עד 2026, יעד פליטת ה-CO2 המחמיר יגרום לנתחם של כלי רכב חשמליים/רכבים היברידיים (EVs/HEVs) בכל מכוניות הנוסעים להגיע ל-38%, מה שאומר שטכנולוגיות מוליכים למחצה והתקני כוח שונים יזכו בהזדמנות שוק של 5.6 מיליארד דולר. זה פסק הדין של Yole Dedevelopment, חברת מחקרי שוק, ב-Power Electronics Technology של כלי רכב חשמליים בשנת 2021.

יש כל כך הרבה סוגים של מכוניות חשמליות.

בין אם זה EV או HEV, זה רכב חשמלי, או xEV. הסיווג הספציפי שלו הוא כדלקמן:

               

רכב היבריד חשמלי קל (MHEV): רכבים המשתמשים במנוע בעירה פנימית (או מנוע תרמי) ובמנוע חשמלי, בדרך כלל באמצעות מנוע ICE עזר בהספק של 10-20kW, כולל רכבים 48V (היברידית קלה) המצוידים בסוללות במתח נמוך.

               

רכב חשמלי היברידי (HEV מלא, HEV חזק): רכב המשתמש במנוע בעירה פנימית ובמנוע חשמלי. המנוע החשמלי מופעל באמצעות סוללת מתח גבוה, שיכולה לספק כוח גבוה למנוע. טווח ההספק הוא 70-170kW, ולא ניתן להטעין את הסוללה מרשת החשמל. קיבולת אנרגיית הסוללה שלו נמוכה יחסית (כ-2-5kWh), כך שטווח הנסיעה במצב E מוגבל (מספר קילומטרים);

               

רכב היברידי חשמלי (PHEV): רכב המשתמש במנוע בעירה פנימית ובמנוע חשמלי (כמו היברידית מלאה). הסוללה של PHEV ניתנת לטעינה מרשת החשמל, כך שהיא מכילה מטען מובנה ותקע טעינה. הקיבולת של הסוללה גדולה מזו של ה-HEV המלא, בדרך כלל כ-9kWh. אם נעשה שימוש במטען דו-כיווני, המכונית יכולה לשמש כמקור חשמל ליישומי V2G (מרכב לרשת) ו-V2H (מרכב עד הבית).

               

Extended Range Electric Vehicle (EREV): זהו רכב חשמלי סוללה הכולל יחידת כוח עזר (APU) הנקראת "מאריך קילומטראז'". הגנרטור הקטן הזה הוא בדרך כלל מנוע בעירה פנימית (ICE), אך ניתן להשתמש גם בתא דלק. הגנרטור טוען את המצבר, המספק חשמל למנוע של הרכב. סידור זה נקרא מערכת הנעה היברידית סדרתית. מאריך הקילומטרים אינו מתאים לשימוש יומיומי, והוא חל רק במקרה בו הנהג צריך להאריך את הקילומטרז' של הרכב כדי להגיע לתחנת הטעינה הבאה.

                               

רכב חשמלי דלק (FCEV, FCV או רכב מונע מימן): יש לו רק מנוע (ללא מנוע ICE), והוא נקרא בדרך כלל רכב המונע במימן. למעשה, זהו רכב חשמלי שמייצר חשמל ממימן דרך ערימת תאי דלק. FCEV מכיל סוללות (או סופר קבלים) להשגת פונקציות מסוימות, כגון שחזור אנרגיית בלימה וכו'. הסוללה היא סוללת מתח גבוה, אשר לרוב בעלת קיבולת אנרגטית נמוכה (מספר קוט"ש). חלק מה-FCEV משתמשות בסוללות גדולות יותר (כ-10kWh, שניתן להטעין מרשת החשמל, בדומה ל-PHEV, כדי להשיג נהיגה נקייה יותר (בהנחה שהחשמל הנטען מופק ממקורות אנרגיה מתחדשים נקיים, כגון אנרגיית פוטו-וולטאית או רוח). מטען דו-כיווני ב-FCEV יכול לשמש כספק כוח עבור יישומי V2G ו-V2H.

