیله نقلیه الکتریکی با باتری است که شامل یک واحد قدرت کمکی (APU) به نام "میزان کننده مسافت پیموده شده" است. این ژنراتور کوچک معمولاً یک موتور احتراق داخلی (ICE) است، اما می توان از پیل سوختی نیز استفاده کرد. ژنراتور باتری را شارژ می کند که نیروی موتور خودرو را تامین می کند. به این ترتیب، پیشرانه هیبریدی سری می گویند. افزایش دهنده مسافت پیموده شده برای استفاده روزانه مناسب نیست و فقط برای مواردی کاربرد دارد که راننده باید مسافت پیموده شده خودرو را افزایش دهد تا به ایستگاه شارژ بعدی برسد.

                               

وسیله نقلیه الکتریکی سوختی (FCEV، FCV یا وسیله نقلیه هیدروژنی): فقط دارای موتور (بدون موتور ICE) است و معمولاً وسیله نقلیه هیدروژنی نامیده می شود. در واقع، این وسیله نقلیه الکتریکی است که از هیدروژن از طریق پشته پیل سوختی برق تولید می کند. FCEV حاوی باتری ها (یا بانک های خازن فوق العاده) برای دستیابی به عملکردهای خاصی مانند بازیابی انرژی ترمز و غیره است. باتری یک باتری ولتاژ بالا است که معمولاً ظرفیت انرژی پایینی دارد (چند کیلووات ساعت). برخی از FCEV از باتری‌های بزرگ‌تر (حدود 10 کیلووات ساعت، که می‌تواند از شبکه برق شارژ شود، مشابه PHEV، برای دستیابی به رانندگی تمیزتر استفاده می‌کنند (با فرض اینکه برق شارژ شده توسط منابع انرژی تجدیدپذیر پاک، مانند انرژی فتوولتائیک یا باد تولید می‌شود). شارژر دو طرفه در FCEV می تواند به عنوان منبع تغذیه برای برنامه های V2G و V2H استفاده شود.

وسیله نقلیه انرژی جدید (NEV): اصطلاحی که توسط دولت چین استفاده می شود، از جمله PHEV، BEV، FCEV و غیره. تدوین وسایل نقلیه انرژی جدید می تواند سیاست های صادر شده توسط دولت را پایدارتر کند، تکرارهای فنی بیشتری را پوشش دهد و به انتقال آرام کمک کند. از طریق تنظیم دوره ای و مکانیسم برداشت، شرکت ها به طور مداوم تشویق می شوند تا فناوری های جدید را امتحان کنند. در خودروهای سنتی شکاف بزرگی بین چین و کشورهای خارجی به خصوص موتورها وجود دارد که موانع فنی بالایی را در بر می گیرد. چیزهای جدید بسازید، شکاف با کشورهای خارجی زیاد نیست تا در آینده توسط فناوری خارجی حذف نشوید.

در سال های اخیر، بازار xEV به لطف تعهد دولت ها برای دستیابی به بی طرفی کربن در سال 2050 به سرعت توسعه یافته است. استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی کلید کاهش انتشار دی اکسید کربن است و سازندگان OEM، Tier 1 و نیمه هادی های قدرت با رشد وسایل نقلیه الکتریکی تکامل خواهند یافت.

در برنامه xEV، سطح سیستم شامل اینورتر و ژنراتور اصلی، مبدل تقویت کننده، مبدل DC-DC و شارژر خودرو است. انواع بسته شامل ماژول های منبع تغذیه گسسته و منبع تغذیه است. دستگاه‌های قدرت شامل MOSFET سیلیکونی، IGBT سیلیکونی، BJT سیلیکونی (ترانزیستور دوقطبی)، MOSFET سیلیکون کاربید (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) HEMT و غیره هستند.

