Entro il 2026, il rigoroso obiettivo delle emissioni di CO2 farà sì che la quota di veicoli elettrici/ibridi (EV/HEV) in tutte le autovetture raggiunga il 38%, il che significa che varie tecnologie di semiconduttori e dispositivi di potenza otterranno un’opportunità di mercato di 5.6 miliardi di dollari. Questo è il giudizio di Yole Dedvelopment, società di ricerche di mercato, in Power Electronics Technology of Electric Vehicles nel 2021.

Esistono tanti tipi di auto elettriche.

Che si tratti di EV o HEV, di veicoli elettrici o xEV. La sua classificazione specifica è la seguente:

Veicolo elettrico ibrido leggero (MHEV): veicoli che utilizzano motore a combustione interna (o motore termico) e motore elettrico, solitamente utilizzando un motore ICE ausiliario con una potenza di 10-20 kW, inclusi veicoli a 48 V (ibrido leggero) dotati di batterie a bassa tensione.

Veicolo elettrico ibrido (full HEV, strong HEV): un veicolo che utilizza motore a combustione interna e motore elettrico. Il motore elettrico è alimentato da una batteria ad alta tensione, che può fornire elevata potenza al motore. La gamma di potenza è di 70-170 kW e la batteria non può essere caricata dalla rete elettrica. La capacità energetica della batteria è relativamente bassa (circa 2-5 kWh), quindi l'autonomia in modalità E è limitata (diversi chilometri);

Veicolo elettrico ibrido plug-in (PHEV): un veicolo che utilizza un motore a combustione interna e un motore elettrico (come un ibrido completo). La batteria del PHEV può essere caricata dalla rete elettrica, quindi contiene un caricabatterie di bordo e una presa di ricarica. La capacità della batteria è maggiore di quella dell’HEV completo, solitamente circa 9kWh. Se viene utilizzato un caricabatterie bidirezionale, l’auto può essere utilizzata come fonte di alimentazione per applicazioni V2G (da veicolo a rete) e V2H (da veicolo a casa).

Veicolo elettrico a autonomia estesa (EREV): è un veicolo elettrico a batteria che include un'unità di potenza ausiliaria (APU) chiamata "mileage extender". Questo piccolo generatore è solitamente un motore a combustione interna (ICE), ma può essere utilizzata anche una cella a combustibile. Il generatore carica la batteria, che fornisce energia al motore del veicolo. Questa disposizione è chiamata propulsore ibrido in serie. Il moltiplicatore di chilometraggio non è adatto all'uso quotidiano e si applica solo nel caso in cui il conducente abbia bisogno di prolungare il chilometraggio del veicolo per raggiungere la successiva stazione di ricarica.

Veicolo elettrico a carburante (FCEV, FCV o veicolo alimentato a idrogeno): ha solo motore (senza motore ICE) ed è solitamente chiamato veicolo alimentato a idrogeno. In realtà, si tratta di un veicolo elettrico che genera elettricità dall'idrogeno attraverso pile di celle a combustibile. FCEV contiene batterie (o banchi di supercondensatori) per realizzare determinate funzioni, come il recupero dell'energia in frenata, ecc. La batteria è una batteria ad alto voltaggio, che solitamente ha una bassa capacità energetica (diversi kWh). Alcuni FCEV utilizzano batterie più grandi (circa 10 kWh, che possono essere caricate dalla rete elettrica, analogamente ai PHEV, per ottenere una guida più pulita (supponendo che l’elettricità di ricarica sia generata da fonti di energia rinnovabile, come l’energia fotovoltaica o eolica). Il caricabatterie bidirezionale in FCEV può essere utilizzato come alimentatore per applicazioni V2G e V2H.

New Energy Vehicle (NEV): un termine utilizzato dal governo cinese, che comprende PHEV, BEV, FCEV, ecc. La formulazione di nuovi veicoli energetici può rendere le politiche emanate dallo Stato più sostenibili, coprire più iterazioni tecniche e contribuire a realizzare una transizione graduale. Attraverso periodici meccanismi di adeguamento e ritiro, le imprese sono costantemente incoraggiate a provare nuove tecnologie. Nelle auto tradizionali c’è un grande divario tra la Cina e i paesi esteri, soprattutto nei motori, che comportano elevate barriere tecniche. Fare cose nuove, il divario con i paesi stranieri non è grande, per evitare di essere eliminati in futuro dalla tecnologia straniera.

Negli ultimi anni il mercato degli xEV si è sviluppato rapidamente, grazie all’impegno dei governi a raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050. L’adozione di veicoli elettrici è la chiave per ridurre le emissioni di anidride carbonica e gli OEM, i produttori di primo livello e i produttori di semiconduttori di potenza si evolveranno con la crescita dei veicoli elettrici.

