D’ici 2026, l’objectif strict d’émissions de CO2 portera la part des véhicules électriques/véhicules hybrides (VE/HEV) dans toutes les voitures particulières à atteindre 38 %, ce qui signifie que diverses technologies de semi-conducteurs et dispositifs électriques bénéficieront d’une opportunité de marché de 5.6 milliards de dollars. C’est le jugement de Yole Dedevelopment, société d’études de marché, dans Power Electronics Technology of Electric Vehicles en 2021.

Il existe de nombreux types de voitures électriques.

Qu'il s'agisse d'un véhicule EV ou HEV, il s'agit d'un véhicule électrique ou xEV. Sa classification spécifique est la suivante :

               

Véhicule électrique hybride doux (MHEV) : véhicules utilisant un moteur à combustion interne (ou moteur thermique) et un moteur électrique, utilisant généralement un moteur auxiliaire ICE d'une puissance de 10 à 20 kW, y compris les véhicules 48 V (hybrides doux) équipés de batteries basse tension.

               

Véhicule électrique hybride (full HEV, strong HEV) : véhicule utilisant un moteur à combustion interne et un moteur électrique. Le moteur électrique est alimenté par une batterie haute tension, qui peut fournir une puissance élevée au moteur. La plage de puissance est de 70 à 170 kW et la batterie ne peut pas être chargée à partir du réseau électrique. La capacité énergétique de sa batterie est relativement faible (environ 2 à 5 kWh), l'autonomie en mode E est donc limitée (plusieurs kilomètres) ;

               

Véhicule électrique hybride rechargeable (PHEV) : Un véhicule qui utilise un moteur à combustion interne et un moteur électrique (comme un hybride complet). La batterie du PHEV peut être chargée à partir du réseau électrique, elle contient donc un chargeur intégré et une prise de charge. La capacité de la batterie est supérieure à celle du HEV complet, généralement environ 9 kWh. Si un chargeur bidirectionnel est utilisé, la voiture peut être utilisée comme source d'alimentation pour les applications V2G (véhicule vers réseau) et V2H (véhicule vers domicile).

               

Véhicule électrique à autonomie étendue (EREV) : Il s'agit d'un véhicule électrique à batterie qui comprend une unité de puissance auxiliaire (APU) appelée « prolongateur de kilométrage ». Ce petit générateur est généralement un moteur à combustion interne (ICE), mais une pile à combustible peut également être utilisée. Le générateur charge la batterie qui alimente le moteur du véhicule. Cet arrangement est appelé groupe motopropulseur hybride en série. Le prolongateur de kilométrage n'est pas adapté à un usage quotidien et ne s'applique que dans le cas où le conducteur doit prolonger le kilométrage du véhicule pour atteindre la prochaine borne de recharge.

                               

Véhicule électrique à carburant (FCEV, FCV ou véhicule à hydrogène) : Il n'a qu'un moteur (sans moteur ICE), et est généralement appelé véhicule à hydrogène. En fait, il s’agit d’un véhicule électrique qui génère de l’électricité à partir d’hydrogène grâce à une pile à combustible. Le FCEV contient des batteries (ou batteries de super condensateurs) pour réaliser certaines fonctions, comme la récupération d'énergie de freinage, etc. La batterie est une batterie haute tension, qui a généralement une faible capacité énergétique (plusieurs kWh). Certains FCEV utilisent des batteries plus grosses (environ 10 kWh, qui peuvent être chargées à partir du réseau électrique, comme les PHEV, pour permettre une conduite plus propre (en supposant que l'électricité de charge soit générée par des sources d'énergie renouvelables propres, telles que l'énergie photovoltaïque ou éolienne). Le chargeur bidirectionnel du FCEV peut être utilisé comme alimentation pour les applications V2G et V2H.

New Energy Vehicle (NEV) : terme utilisé par le gouvernement chinois, incluant PHEV, BEV, FCEV, etc. La formulation de véhicules à énergies nouvelles peut rendre les politiques émises par l'État plus durables, couvrir davantage d'itérations techniques et contribuer à réaliser une transition en douceur. Grâce à des mécanismes d'ajustement et de retrait périodiques, les entreprises sont constamment encouragées à essayer de nouvelles technologies. Dans les voitures traditionnelles, il existe un grand écart entre la Chine et les pays étrangers, en particulier les moteurs, qui impliquent des barrières techniques élevées. Créez de nouvelles choses, l'écart avec les pays étrangers n'est pas grand, afin d'éviter d'être éliminé par la technologie étrangère à l'avenir.