BEV فناوری ولتاژ بالا را هدایت می کند

با کاهش شدید انتشار دی اکسید کربن و اهداف خنثی کربن در کشورهای مختلف، صنعت خودرو گام بزرگی به سمت الکتریکی شدن خودروها برداشته است. اگرچه هر OEM استراتژی های برق رسانی متفاوتی دارد، به ویژه در مناطق مختلف، اما آنها یک هدف مشترک دارند، یعنی افزایش سهم BEV در ناوگان خود. برقی‌سازی هیبریدی هنوز یک گزینه در 10 تا 15 سال آینده است، اگرچه هدف بلندمدت خنثی‌سازی کربن را برآورده نمی‌کند.

علی‌رغم تأثیر همه‌گیری COVID-19، فناوری BEV که توسط برق‌رسانی جهانی هدایت می‌شود، همچنان در حال شتاب است، دستگاه‌های الکترونیکی قدرت در مبدل‌های مختلف مانند اینورتر کششی، DC-DC، OBC (شارژر داخلی) همچنان در حال افزایش است. سیستم /HEV در حال انتقال به 48 ولت است و روند باتری نیز از 400 ولت به 800 ولت تغییر می کند.

انتخاب برقی ارتباط مستقیمی با انتخاب معماری فنی توان مبدل یا ظرفیت باتری دارد که منجر به ویژگی های عملکردی کاملاً متفاوت وسایل نقلیه مختلف می شود. Yole انتظار دارد که در پنج سال آینده، با اضافه شدن باتری های 48 ولتی در خودروها، بازار نیمه هادی های برق مرتبط با MHEV به رشد خود ادامه دهد. علاوه بر این، از خودروهای هیبریدی گرفته تا BEV، محتوای نیمه هادی هر خودرو با بهبود سطح الکتریکی افزایش می یابد.

در واقع، BEV توسعه سریع این فناوری را ترویج می کند. از این نظر، کاربران بدیهی است که با کاهش هزینه، مسافت طولانی تری را در مدت زمان شارژ کوتاه تر رانندگی کنند. راه های مختلفی برای افزایش برد رانندگی وجود دارد، مانند بهینه سازی طراحی باتری برای افزایش ظرفیت انرژی آن یا بهبود راندمان اینورتر. از سوی دیگر، به منظور کاهش زمان شارژ باتری، شارژرهای پرقدرت (تا 350 کیلووات) در سراسر جهان مستقر هستند. به منظور اجتناب از چالش های مرتبط با سطوح بالای جریان، روند توسعه افزایش ولتاژ باتری است. افزایش ولتاژ باتری از 400 ولت فعلی به 800 ولت می تواند باعث شارژ سریعتر شود و ارزش افزوده بالایی را برای کاربران خودرو فراهم کند.

در واقع، پورشه و هیوندای قبلاً باتری‌های 800 ولتی را به کار گرفته‌اند و سایر شرکت‌ها نیز از این روش پیروی خواهند کرد. از آنجایی که اینورتر اصلی با ولتاژ بالاتری کار می کند، اجزای نیمه هادی قدرت آن نیز باید دارای ولتاژ بالاتری باشند، معمولاً 1200 ولت ولت. انتقال از قطعات 600-750 ولت به قطعات 1200 ولت، فرصت های تجاری جدیدی را برای برخی از تامین کنندگان به ارمغان آورده است، در حالی که تجارت دیگران کاهش خواهد یافت. انتخاب برقی‌سازی خودرو و انتخاب‌های مختلف فناوری منجر به استراتژی‌های متفاوتی می‌شود که توسط OEM‌های اصلی اتخاذ می‌شوند.

     

عوامل اصلی محرک خودروهای الکتریکی

محدوده کروز خودروهای الکتریکی نه تنها توسط باتری تعیین می شود، بلکه کارایی کل سیستم قدرت نیز نقش مهمی ایفا می کند. تیمی از موسسه قابلیت اطمینان و میکرو ادغام فلاون هاف (IZM) در برلین در حال توسعه یک اینورتر واحد کنترل الکترونیکی قدرت برای سیستم برق خالص Mission E پورشه است که می تواند انرژی بین باتری و موتور را به طور موثرتری نسبت به طرح موجود تبدیل کند. .

