Restrykcyjny cel w zakresie emisji CO2026 sprawi, że do 2 roku udział pojazdów elektrycznych/hybrydowych (EV/HEV) we wszystkich samochodach osobowych osiągnie 38%, co oznacza, że ​​różne technologie półprzewodnikowe i urządzenia zasilające zyskają szansę rynkową o wartości 5.6 miliarda dolarów. Taka jest ocena Yole Dedevelopment, firmy zajmującej się badaniem rynku, w Power Electronics Technology of Electric Vehicles z 2021 r.

Jest mnóstwo rodzajów samochodów elektrycznych.

Niezależnie od tego, czy jest to pojazd elektryczny, czy HEV, jest to pojazd elektryczny lub xEV. Jego szczegółowa klasyfikacja jest następująca:

               

Mild Hybrid Electric Vehicle (MHEV): Pojazdy wykorzystujące silnik spalinowy (lub silnik cieplny) i silnik elektryczny, zwykle wykorzystujący pomocniczy silnik ICE o mocy 10–20 kW, w tym pojazdy 48 V (mid hybrid) wyposażone w akumulatory niskonapięciowe.

               

Hybrydowy pojazd elektryczny (full HEV, mocny HEV): pojazd wykorzystujący silnik spalinowy i silnik elektryczny. Silnik elektryczny zasilany jest z akumulatora wysokiego napięcia, który może zapewnić silnikowi dużą moc. Zakres mocy wynosi 70-170kW, a akumulatora nie można ładować z sieci energetycznej. Pojemność energetyczna akumulatora jest stosunkowo niewielka (około 2-5 kWh), przez co zasięg w trybie E jest ograniczony (kilka kilometrów);

               

Hybrydowy pojazd elektryczny typu plug-in (PHEV): Pojazd wykorzystujący silnik spalinowy i silnik elektryczny (jak w pełni hybrydowy). Akumulator PHEV-a można ładować z sieci energetycznej, dlatego zawiera wbudowaną ładowarkę i wtyczkę do ładowania. Pojemność akumulatora jest większa niż w pełnym HEV i zwykle wynosi około 9 kWh. Jeśli używana jest ładowarka dwukierunkowa, samochód może służyć jako źródło zasilania w zastosowaniach V2G (pojazd do sieci) i V2H (pojazd do domu).

               

Pojazd elektryczny o zwiększonym zasięgu (EREV): Jest to pojazd elektryczny na akumulator, który zawiera pomocniczą jednostkę napędową (APU) zwaną „przedłużaczem przebiegu”. Ten mały generator to zwykle silnik spalinowy (ICE), ale można również zastosować ogniwo paliwowe. Generator ładuje akumulator, który dostarcza energię do silnika pojazdu. Układ ten nazywany jest szeregowym hybrydowym układem napędowym. Przedłużacz przebiegu nie nadaje się do codziennego użytku, a jedynie ma zastosowanie w przypadku, gdy kierowca musi wydłużyć przebieg pojazdu, aby dotrzeć do kolejnej stacji ładowania.

                               

Pojazd napędzany paliwem elektrycznym (FCEV, FCV lub pojazd napędzany wodorem): ma tylko silnik (bez silnika ICE) i jest zwykle nazywany pojazdem napędzanym wodorem. W rzeczywistości jest to pojazd elektryczny, który wytwarza energię elektryczną z wodoru za pomocą ogniw paliwowych. FCEV zawiera akumulatory (lub baterie superkondensatorów) umożliwiające realizację określonych funkcji, takich jak odzyskiwanie energii hamowania itp. Akumulator jest akumulatorem wysokiego napięcia, który zazwyczaj ma małą pojemność energetyczną (kilka kWh). Niektóre FCEV wykorzystują większe akumulatory (około 10 kWh, które można ładować z sieci energetycznej, podobnie jak PHEV, aby zapewnić ekologiczną jazdę (zakładając, że prąd ładowania jest wytwarzany przez czyste odnawialne źródła energii, takie jak fotowoltaika lub energia wiatrowa). Dwukierunkowa ładowarka w FCEV może być używana jako zasilacz w zastosowaniach V2G i V2H.