רכב אנרגיה חדש (NEV): מונח המשמש את ממשלת סין, כולל PHEV, BEV, FCEV וכו'. הניסוח של רכבי אנרגיה חדשים יכול להפוך את המדיניות שהוציאה המדינה ליותר קיימא, לכסות יותר איטרציות טכניות ולעזור להשיג מעבר חלק. באמצעות מנגנון התאמה ומשיכה תקופתיים, ארגונים מעודדים כל הזמן לנסות טכנולוגיות חדשות. במכוניות מסורתיות קיים פער גדול בין סין למדינות זרות, בעיקר מנועים, הכרוכים בחסמים טכניים גבוהים. תעשו דברים חדשים, הפער מול מדינות זרות לא גדול, כדי להימנע מביטול של טכנולוגיה זרה בעתיד.

בשנים האחרונות, שוק ה-xEV התפתח במהירות, הודות למחויבותן של ממשלות להשיג ניטרליות פחמן ב-2050. אימוץ כלי רכב חשמליים הוא המפתח להפחתת פליטת פחמן דו חמצני, ויצרני OEM, Tier 1 ויצרני מוליכים למחצה כוח יתפתחו עם צמיחת הרכבים החשמליים.

ביישום xEV, רמת המערכת כוללת מהפך וגנרטור ראשיים, ממיר חיזוק, ממיר DC-DC ומטען רכב; סוגי החבילות כוללים מודולים נפרדים ואספקת חשמל; התקני הספק כוללים סיליקון MOSFET, סיליקון IGBT, סיליקון BJT (טרנזיסטור דו קוטבי), סיליקון קרביד (SiC) MOSFET וגליום ניטריד (GaN) HEMT, ועוד.

BEV מובילה את טכנולוגיית המתח הגבוה

עם הפחתת פליטת דו תחמוצת הפחמן הקפדנית והיעדים ניטרליים לפחמן של מדינות שונות, תעשיית הרכב עשתה צעד גדול לקראת חשמול של מכוניות. למרות שלכל OEM יש אסטרטגיות חשמול שונות, במיוחד באזורים שונים, יש להן מטרה משותפת, כלומר להגדיל את חלקה של BEV בצי שלה. חשמול היברידי הוא עדיין אופציה ב-10-15 השנים הבאות, אם כי הוא אינו עומד ביעד ארוך הטווח של ניטרליות פחמן.

למרות השפעת מגיפת ה-COVID-19, טכנולוגיית ה-BEV המונעת על ידי חשמול עולמי עדיין מואצת, המכשירים האלקטרוניים הכוחניים בממירים שונים כגון מהפך מתיחה, DC-DC, OBC (מטען על הלוח) ממשיכים לגדול, ה-EV מערכת /HEV עוברת ל-48V, וגם מגמת הסוללה משתנה מ-400V ל-800V.

בחירת החשמול קשורה ישירות לבחירת הארכיטקטורה הטכנית של כוח הממיר או קיבולת הסוללה, מה שיוביל למאפייני ביצועים שונים לחלוטין של כלי רכב שונים. Yole צופה שבחמש השנים הקרובות, עם תוספת של סוללות 48V במכוניות, שוק מוליכים למחצה הכוח הקשורים ל-MHEV ימשיך לגדול. בנוסף, מרכבים היברידיים ועד BEV, תכולת המוליכים למחצה של כל רכב תגדל עם שיפור רמת החשמול.

למען האמת, BEV מקדמת את הפיתוח המהיר של הטכנולוגיה הזו. מהבחינה הזו, המשתמשים דורשים כמובן לנסוע מרחק ארוך יותר בזמן טעינה קצר יותר, תוך הפחתת העלות. ישנן מספר דרכים להגדיל את טווח הנסיעה, כגון אופטימיזציה של עיצוב הסוללה כדי להגדיל את קיבולת האנרגיה שלה או לשפר את יעילות המהפך. מצד שני, על מנת לצמצם את זמן הטעינה של הסוללה, נפרסים בכל העולם מטענים בהספק גבוה (עד 350kW). על מנת להימנע מהאתגרים הקשורים לרמות זרם גבוהות, מגמת הפיתוח היא להגביר את מתח הסוללה. הגדלת מתח הסוללה מ-400V הנוכחי ל-800V יכולה לממש טעינה מהירה יותר ולספק ערך מוסף גבוה למשתמשי הרכב.