Ces dernières années, le marché des xEV s’est développé rapidement, grâce à l’engagement des gouvernements à atteindre la neutralité carbone en 2050. L’adoption des véhicules électriques est la clé pour réduire les émissions de dioxyde de carbone, et les constructeurs OEM, de niveau 1 et de semi-conducteurs de puissance évolueront avec la croissance des véhicules électriques.

Dans l'application xEV, le niveau du système implique l'onduleur et le générateur principaux, le convertisseur élévateur, le convertisseur DC-DC et le chargeur de véhicule ; Les types de packages incluent des modules discrets et d'alimentation ; Les dispositifs de puissance comprennent les MOSFET en silicium, les IGBT en silicium, les BJT en silicium (transistor bipolaire), les MOSFET en carbure de silicium (SiC) et les HEMT en nitrure de gallium (GaN), etc.

BEV est à la pointe de la technologie haute tension

Avec les objectifs stricts de réduction des émissions de dioxyde de carbone et de neutralité carbone de divers pays, l'industrie automobile a fait un grand pas vers l'électrification des automobiles. Bien que chaque équipementier ait des stratégies d'électrification différentes, notamment dans différentes régions, ils ont un objectif commun, à savoir augmenter la part des BEV dans leur flotte. L’électrification hybride reste une option dans les 10 à 15 prochaines années, même si elle ne répond pas à l’objectif à long terme de neutralité carbone.

Malgré l'influence de l'épidémie de COVID-19, la technologie BEV portée par l'électrification mondiale continue de s'accélérer, les appareils électroniques de puissance dans différents convertisseurs tels que l'onduleur de traction, DC-DC, OBC (chargeur embarqué) continuent d'augmenter, le EV /HEV passe à 48 V et la tendance des batteries passe également de 400 V à 800 V.

Le choix de l'électrification est directement lié au choix de l'architecture technique de la puissance du convertisseur ou de la capacité de la batterie, ce qui conduira à des caractéristiques de performance complètement différentes selon les véhicules. Yole s'attend à ce qu'au cours des cinq prochaines années, avec l'ajout de batteries 48 V dans les automobiles, le marché des semi-conducteurs de puissance lié au MHEV continue de croître. De plus, des véhicules hybrides aux BEV, la teneur en semi-conducteurs de chaque véhicule augmentera avec l'amélioration du niveau d'électrification.

BEV favorise en effet le développement rapide de cette technologie. À cet égard, les utilisateurs ont évidemment besoin de parcourir une plus longue distance avec un temps de recharge plus court, tout en réduisant les coûts. Il existe plusieurs façons d'augmenter l'autonomie, comme par exemple optimiser la conception de la batterie pour augmenter sa capacité énergétique ou améliorer l'efficacité de l'onduleur. En revanche, afin de réduire le temps de charge des batteries, des chargeurs de forte puissance (jusqu'à 350 kW) sont déployés partout dans le monde. Afin d’éviter les défis associés aux niveaux de courant élevés, la tendance en matière de développement consiste à augmenter la tension de la batterie. L'augmentation de la tension de la batterie de 400 V actuellement à 800 V peut permettre une charge plus rapide et offrir une valeur ajoutée élevée aux utilisateurs de voitures.

En fait, Porsche et Hyundai ont déjà adopté des batteries 800 V, et d'autres entreprises suivront cet exemple. Comme l'onduleur principal fonctionne à une tension plus élevée, ses composants semi-conducteurs de puissance doivent également avoir une tension nominale plus élevée, généralement 1200 XNUMX V V. La transition des composants 600 V-750 V vers les composants 1200 XNUMX V a apporté de nouvelles opportunités commerciales à certains fournisseurs, tandis que les activités d'autres seront réduites. Le choix de l’électrification des véhicules et les différents choix technologiques conduiront à différentes stratégies adoptées par les grands équipementiers.

     

Principaux facteurs déterminants des véhicules électriques

L’autonomie des véhicules électriques n’est pas seulement déterminée par la batterie, mais l’efficacité de l’ensemble du système électrique joue également un rôle important. Une équipe de l'Institut Flawn Hof pour la fiabilité et la micro-intégration (IZM) à Berlin développe une unité de commande électronique-onduleur pour le système d'alimentation électrique pur Porsche Mission E, qui peut convertir l'énergie entre la batterie et le moteur plus efficacement que le système existant. .