     

اینورتر قدرت پورشه SiC

محققان و کارشناسان شرکای صنعتی خود از ترانزیستورهای نیمه هادی SiC به خصوص کارآمد استفاده می کنند تا اطمینان حاصل کنند که توان مصرف شده توسط جریان عبوری از ترانزیستورها کمتر است. آنها می خواهند از کمترین تعداد ترانزیستور استفاده کنند، زیرا هر دستگاه SiC مقداری انرژی مصرف می کند و باید خنک شود. محققان برای دستیابی به بهترین اثر خنک کننده، عناصر خنک کننده اینورتر برق را دوباره طراحی کردند. با بهینه سازی سیستم انتقال به این روش، مسافت پیموده شده خودروهای برقی در نهایت 6 درصد افزایش می یابد.

برای حل این مشکل که مواد مختلف ماژول قدرت دارای نرخ‌های انبساط متفاوتی هستند، عنصر خنک‌کننده جدید از صفحه فلزی بسیار نازک استفاده می‌کند تا استرس ناشی از تغییر شکل جزئی در طول گرمایش یا سرمایش را جبران کند و عمر مفید را طولانی‌تر کند. برای کاهش تنش ماژول اینورتر قدرت، ساختار متشکل از عناصر خنک کننده و ترانزیستورهای SiC با چرخاندن سیم های نازک مسی انعطاف پذیر به بقیه سیستم الکترونیکی متصل می شود تا از ترک خوردن جلوگیری شود. می توان دید که سیستم ولتاژ بالا 800 ولت دقیقاً جایی است که می توان از عملکرد SiC در دمای بالا استفاده کرد.

اینورتر کششی یک تقاضای بزرگ برای دستگاه های الکترونیکی قدرت است.

اساساً سه نوع مبدل در EV/HEV وجود دارد: اینورتر اصلی، مبدل DC-DC، ژنراتور و OBC. اینورتر اصلی به دلیل سطح توان بالایی که دارد، بزرگترین بازار مبدل است، با بالاترین محتوای نیمه هادی قدرت. بنابراین، انتظار می‌رود بازار اصلی اینورتر تا سال 19.5 به 2026 میلیارد دلار برسد که 67 درصد از بازار مبدل‌های EV/HEV را با نرخ رشد سالانه 26.9 درصد تشکیل می‌دهد.

با توجه به بازار نیمه‌هادی‌های قدرت، به دلیل رقابت فنی قابل توجه بین ماژول‌های IGBT و SiC، انتظار می‌رود ارزش آن از سال ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۶ سه برابر شود. در واقع، هزینه فعلی ماژول SiC هنوز حدود سه برابر ماژول IGBT با ولتاژ ۶۵۰ ولت است، اما وقتی تعداد تولید بیشتر شود، با گذار به ویفرهای ۸ اینچی و محبوبیت دستگاه‌های ۱۲۰۰ ولتی با ولتاژ باتری بالاتر، این فاصله به تدریج کاهش می‌یابد.

زنجیره تامین EV/HEV همچنان تحت تاثیر افزایش تقاضا و روندهای فناوری قرار دارد. اگرچه تولیدکنندگان پیشرو نیمه هادی EV/HEV با سایر تولیدکنندگان نیمه هادی برای کاربردهای برق (مانند Infineon، stmicroelectronics، Hitachi، Mitsubishi Electric و Anselme)، سایر شرکت ها (Tier 1، OEM، تولید کنندگان نیمه هادی های قدرت، و تازه واردان ماژول خالص) سازگار هستند. همچنین ماژول های برق برای EV/HEV ارائه می کنند.

وضعیت مشابهی در زمینه طراحی و ساخت باتری رخ می دهد و شرکت های OEM مانند تسلا و جنرال موتورز بیشتر در تلاش برای کنترل زنجیره تامین خود هستند. رقابت در سطح OEM دو مسیر اصلی را نیز باز کرده است: یکی این که OEM های سنتی با بازارهای بالغ و مارک های معروف کسب و کار خود را به سمت وسایل نقلیه الکتریکی سوق می دهند. از سوی دیگر، OEM های خودروهای الکتریکی خالص در نقاط مختلف جهان (مانند Weilai، Rivian، Rimac، Tucki و Hezhong) در حال ظهور هستند و برخی از آنها به رهبری تسلا، سال به سال به سرعت فروش خود را افزایش می دهند. مدل های جدید معرفی شده معمولاً عملکرد هزینه بهتری دارند که منجر به تغییر شکل مداوم فروش ده خودروی برتر می شود.