למעשה, פורשה ויונדאי כבר אימצו סוללות 800V, וחברות אחרות ילכו בעקבותיה. מכיוון שהמהפך הראשי פועל במתח גבוה יותר, רכיבי מוליכים למחצה שלו חייבים להיות בעלי דירוג מתח גבוה יותר, בדרך כלל 1200V V. המעבר מרכיבי 600V-750V לרכיבי 1200V הביא הזדמנויות עסקיות חדשות לספקים מסוימים, בעוד שעסקיהם של אחרים יצטמצמו. הבחירה בחשמול רכב ובחירות טכנולוגיות שונות יובילו לאסטרטגיות שונות שיאומצו על ידי יצרני OEM גדולים.

     

גורמים מניעים עיקריים של כלי רכב חשמליים

טווח השיוט של כלי רכב חשמליים לא נקבע רק על ידי המצבר, אלא גם היעילות של מערכת החשמל כולה משחקת תפקיד חשוב. צוות של מכון פלאון הוף לאמינות ומיקרו-אינטגרציה (IZM) בברלין מפתח מהפך יחידת בקרה אלקטרונית למערכת חשמל טהורה Mission E של פורשה, שיכול להמיר את האנרגיה בין סוללה למנוע בצורה יעילה יותר מהתוכנית הקיימת .

     

מהפך כוח של פורשה SiC

חוקרים ומומחים של שותפיהם בתעשייה משתמשים בטרנזיסטורי מוליכים למחצה SiC יעילים במיוחד כדי להבטיח שההספק הנצרך על ידי הזרם הזורם דרך הטרנזיסטורים קטן יותר. הם רוצים להשתמש במספר המינימום של טרנזיסטורים, מכיוון שכל מכשיר SiC יצרוך מעט אנרגיה וצריך לקרר אותו. החוקרים עיצבו מחדש את רכיבי הקירור של מהפך החשמל כדי להשיג את אפקט הקירור הטוב ביותר. על ידי ייעול מערכת ההילוכים בדרך זו, הקילומטראז' של כלי רכב חשמליים יגדל בסופו של דבר ב-6%.

כדי לפתור את הבעיה שלחומרים שונים של מודול כוח יש שיעורי התפשטות שונים, אלמנט הקירור החדש מאמץ לוח מתכת דק מאוד כדי לפצות על הלחץ שנגרם על ידי עיוות קל במהלך חימום או קירור, ולהאריך את חיי השירות. כדי להפחית את הלחץ של מודול מהפך הכוח, המבנה המורכב ממרכיבי קירור וטרנזיסטורי SiC מחובר לשאר המערכת האלקטרונית על ידי פיתול חוטי נחושת דקים גמישים כדי למנוע סדקים. ניתן לראות שמערכת המתח הגבוה של 800V היא בדיוק המקום שבו ניתן להשתמש בביצועי הטמפרטורה הגבוהה של SiC.

מהפך משיכה הוא דרישה גדולה למכשירי חשמל.

ישנם בעצם שלושה סוגים של ממירים ב-EV/HEV: ממיר ראשי, ממיר DC-DC, גנרטור ו-OBC. בגלל רמת ההספק הגבוהה שלו, המהפך הראשי הוא השוק הגדול ביותר בממיר, עם תכולת מוליכים למחצה בהספק הגבוה ביותר. לפיכך, שוק הממירים הראשי צפוי להגיע ל-19.5 מיליארד דולר עד 2026, המהווה 67% משוק ממירי ה-EV/HEV, עם שיעור צמיחה שנתי מורכב של 26.9%.

בנוגע לשוק מוליכים למחצה להספק, עקב התחרות הטכנית המשמעותית בין מודולי IGBT ו-SiC, ערכו צפוי לשלש את עצמו בין 2020 ל-2026. למעשה, העלות הנוכחית של מודול SiC עדיין פי שלושה בערך מזו של מודול IGBT של 650 וולט, אך כאשר סדרת הייצור תהיה גדולה יותר, עם המעבר לפלסטיק בגודל 8 אינץ' והפופולריות של התקני 1200 וולט עם מתח סוללה גבוה יותר, פער זה יצטמצם בהדרגה.