     

Onduleur Porsche SiC

Les chercheurs et les experts de leurs partenaires industriels utilisent des transistors semi-conducteurs SiC particulièrement efficaces pour garantir que la puissance consommée par le courant circulant à travers les transistors est inférieure. Ils souhaitent utiliser le moins de transistors possible, car chaque dispositif SiC consommera de l'énergie et devra être refroidi. Les chercheurs ont repensé les éléments de refroidissement de l'onduleur pour obtenir le meilleur effet de refroidissement. En optimisant ainsi le système de transmission, le kilométrage des véhicules électriques augmentera à terme de 6 %.

Pour résoudre le problème des différents matériaux du module d'alimentation ayant des taux d'expansion différents, le nouvel élément de refroidissement adopte une plaque métallique très fine pour compenser les contraintes causées par une légère déformation pendant le chauffage ou le refroidissement et prolonger la durée de vie. Pour réduire les contraintes du module onduleur, la structure composée d'éléments de refroidissement et de transistors SiC est connectée au reste du système électronique en tordant des fils de cuivre minces et flexibles pour éviter les fissures. On peut voir que le système haute tension 800 V est exactement là où les performances à haute température du SiC peuvent être utilisées.

L'onduleur de traction est une grande demande pour les appareils électroniques de puissance.

Il existe essentiellement trois types de convertisseurs en EV/HEV : l'onduleur principal, le convertisseur DC-DC, le générateur et l'OBC. En raison de son niveau de puissance élevé, l'onduleur principal constitue le marché le plus important du convertisseur, avec la teneur en semi-conducteurs de puissance la plus élevée. Par conséquent, le principal marché des onduleurs devrait atteindre 19.5 milliards de dollars d’ici 2026, représentant 67 % du marché des convertisseurs EV/HEV, avec un taux de croissance annuel composé de 26.9 %.

En ce qui concerne le marché des semi-conducteurs de puissance, en raison de la concurrence technique importante entre les modules IGBT et SiC, sa valeur devrait tripler entre 2020 et 2026. En fait, le coût actuel du module SiC est encore environ trois fois supérieur à celui du module IGBT 650 V, mais lorsque le lot de production sera plus important, avec la transition vers les plaquettes de 8 pouces et la popularité des appareils 1200 V avec une tension de batterie plus élevée, cet écart se réduira progressivement.

La chaîne d’approvisionnement des VE/HEV continue d’être affectée par la demande croissante et les tendances technologiques. Bien que les principaux fabricants de semi-conducteurs EV/HEV soient cohérents avec d'autres fabricants de semi-conducteurs pour les applications de puissance (tels qu'Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric et Anselme), d'autres sociétés (Tier 1, OEM, fabricants de semi-conducteurs de puissance et nouveaux venus dans le domaine des modules purs) fournissent également des modules d'alimentation pour EV/HEV.

Une situation similaire se produit dans le domaine de la conception et de la fabrication de batteries, et les équipementiers tels que Tesla et General Motors tentent de contrôler davantage leurs chaînes d’approvisionnement. La concurrence au niveau des équipementiers a également ouvert deux pistes principales : la première est que les équipementiers traditionnels disposant de marchés matures et de marques bien connues se tournent vers les véhicules électriques ; D’un autre côté, des constructeurs de véhicules purement électriques émergent dans différentes parties du monde (comme Weilai, Rivian, Rimac, Tucki et Hezhong), et certains d’entre eux, Tesla en tête, augmentent rapidement leurs ventes d’année en année. Les nouveaux modèles introduits ont généralement un meilleur rapport coût-performance, ce qui conduit à une refonte continue des ventes des dix premières voitures.

     

Marché des dispositifs à semi-conducteurs de puissance XEV (millions USD)

SiC marche sur le tapis rouge des EV/HEV

Désormais, les voitures qui n'utilisent pas le SiC sont gênées d'appeler le voyage électrique. Au cours des dernières années, notamment depuis que Tesla a introduit le SiC dans son onduleur principal Model 3, l’adoption du SiC dans les véhicules électriques et hybrides électriques a eu de grandes répercussions. Mais tous les convertisseurs ni tous les types de véhicules électrifiés ne sont pas adaptés à ce matériau coûteux.

Il ne fait aucun doute que BEV est le gagnant de l’adoption du SiC, car il nécessite un long kilométrage et un temps de charge rapide. Par conséquent, avec l’amélioration de l’efficacité du convertisseur, l’augmentation du coût du convertisseur est compensée, économisant ainsi le coût de la batterie. Il n’est donc pas surprenant que l’utilisation du SiC dans l’onduleur principal soit devenue l’objectif commun des grands équipementiers, et Daimler et Hyundai l’ont rapidement intégré dans l’onduleur principal.