     

بازار دستگاه های نیمه هادی قدرت XEV (میلیون دلار)

SiC روی فرش قرمز EV/HEV راه می‌رود

در حال حاضر، خودروهایی که از SiC استفاده نمی کنند، خجالت می کشند که به آنها سفر الکتریکی بگویند. در چند سال گذشته، به ویژه از زمانی که تسلا SiC را در اینورتر اصلی مدل 3 خود معرفی کرد، پذیرش SiC در EV/HEV بازتاب‌های زیادی را به همراه داشته است. اما همه مبدل ها یا انواع وسایل نقلیه برقی برای این ماده گران قیمت مناسب نیستند.

شکی نیست که BEV برنده پذیرش SiC است، زیرا به مسافت پیموده شده طولانی و زمان شارژ سریع نیاز دارد. بنابراین، با بهبود راندمان مبدل، افزایش هزینه مبدل جبران می شود و در نتیجه در هزینه باتری صرفه جویی می شود. بنابراین، جای تعجب نیست که استفاده از SiC در اینورتر اصلی به هدف مشترک سازندگان اصلی OEM تبدیل شده است و دایملر و هیوندای به زودی آن را در اینورتر اصلی قرار دادند.

اگرچه هزینه دستگاه‌های SiC بالاتر از دستگاه‌های سیلیکونی است، اما به کاهش هزینه باتری و افزایش برد کروز کمک می‌کند، بنابراین به طور موثر هزینه کل وسیله نقلیه را کاهش می‌دهد. استفاده از اینورتر SiC می تواند حدود 200 دلار در هر خودرو صرفه جویی کند و اندازه و وزن اینورتر اصلی را کاهش دهد.

امروزه Infineon، Cree (Wolfspeed) و stmicroelectronics یک سری دستگاه با تراشه های SiC معرفی کرده اند. بسیاری از تولیدکنندگان نیمه‌رسانا، ماژول‌های SiC را هدف کاربردهای خودروهای الکتریکی می‌دانند. تخمین زده می شود که تا سال 2026، بازار ماژول SiC 32 درصد از بازار نیمه هادی های EV/HEV را به خود اختصاص دهد.

     

اکو سی سی و 800 ولت

اگرچه هر OEM استراتژی پذیرش SiC خود را دارد، تسلا عملکرد خود را با فناوری SiC به طور قابل توجهی بهبود بخشیده است و استفاده از باتری 800 ولت نیز استفاده از SiC را افزایش داده است و OEM های بیشتری در حال پیگیری هستند. در حال حاضر، شانگهای فولکس واگن، نیسان، BYD، Beiqi نیو انرژی و جیلی همه از دستگاه های SiC در OBC و DC-DC برخی از مدل های خود استفاده می کنند. Tesla، BYD، Yutong Bus، Geely و غیره از دستگاه های SiC در کنترل کننده های موتور استفاده کردند. شرکت‌های خودروسازی بیشتری از SiC در اینورتر اصلی استفاده خواهند کرد، از جمله Hongqi، Beiqi New Energy، Jianghuai Automobile، Hyundai، Honda، BMW، Audi، و خودروسازان جدید Weilai، Tucki، Ideality و غیره. بسیاری از شرکت های سطح 1 نیز طرح های درایو الکتریکی SiC را منتشر کرده اند، از جمله Bosch، Delphi، ZF، Valeo، Weipai Technology، Jingjin Electric و غیره.