שרשרת האספקה ​​של EV/HEV ממשיכה להיות מושפעת מהביקוש הגובר ומגמות הטכנולוגיה. למרות שיצרני המוליכים למחצה המובילים EV/HEV עקביים עם יצרני מוליכים למחצה אחרים ליישומי חשמל (כגון Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric ו-Anselme), חברות אחרות (Tier 1, OEM, יצרני מוליכים למחצה, ויוצאי מודול חדש) מספקים גם מודולי כוח עבור EV/HEV.

מצב דומה מתרחש בתחום התכנון והייצור של סוללות, ויצרני OEM כמו טסלה וג'נרל מוטורס מנסות עוד יותר לשלוט בשרשרת האספקה ​​שלהן. התחרות ברמת OEM פתחה גם שני מסלולים עיקריים: האחד הוא שיצרני OEM מסורתיים עם שווקים בוגרים ומותגים ידועים הופכים את העסק שלהם לכלי רכב חשמליים; מצד שני, יצרני ציוד מקורי של רכבים חשמליים טהורים צצים במקומות שונים בעולם (כמו Weilai, Rivian, Rimac, Tucki והזונג), וחלקם, בראשות טסלה, מגדילים במהירות את מכירותיהם משנה לשנה. לדגמים החדשים שהוצגו יש בדרך כלל ביצועי עלות טובים יותר, מה שמוביל לעיצוב מחדש מתמשך של המכירות של עשר המכוניות המובילות.

     

שוק התקני מוליכים למחצה כוח XEV (מיליון דולר)

SiC צועד על השטיח האדום של EV/HEV

כעת, מכוניות שאינן משתמשות ב-SiC מתביישות לקרוא לנסיעה חשמלית. בשנים האחרונות, במיוחד מאז שהציגה טסלה את SiC למהפך הראשי דגם 3 שלה, האימוץ של SiC ב-EV/HEV גרם להשלכות גדולות. אבל לא כל הממירים או כל סוגי הרכבים המחושמלים מתאימים לחומר היקר הזה.

אין ספק ש-BEV הוא המנצח באימוץ SiC, מכיוון שהוא דורש קילומטראז' ארוך וזמן טעינה מהיר. לכן, עם שיפור יעילות הממיר, מפוצה עלות הממיר המוגדלת ובכך חוסכת את עלות הסוללה. לכן, אין זה מפתיע שהשימוש ב-SiC במהפך הראשי הפך למטרה המשותפת של יצרני OEM גדולים, ודיימלר ויונדאי שילבו אותו במהרה במהפך הראשי.

למרות שעלותם של מכשירי SiC גבוהה מזו של מכשירי סיליקון, היא עוזרת להפחית את עלות הסוללה ולהגדיל את טווח השיוט, ובכך למעשה להוזיל את עלות הרכב כולו. שימוש במהפך SiC יכול לחסוך כ-200 דולר לרכב, ולהפחית את הגודל והמשקל של המהפך הראשי.

כיום, Infineon, Cree(Wolfspeed) ו-stmicroelectronics הציגו סדרה של מכשירים עם שבבי SiC. יצרני מוליכים למחצה רבים רואים במודולי SiC היעד של יישומי רכב חשמלי. ההערכה היא שעד 2026, שוק מודולי ה-SiC יהווה 32% משוק המוליכים למחצה EV/HEV.

     

הד של SiC ו-800V

למרות שלכל OEM יש אסטרטגיית אימוץ SiC משלו, טסלה שיפרה משמעותית את הביצועים שלה עם טכנולוגיית SiC, והאימוץ של סוללת 800V גם הגביר את השימוש ב-SiC, ויצרני OEM נוספים עוקבים אחריהם. נכון לעכשיו, שנגחאי פולקסווגן, ניסאן, BYD, Beiqi New Energy ו-Geely כולן משתמשות במכשירי SiC ב-OBC ו-DC-DC של חלק מהדגמים שלהן; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely וכו' השתמשו בהתקני SiC בבקרי מנוע; חברות רכב נוספות יאמצו SiC במהפך הראשי, כולל Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi, ויצרניות הרכב החדשות Weilai, Tucki, Ideality וכו'. חברות Tier 1 רבות פרסמו גם תוכניות כונן חשמלי של SiC, כולל Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric וכן הלאה.