Nell'applicazione xEV, il livello di sistema coinvolge l'inverter principale e il generatore, il convertitore boost, il convertitore DC-DC e il caricabatterie del veicolo; I tipi di pacchetti includono moduli discreti e di alimentazione; I dispositivi di potenza includono MOSFET al silicio, IGBT al silicio, BJT al silicio (transistor bipolare), MOSFET al carburo di silicio (SiC) e HEMT al nitruro di gallio (GaN), ecc.

BEV è leader nella tecnologia ad alta tensione

Con la rigorosa riduzione delle emissioni di anidride carbonica e gli obiettivi di neutralità del carbonio di vari paesi, l’industria automobilistica ha compiuto un grande passo verso l’elettrificazione delle automobili. Sebbene ogni OEM abbia strategie di elettrificazione diverse, soprattutto in diverse regioni, hanno un obiettivo comune, ovvero aumentare la quota di BEV nella propria flotta. L’elettrificazione ibrida è ancora un’opzione nei prossimi 10-15 anni, sebbene non raggiunga l’obiettivo a lungo termine della neutralità del carbonio.

Nonostante l'influenza dell'epidemia di COVID-19, la tecnologia BEV guidata dall'elettrificazione globale sta ancora accelerando, i dispositivi elettronici di potenza in diversi convertitori come inverter di trazione, DC-DC, OBC (caricabatterie di bordo) continuano ad aumentare, i veicoli elettrici Il sistema /HEV sta passando a 48 V e anche la tendenza della batteria sta cambiando da 400 V a 800 V.

La scelta dell’elettrificazione è direttamente correlata alla scelta dell’architettura tecnica della potenza del convertitore o della capacità della batteria, che porterà a caratteristiche prestazionali completamente diverse dei diversi veicoli. Yole prevede che nei prossimi cinque anni, con l’aggiunta delle batterie da 48 V nelle automobili, il mercato dei semiconduttori di potenza legati al MHEV continuerà a crescere. Inoltre, dai veicoli ibridi ai BEV, il contenuto di semiconduttori di ciascun veicolo aumenterà con il miglioramento del livello di elettrificazione.

È un dato di fatto, BEV sta promuovendo il rapido sviluppo di questa tecnologia. A questo proposito, gli utenti necessitano ovviamente di percorrere una distanza maggiore con un tempo di ricarica più breve, riducendo al contempo i costi. Esistono diversi modi per aumentare l'autonomia, come ottimizzare il design della batteria per aumentarne la capacità energetica o migliorare l'efficienza dell'inverter. D’altro canto, per ridurre il tempo di ricarica delle batterie, in tutto il mondo vengono utilizzati caricabatterie ad alta potenza (fino a 350 kW). Per evitare le sfide legate a livelli di corrente elevati, la tendenza di sviluppo è quella di aumentare la tensione della batteria. L'aumento della tensione della batteria dagli attuali 400 V a 800 V può consentire una ricarica più rapida e fornire un elevato valore aggiunto agli utenti dell'auto.

Infatti, Porsche e Hyundai hanno già adottato batterie da 800 V e altre aziende seguiranno l’esempio. Poiché l'inverter principale funziona a una tensione più elevata, anche i suoi componenti semiconduttori di potenza devono avere una tensione nominale più elevata, solitamente 1200 V V. La transizione dai componenti da 600 V-750 V ai componenti da 1200 V ha portato nuove opportunità di business ad alcuni fornitori, mentre il business di altri sarà ridotto. La scelta dell’elettrificazione dei veicoli e le diverse scelte tecnologiche porteranno a diverse strategie adottate dai principali OEM.

Principali fattori di guida dei veicoli elettrici

L’autonomia dei veicoli elettrici non è determinata solo dalla batteria, ma anche l’efficienza dell’intero sistema di alimentazione gioca un ruolo importante. Un team dell'Istituto Flawn Hof per l'affidabilità e la microintegrazione (IZM) di Berlino sta sviluppando un inverter di potenza con unità di controllo elettronico per il sistema di alimentazione Porsche Pure Electric Mission E, in grado di convertire l'energia tra batteria e motore in modo più efficace rispetto allo schema esistente .

Invertitore di potenza Porsche SiC

I ricercatori e gli esperti dei loro partner industriali utilizzano transistor a semiconduttore SiC particolarmente efficienti per garantire che la potenza consumata dalla corrente che scorre attraverso i transistor sia inferiore. Vogliono utilizzare il minor numero di transistor, perché ogni dispositivo SiC consumerà energia e dovrà essere raffreddato. I ricercatori hanno riprogettato gli elementi di raffreddamento dell'inverter di potenza per ottenere il miglior effetto di raffreddamento. Ottimizzando in questo modo il sistema di trasmissione, il chilometraggio dei veicoli elettrici aumenterà eventualmente del 6%.