یک چیز مسلم است، چه تکنولوژی خوب باشد چه بد، اپلیکیشن بهترین است. در زمینه خودرو، دستگاه‌های SiC برای مدت طولانی با دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون همزیستی خواهند داشت. از نظر بومی سازی، در مقایسه با کشورهای خارجی، هنوز شکاف خاصی در فرآیند ساخت دستگاه های SiC داخلی وجود دارد، به ویژه میزان بازده باید بیشتر بهبود یابد. سوال کلیدی دیگر این است که آیا شرکت‌های خودروسازی جرات استفاده از دستگاه‌های داخلی را دارند یا خیر که نیاز به جسارت و نگرش علمی خاصی دارد و تست و بررسی در جاده‌ها کمی زمان می‌برد.

معرفی دسته ای افزایش سرعت برق رسانی

اجرای استراتژی اولیه برقی‌سازی خودروها شتاب می‌گیرد، زیرا خودروهای دیزلی در برخی مناطق/شهرها ممنوع هستند و ترجیح مشتریان برای خودروهای شاسی بلند در حال افزایش است. "درب دیزلی" فولکس واگن، "اثر تسلا"، مشوق های خودروهای بدون آلایندگی در چین، کاهش هزینه باتری، هدف کاهش انتشار دی اکسید کربن، NEDC (شرایط رانندگی جدید اروپا) → WLTP (رویه تست یکپارچه جهانی خودروهای سبک)، از جمله همه‌گیری کووید-19، همگی فرآیند برق‌رسانی خودرو را ترویج می‌کنند.

     

شتاب برقی شدن خودرو

در حال حاضر، در فناوری الکترونیک قدرت EV/HEV، اینورتر اصلی می تواند یک دستگاه گسسته یا یک ماژول با توجه به نوع برق رسانی و سطوح مختلف توان انتخاب شده توسط سازنده باشد. DC-DC 48-12 ولت اساساً یک دستگاه گسسته 80-100 ولت است. HV-12V DC-DC اساساً یک دستگاه گسسته 500-650 ولت و 80-100 ولت است. OBC اساساً یک دستگاه مجزا 600-650 ولت است. مبدل تقویت کننده اساساً یک دستگاه مجزا 600 ولتی است.

     

دستگاه های برق مورد استفاده برای هر نوع xEV

بنابراین ماژول ها به ویژه دستگاه ها و ماژول های SiC power فضای زیادی برای معرفی دارند. برخی از OEMهای خارجی در سال 2018 شروع به استفاده از دیودهای مانع SiC Schottky و MOSFET در OBC کردند. پس از آن، نرخ نفوذ بازار همچنان افزایش یافت و سپس به کنترل‌کننده‌های موتور و اینورترهای اصلی با الزامات قابلیت اطمینان بالاتر رفتند. این نیز فرآیند انتقال از دستگاه‌های گسسته به ماژول‌های تمام SiC است.

بیشترین تقاضا برای واردات خودروهای برقی با برد طولانی است. انتظار می رود که ضریب نفوذ SiC کنترل کننده های موتور وسایل نقلیه با برد کروز بیش از 500 کیلومتر تا سال 100 نزدیک به 2024٪ باشد. ضریب نفوذ کلی وسایل نقلیه زیر 500 کیلومتر می تواند به 40٪ برسد.

بدون شک، تقریباً تمام OEM های خودروهای الکتریکی، کاربرد دستگاه های SiC را در طرح های توسعه پروژه های جدید گنجانده اند و انتظار می رود که SiC در سال 2025 به گره انفجاری بازار خودروهای الکتریکی تبدیل شود.

سلب مسئولیت: این مقاله از "TechSugar" تکثیر شده است. این مقاله فقط دیدگاه های شخصی نویسنده را نشان می دهد و دیدگاه های Sacco Micro و صنعت را نشان نمی دهد. این فقط برای تجدید چاپ و به اشتراک گذاری برای حمایت از حمایت از حقوق مالکیت معنوی است. لطفاً هنگام چاپ مجدد منبع و نویسنده اصلی را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم.

تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی
QQ: 332496225 مدیر کیو
آدرس: اتاق 809، بلوک C، ساختمان فناوری Zhantao، خیابان Minzhi شماره 1079، منطقه جدید Longhua، شنژن