דבר אחד בטוח, בין אם הטכנולוגיה טובה או רעה, האפליקציה היא הטובה ביותר. בתחום הרכב, מכשירי SiC יתקיימו יחד עם מכשירים מבוססי סיליקון במשך זמן רב. במונחים של לוקליזציה, בהשוואה למדינות זרות, עדיין יש פער מסוים בתהליך הייצור של מכשירי SiC מקומיים, במיוחד יש לשפר עוד יותר את שיעור התשואה. שאלה מרכזית נוספת היא האם חברות הרכב מעיזות להשתמש במכשירים ביתיים, מה שדורש אומץ ויחס מדעי מסוים, ולוקח קצת זמן לבדוק ולוודא על הכביש.

האצת הצגת אצווה של חשמול

יישום האסטרטגיה הראשונית של חשמול רכבים מואץ, מכיוון שרכבי דיזל אסורים בחלק מהאזורים/ערים, והעדפת הלקוחות לרכבי שטח הולכת וגוברת. "דלת הדיזל" של פולקסווגן, "אפקט טסלה", תמריצים לכלי רכב אפס פליטות בסין, הפחתת עלויות הסוללה, יעד הפחתת פליטת פחמן דו חמצני, NEDC (תנאי נהיגה חדשים באירופה) →WLTP (נוהל בדיקת רכב קל מאוחד), כולל מגיפת COVID-19, כולן מקדמות את תהליך חשמול כלי רכב.

     

האצת חשמול רכבים

נכון לעכשיו, בטכנולוגיית האלקטרוניקה הכוחנית של EV/HEV, המהפך הראשי יכול להיות מכשיר דיסקרטי או מודול בהתאם לסוג החשמול ורמת ההספק השונה שנבחרה על ידי היצרן. 48-12V DC-DC הוא בעצם מכשיר דיסקרטי של 80-100V; HV-12V DC-DC הוא בעצם מכשיר דיסקרטי של 500-650V ו-80-100V; OBC הוא בעצם מכשיר דיסקרטי של 600-650V; ממיר הבוסט הוא בעצם מכשיר דיסקרטי של 600V.

     

התקני כוח המשמשים עבור כל סוג xEV

לכן, למודולים, במיוחד להתקני כוח ומודולים של SiC, יש מקום גדול להקדמה. חלק מיצרני הציוד המקורי (OEM) זרים החלו להשתמש בדיודות SiC Schottky ו-MOSFET על גבי שבבי OBC בשנת 2018. לאחר מכן, שיעור חדירת השוק המשיך לעלות, ולאחר מכן הם עברו לבקרי מנועים ולממירים ראשיים עם דרישות אמינות גבוהות יותר. זהו גם תהליך המעבר ממכשירים בדידים למודולי SiC.

הביקוש הגבוה ביותר לייבוא ​​הוא רכבים חשמליים עם טווח שיוט ארוך. צפוי ששיעור החדירה של SiC של בקרי מנוע של כלי רכב עם טווח שיוט של מעל 500 ק"מ יהיה קרוב ל-100% עד 2024; שיעור החדירה הכולל של כלי רכב מתחת ל-500 ק"מ יכול להגיע ל-40%.

ללא ספק, כמעט כל יצרני ה-OEM של כלי רכב חשמליים כללו את היישום של התקני SiC בתוכניות פיתוח פרויקטים חדשים, והצפוי כי SiC יהפוך לצומת הנפיץ בשוק הרכב החשמלי ב-2025.

כתב ויתור: מאמר זה משוכפל מתוך "TechSugar". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, ואינו מייצג את דעותיהם של Sacco Micro והתעשייה. זה מיועד רק להדפסה מחדש ולשיתוף כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני. נא לציין את המקור והמחבר המקורי בעת ההדפיסה המחודשת. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.

טל' חברה: +86-0755-83044319
פקס/פקס:+86-0755-83975897
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי
QQ: 332496225 מנהל Qiu
כתובת: חדר 809, בלוק C, בניין Zhantao Technology, מס' 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, שנזן