Pojazd nowej energii (NEV): termin używany przez rząd chiński, obejmujący PHEV, BEV, FCEV itp. Opracowanie nowych pojazdów energetycznych może sprawić, że polityki wydawane przez państwo będą bardziej zrównoważone, obejmować więcej iteracji technicznych i pomóc w osiągnięciu płynnego przejścia. Poprzez mechanizmy okresowych dostosowań i wycofywania przedsiębiorstwa są stale zachęcane do wypróbowywania nowych technologii. W tradycyjnych samochodach istnieje duża przepaść między Chinami a zagranicą, zwłaszcza w silnikach, które wiążą się z wysokimi barierami technicznymi. Twórz nowe rzeczy, różnica w stosunku do zagranicy nie jest duża, aby w przyszłości uniknąć eliminacji przez zagraniczną technologię.

W ostatnich latach rynek xEV szybko się rozwinął, dzięki zaangażowaniu rządów w osiągnięcie neutralności emisyjnej w 2050 roku. Wprowadzenie pojazdów elektrycznych jest kluczem do ograniczenia emisji dwutlenku węgla, a producenci OEM, Tier 1 i producenci półprzewodników mocy będą ewoluować wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych.

W aplikacji xEV poziom systemu obejmuje główny falownik i generator, przetwornicę podwyższającą, przetwornicę DC-DC i ładowarkę samochodową; Typy pakietów obejmują moduły dyskretne i zasilające; Urządzenia mocy obejmują tranzystory MOSFET z krzemu, tranzystory IGBT z krzemu, tranzystory BJT z krzemu (tranzystor bipolarny), tranzystory MOSFET z węglika krzemu (SiC) i tranzystory HEMT z azotku galu (GaN) itp.

BEV jest liderem technologii wysokiego napięcia

Dzięki rygorystycznym celom w zakresie redukcji emisji dwutlenku węgla i neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla w różnych krajach, przemysł motoryzacyjny wykonał duży krok w kierunku elektryfikacji samochodów. Choć każdy OEM ma odmienne strategie elektryfikacji, szczególnie w różnych regionach, łączy ich wspólny cel, jakim jest zwiększenie udziału pojazdów BEV w swojej flocie. Elektryfikacja hybrydowa jest nadal opcją w perspektywie najbliższych 10–15 lat, choć nie spełnia długoterminowego celu, jakim jest neutralność emisyjna.

Pomimo wpływu epidemii COVID-19, technologia BEV napędzana globalną elektryfikacją wciąż przyspiesza, ilość urządzeń energoelektronicznych w różnych przetwornicach takich jak falownik trakcyjny, DC-DC, OBC (ładowarka pokładowa) stale rośnie, moc EV System /HEV przechodzi na napięcie 48 V, a trend w zakresie akumulatorów również zmienia się z 400 V na 800 V.

Wybór elektryfikacji jest bezpośrednio powiązany z wyborem architektury technicznej mocy przetwornicy lub pojemności akumulatora, co doprowadzi do zupełnie odmiennych charakterystyk użytkowych różnych pojazdów. Yole spodziewa się, że w ciągu najbliższych pięciu lat, wraz z wprowadzeniem do samochodów akumulatorów 48 V, rynek półprzewodników mocy związanych z MHEV będzie nadal rósł. Ponadto, od pojazdów hybrydowych po BEV, zawartość półprzewodników w każdym pojeździe będzie wzrastać wraz ze wzrostem poziomu elektryfikacji.

W rzeczywistości BEV promuje szybki rozwój tej technologii. W związku z tym użytkownicy oczywiście wymagają przejechania większej odległości w krótszym czasie ładowania, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów. Istnieje kilka sposobów na zwiększenie zasięgu jazdy, np. optymalizacja konstrukcji akumulatora w celu zwiększenia jego pojemności energetycznej lub poprawienie wydajności falownika. Z kolei w celu skrócenia czasu ładowania akumulatorów na całym świecie wdrażane są ładowarki dużej mocy (do 350kW). Aby uniknąć wyzwań związanych z wysokim poziomem prądu, trendem rozwojowym jest zwiększanie napięcia akumulatora. Zwiększenie napięcia akumulatora z obecnego 400 V do 800 V może zapewnić szybsze ładowanie i zapewnić wysoką wartość dodaną użytkownikom samochodów.

W rzeczywistości Porsche i Hyundai przyjęły już akumulatory 800 V, a inne firmy pójdą ich śladem. Ponieważ główny falownik pracuje przy wyższym napięciu, jego półprzewodnikowe elementy mocy również muszą mieć wyższe napięcie znamionowe, zwykle 1200 V V. Przejście z komponentów 600 V-750 V na komponenty 1200 V zapewniło niektórym dostawcom nowe możliwości biznesowe, podczas gdy działalność innych zostanie ograniczona. Wybór elektryfikacji pojazdów i różne technologie doprowadzą do różnych strategii przyjętych przez głównych producentów OEM.