Bien que le coût des dispositifs SiC soit plus élevé que celui des dispositifs au silicium, cela contribue à réduire le coût de la batterie et à augmenter l'autonomie de croisière, réduisant ainsi efficacement le coût de l'ensemble du véhicule. L'utilisation de l'onduleur SiC peut permettre d'économiser environ 200 $ par voiture et de réduire la taille et le poids de l'onduleur principal.

Aujourd'hui, Infineon, Cree(Wolfspeed) et stmicroelectronics ont introduit une série d'appareils dotés de puces SiC. De nombreux fabricants de semi-conducteurs considèrent les modules SiC comme la cible des applications pour véhicules électriques. On estime que d’ici 2026, le marché des modules SiC représentera 32 % du marché des semi-conducteurs EV/HEV.

     

Echo du SiC et du 800V

Bien que chaque équipementier ait sa propre stratégie d'adoption du SiC, Tesla a considérablement amélioré ses performances grâce à la technologie SiC, et l'adoption de la batterie 800 V a également augmenté l'utilisation du SiC, et de plus en plus d'équipementiers suivent cette stratégie. À l'heure actuelle, Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy et Geely utilisent tous des dispositifs SiC en OBC et DC-DC sur certains de leurs modèles ; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely, etc. ont utilisé des dispositifs SiC dans les contrôleurs de moteur ; De plus en plus de constructeurs automobiles adopteront le SiC dans l'onduleur principal, notamment Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi et les nouveaux constructeurs automobiles Weilai, Tucki, Ideality, etc. De nombreuses entreprises de niveau 1 ont également publié des plans de propulsion électrique SiC, notamment Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric, etc.

Une chose est sûre, que la technologie soit bonne ou mauvaise, l’application est la meilleure. Dans le domaine automobile, les dispositifs SiC coexisteront pendant longtemps avec les dispositifs à base de silicium. En termes de localisation, par rapport aux pays étrangers, il existe encore une certaine lacune dans le processus de fabrication des dispositifs SiC nationaux, en particulier le taux de rendement doit être encore amélioré. Une autre question clé est de savoir si les constructeurs automobiles osent utiliser des appareils domestiques, ce qui nécessite un certain courage et une attitude scientifique, et il faut un certain temps pour les tester et les vérifier sur la route.

Accélération de l'introduction par lots de l'électrification

La mise en œuvre de la stratégie initiale d'électrification des véhicules s'accélère, car les véhicules diesel sont interdits dans certaines zones/villes et la préférence des clients pour les véhicules SUV augmente. "porte diesel" de Volkswagen, "effet Tesla", incitations pour les véhicules zéro émission en Chine, réduction du coût des batteries, objectif de réduction des émissions de dioxyde de carbone, NEDC (New European Driving Conditions) →WLTP (Global Unified Light Vehicle Test Procedure), dont le L’épidémie de COVID-19 favorise le processus d’électrification des véhicules.

     

Accélération de l’électrification des véhicules

Actuellement, dans la technologie électronique de puissance des EV/HEV, l'onduleur principal peut être soit un dispositif discret, soit un module selon le type d'électrification et les différents niveaux de puissance sélectionnés par le fabricant. Le 48-12 V DC-DC est essentiellement un appareil discret 80-100 V ; HV-12V DC-DC est essentiellement un appareil discret de 500 à 650 V et de 80 à 100 V ; L'OBC est essentiellement un appareil discret de 600 à 650 V ; Le convertisseur boost est essentiellement un appareil discret de 600 V.

     

Dispositifs d'alimentation utilisés pour chaque type de xEV

Par conséquent, les modules, en particulier les dispositifs et modules de puissance SiC, disposent d'un grand espace d'introduction. Certains OEM étrangers ont commencé à utiliser des diodes barrières Schottky SiC et des MOSFET sur OBC en 2018. Après cela, le taux de pénétration du marché a continué d'augmenter, puis ils sont passés aux contrôleurs de moteur et aux onduleurs principaux avec des exigences de fiabilité plus élevées. C'est également le processus de transition des dispositifs discrets vers les modules entièrement SiC.

La plus forte demande d’importation concerne les véhicules électriques à longue autonomie. On s'attend à ce que le taux de pénétration du SiC dans les contrôleurs de moteur des véhicules ayant une autonomie de plus de 500 km soit proche de 100 % d'ici 2024 ; Le taux de pénétration global des véhicules de moins de 500 km peut atteindre 40 %.

Il ne fait aucun doute que presque tous les constructeurs de véhicules électriques ont inclus l’application de dispositifs SiC dans leurs plans de développement de nouveaux projets, et on s’attend à ce que le SiC devienne le nœud explosif du marché des véhicules électriques en 2025.

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