Per risolvere il problema che i diversi materiali del modulo di potenza hanno tassi di espansione diversi, il nuovo elemento di raffreddamento adotta una piastra metallica molto sottile per compensare lo stress causato da una leggera deformazione durante il riscaldamento o il raffreddamento e prolungare la durata. Per ridurre lo stress del modulo inverter di potenza, la struttura composta da elementi di raffreddamento e transistor SiC è collegata al resto del sistema elettronico mediante torsione di sottili fili di rame flessibili per evitare crepe. Si può vedere che il sistema ad alta tensione da 800 V è proprio il luogo in cui è possibile sfruttare le prestazioni ad alta temperatura del SiC.

L'inverter di trazione è una grande richiesta per i dispositivi elettronici di potenza.

Esistono fondamentalmente tre tipi di convertitori EV/HEV: inverter principale, convertitore DC-DC, generatore e OBC. A causa del suo elevato livello di potenza, l'inverter principale rappresenta il mercato più grande del convertitore, con il più alto contenuto di semiconduttori di potenza. Pertanto, si prevede che il mercato principale degli inverter raggiungerà i 19.5 miliardi di dollari entro il 2026, rappresentando il 67% del mercato dei convertitori EV/HEV, con un tasso di crescita annuo composto del 26.9%.

Per quanto riguarda il mercato dei semiconduttori di potenza, a causa della forte concorrenza tecnica tra moduli IGBT e SiC, si prevede che il suo valore triplicherà dal 2020 al 2026. In effetti, il costo attuale di un modulo SiC è ancora circa tre volte superiore a quello di un modulo IGBT da 650 V, ma quando il lotto di produzione sarà più grande, con il passaggio ai wafer da 8 pollici e la diffusione dei dispositivi da 1200 V con una tensione della batteria più elevata, questo divario si ridurrà gradualmente.

La catena di fornitura di veicoli elettrici/ibridi continua a essere influenzata dalla crescente domanda e dalle tendenze tecnologiche. Sebbene i principali produttori di semiconduttori EV/HEV siano in linea con altri produttori di semiconduttori per applicazioni di potenza (come Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric e Anselme), altre società (Tier 1, OEM, produttori di semiconduttori di potenza e nuovi arrivati ​​di moduli puri) stanno fornendo anche moduli di potenza per EV/HEV.

Una situazione simile si verifica nel campo della progettazione e produzione di batterie, e OEM come Tesla e General Motors stanno cercando di controllare ulteriormente le loro catene di approvvigionamento. La concorrenza a livello OEM ha inoltre aperto due strade principali: la prima è che gli OEM tradizionali con mercati maturi e marchi noti stanno rivolgendo la propria attività ai veicoli elettrici; D’altro canto, in diverse parti del mondo stanno emergendo OEM di veicoli elettrici puri (come Weilai, Rivian, Rimac, Tucki e Hezhong) e alcuni di loro, guidati da Tesla, stanno rapidamente aumentando le loro vendite anno dopo anno. I nuovi modelli introdotti presentano solitamente un migliore rapporto costi-benefici, il che porta ad un continuo rimodellamento delle vendite delle prime dieci auto.

Mercato dei dispositivi a semiconduttore di potenza XEV (milioni di dollari)

SiC cammina sul tappeto rosso di EV/HEV

Ora, le auto che non utilizzano SiC sono imbarazzate a chiamare viaggi elettrici. Negli ultimi anni, soprattutto da quando Tesla ha introdotto il SiC nel suo inverter principale Model 3, l’adozione del SiC nei veicoli elettrici/HEV ha causato grandi ripercussioni. Ma non tutti i convertitori o tutti i tipi di veicoli elettrificati sono adatti a questo costoso materiale.

Non c’è dubbio che BEV sia il vincitore dell’adozione del SiC, perché richiede un lungo chilometraggio e tempi di ricarica rapidi. Pertanto, con il miglioramento dell'efficienza del convertitore, l'aumento del costo del convertitore viene compensato, risparmiando così sul costo della batteria. Pertanto, non sorprende che l’uso del SiC nell’inverter principale sia diventato l’obiettivo comune dei principali OEM e Daimler e Hyundai lo abbiano presto incorporato nell’inverter principale.