     

Główne czynniki napędowe pojazdów elektrycznych

O zasięgu pojazdów elektrycznych decyduje nie tylko akumulator, ale ważną rolę odgrywa także sprawność całego układu napędowego. Zespół Instytutu Niezawodności i Mikrointegracji Flawn Hof (IZM) w Berlinie opracowuje elektroniczną jednostkę sterującą-przetwornicę mocy dla czysto elektrycznego systemu zasilania Porsche Mission E, który może efektywniej przekształcać energię między akumulatorem a silnikiem niż istniejący schemat .

     

Falownik Porsche SiC

Naukowcy i eksperci swoich partnerów branżowych stosują szczególnie wydajne tranzystory półprzewodnikowe SiC, aby zapewnić, że moc pobierana przez prąd przepływający przez tranzystory jest mniejsza. Chcą zastosować jak najmniej tranzystorów, bo każde urządzenie SiC będzie zużywało trochę energii i trzeba je chłodzić. Naukowcy przeprojektowali elementy chłodzące falownika, aby uzyskać najlepszy efekt chłodzenia. Optymalizując w ten sposób układ przeniesienia napędu, przebieg pojazdów elektrycznych docelowo wzrośnie o 6%.

Aby rozwiązać problem polegający na tym, że różne materiały modułu mocy mają różny stopień rozszerzalności, w nowym elemencie chłodzącym zastosowano bardzo cienką metalową płytkę, która kompensuje naprężenia spowodowane niewielkim odkształceniem podczas ogrzewania lub chłodzenia i przedłuża żywotność. Aby zmniejszyć naprężenia modułu falownika, konstrukcja złożona z elementów chłodzących i tranzystorów SiC jest połączona z resztą układu elektronicznego poprzez skręcenie elastycznych cienkich drutów miedzianych, aby zapobiec pęknięciom. Można zauważyć, że system wysokiego napięcia 800 V jest właśnie tam, gdzie można wykorzystać działanie SiC w wysokich temperaturach.

Falownik trakcyjny to duże zapotrzebowanie na urządzenia energoelektroniczne.

W pojazdach EV/HEV występują zasadniczo trzy typy przetwornic: falownik główny, przetwornica DC-DC, generator i OBC. Ze względu na wysoki poziom mocy falownik główny jest największym rynkiem w przetwornicy, z największą zawartością półprzewodników mocy. W związku z tym oczekuje się, że do 19.5 r. główny rynek falowników osiągnie wartość 2026 miliarda dolarów, co będzie stanowić 67% rynku przetwornic EV/HEV, przy łącznej rocznej stopie wzrostu wynoszącej 26.9%.

Jeśli chodzi o rynek półprzewodników mocy, to ze względu na znaczną konkurencję techniczną między modułami IGBT i SiC, przewiduje się, że jego wartość wzrośnie trzykrotnie w latach 2020–2026. W rzeczywistości obecny koszt modułu SiC nadal wynosi około trzy razy więcej niż koszt modułu IGBT 650 V, lecz gdy partia produkcyjna będzie większa, a wraz z przejściem na wafle 8-calowe i popularnością urządzeń 1200 V z wyższym napięciem baterii, różnica ta będzie się stopniowo zmniejszać.

Na łańcuch dostaw pojazdów EV/HEV w dalszym ciągu wpływa rosnący popyt i trendy technologiczne. Chociaż wiodący producenci półprzewodników EV/HEV współpracują z innymi producentami półprzewodników do zastosowań energetycznych (takimi jak Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric i Anselme), innymi firmami (Tier 1, OEM, producenci półprzewodników mocy i nowicjusze w zakresie czystych modułów) dostarczają również moduły mocy do pojazdów EV/HEV.

Podobna sytuacja ma miejsce w obszarze projektowania i produkcji akumulatorów, a producenci OEM, tacy jak Tesla i General Motors, w dalszym ciągu starają się kontrolować swoje łańcuchy dostaw. Konkurencja na poziomie OEM również otworzyła dwie główne ścieżki: pierwsza polega na tym, że tradycyjni producenci OEM z dojrzałymi rynkami i znanymi markami zwracają swoją działalność w stronę pojazdów elektrycznych; Z drugiej strony w różnych częściach świata pojawiają się producenci OEM pojazdów elektrycznych (takich jak Weilai, Rivian, Rimac, Tucki i Hezhong), a niektórzy z nich, na czele z Teslą, szybko zwiększają swoją sprzedaż z roku na rok. Wprowadzane nowe modele charakteryzują się zazwyczaj lepszą efektywnością kosztową, co prowadzi do ciągłego kształtowania sprzedaży dziesięciu najlepszych samochodów.