Sebbene il costo dei dispositivi SiC sia superiore a quello dei dispositivi al silicio, aiuta a ridurre il costo della batteria e ad aumentare l’autonomia di crociera, riducendo così efficacemente il costo dell’intero veicolo. Utilizzando l'inverter SiC è possibile risparmiare circa 200 dollari per auto e ridurre le dimensioni e il peso dell'inverter principale.

Oggi Infineon, Cree(Wolfspeed) e stmicroelectronics hanno introdotto una serie di dispositivi con chip SiC. Molti produttori di semiconduttori considerano i moduli SiC come l’obiettivo delle applicazioni nei veicoli elettrici. Si stima che entro il 2026 il mercato dei moduli SiC rappresenterà il 32% del mercato dei semiconduttori EV/HEV.

Eco di SiC e 800V

Sebbene ogni OEM abbia la propria strategia di adozione del SiC, Tesla ha migliorato significativamente le sue prestazioni con la tecnologia SiC e l'adozione della batteria da 800 V ha anche aumentato l'uso del SiC, e altri OEM stanno seguendo l'esempio. Attualmente, Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy e Geely utilizzano tutti dispositivi SiC in OBC e DC-DC di alcuni dei loro modelli; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely, ecc. utilizzavano dispositivi SiC nei controller dei motori; Sempre più case automobilistiche adotteranno il SiC nell’inverter principale, tra cui Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi e i nuovi produttori di automobili Weilai, Tucki, Ideality, ecc. Molte aziende di livello 1 hanno anche rilasciato piani di azionamento elettrico SiC, tra cui Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric e così via.

Una cosa è certa: che la tecnologia sia buona o cattiva, l’applicazione è la migliore. Nel settore automobilistico i dispositivi SiC coesisteranno a lungo con dispositivi basati sul silicio. In termini di localizzazione, rispetto all'estero, c'è ancora un certo divario nel processo di produzione dei dispositivi SiC nazionali, in particolare il tasso di rendimento deve essere ulteriormente migliorato. Un'altra questione chiave è se le case automobilistiche osano utilizzare dispositivi domestici, il che richiede un certo coraggio e un atteggiamento scientifico, e richiede tempo per testare e verificare su strada.

Accelerare l'introduzione in batch dell'elettrificazione

L'attuazione della strategia iniziale di elettrificazione dei veicoli sta accelerando, poiché i veicoli diesel sono vietati in alcune aree/città e la preferenza dei clienti per i veicoli SUV è in aumento. La “porta diesel” di Volkswagen, l’“effetto Tesla”, gli incentivi per i veicoli a zero emissioni in Cina, la riduzione del costo delle batterie, l’obiettivo di riduzione delle emissioni di anidride carbonica, NEDC (Nuove condizioni di guida europee) →WLTP (Global Unified Light Vehicle Test Procedure), compreso il L’epidemia di COVID-19, stanno tutti promuovendo il processo di elettrificazione dei veicoli.

Accelerazione dell'elettrificazione del veicolo

Attualmente, nella tecnologia dell'elettronica di potenza degli EV/HEV, l'inverter principale può essere un dispositivo discreto o un modulo a seconda del tipo di elettrificazione e del diverso livello di potenza selezionato dal produttore. Il 48-12V DC-DC è fondamentalmente un dispositivo discreto da 80-100V; HV-12V DC-DC è fondamentalmente un dispositivo discreto da 500-650 V e 80-100 V; L'OBC è fondamentalmente un dispositivo discreto da 600-650 V; Il convertitore boost è fondamentalmente un dispositivo discreto da 600 V.

Dispositivi di potenza utilizzati per ciascun tipo di xEV

Pertanto, i moduli, in particolare i dispositivi di potenza e i moduli SiC, hanno un ampio spazio per l'introduzione. Nel 2018, alcuni OEM stranieri hanno iniziato a utilizzare diodi Schottky SiC e MOSFET su OBC. Successivamente, il tasso di penetrazione del mercato ha continuato ad aumentare e sono passati ai controllori per motori e agli inverter principali con requisiti di affidabilità più elevati. Questo è anche il processo di transizione dai dispositivi discreti ai moduli interamente SiC.

La più alta domanda di importazione riguarda i veicoli elettrici con una lunga autonomia. Si prevede che il tasso di penetrazione del SiC nei controller dei motori dei veicoli con un’autonomia superiore a 500 km sarà vicino al 100% entro il 2024; Il tasso di penetrazione complessivo dei veicoli inferiori a 500 km può raggiungere il 40%.

Indubbiamente, quasi tutti gli OEM di veicoli elettrici hanno incluso l’applicazione di dispositivi SiC nei nuovi piani di sviluppo dei progetti, e si prevede che il SiC diventerà il nodo esplosivo nel mercato dei veicoli elettrici nel 2025.

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