     

Rynek półprzewodnikowych urządzeń mocy XEV (mln USD)

SiC wkracza na czerwony dywan pojazdów EV/HEV

Teraz samochody, które nie korzystają z SiC, wstydzą się nazywać podróżami elektrycznymi. W ciągu ostatnich kilku lat, zwłaszcza odkąd Tesla wprowadziła SiC do swojego głównego falownika Modelu 3, przyjęcie SiC w pojazdach EV/HEV spowodowało ogromne reperkusje. Jednak nie wszystkie konwertery i wszystkie typy pojazdów zelektryfikowanych nadają się do pracy z tym drogim materiałem.

Nie ma wątpliwości, że BEV jest zwycięzcą przyjęcia SiC, ponieważ wymaga długich przebiegów i szybkiego czasu ładowania. Dlatego też wraz ze wzrostem wydajności konwertera kompensowany jest zwiększony koszt konwertera, oszczędzając w ten sposób koszt akumulatora. Nic więc dziwnego, że zastosowanie SiC w głównym falowniku stało się wspólnym celem głównych producentów OEM, a Daimler i Hyundai wkrótce wdrożyli go w głównym falowniku.

Chociaż koszt urządzeń SiC jest wyższy niż urządzeń krzemowych, pomaga to obniżyć koszt akumulatora i zwiększyć zasięg przelotowy, skutecznie obniżając w ten sposób koszt całego pojazdu. Korzystanie z falownika SiC może zaoszczędzić około 200 dolarów na samochodzie oraz zmniejszyć rozmiar i wagę głównego falownika.

Obecnie Infineon, Cree(Wolfspeed) i stmicroelectronics wprowadziły serię urządzeń z chipami SiC. Wielu producentów półprzewodników uważa moduły SiC za cel zastosowań w pojazdach elektrycznych. Szacuje się, że do 2026 roku rynek modułów SiC będzie stanowić 32% rynku półprzewodników EV/HEV.

     

Echo SiC i 800V

Chociaż każdy producent OEM ma własną strategię przyjęcia SiC, Tesla znacznie poprawiła swoją wydajność dzięki technologii SiC, a przyjęcie akumulatorów 800 V również zwiększyło wykorzystanie SiC, w związku z czym coraz więcej producentów OEM podąża za nimi. Obecnie Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy i Geely korzystają z urządzeń SiC w OBC i DC-DC w niektórych swoich modelach; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely itp. stosowały urządzenia SiC w sterownikach silników; Więcej firm samochodowych zastosuje SiC w głównym falowniku, w tym Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi i nowi producenci samochodów Weilai, Tucki, Ideality itp. Wiele firm Tier 1 udostępniło również plany napędów elektrycznych SiC, w tym Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric i tak dalej.

Jedno jest pewne, niezależnie od tego, czy technologia jest dobra, czy zła, aplikacja jest najlepsza. W branży motoryzacyjnej urządzenia SiC będą przez długi czas współistnieć z urządzeniami na bazie krzemu. Jeśli chodzi o lokalizację, w porównaniu z zagranicą, nadal istnieje pewna luka w procesie produkcyjnym krajowych urządzeń SiC, zwłaszcza jeśli chodzi o dalszą poprawę wydajności. Kolejnym kluczowym pytaniem jest to, czy firmy samochodowe odważą się korzystać z urządzeń domowych, co wymaga pewnej odwagi i naukowego podejścia, a testowanie i weryfikacja na drodze zajmuje trochę czasu.

Przyspieszenie wsadowego wprowadzenia elektryfikacji

Realizacja pierwotnej strategii elektryfikacji pojazdów nabiera tempa, ponieważ w niektórych obszarach/miastach obowiązuje zakaz stosowania pojazdów z silnikiem diesla, a preferencje klientów wobec pojazdów typu SUV rosną. „Drzwi diesla” Volkswagena, „efekt Tesli”, zachęty dla pojazdów zeroemisyjnych w Chinach, redukcja kosztów akumulatorów, cel redukcji emisji dwutlenku węgla, NEDC (Nowe europejskie warunki jazdy) →WLTP (Globalna ujednolicona procedura testowania pojazdów lekkich), w tym Epidemia COVID-19, wszystkie promują proces elektryfikacji pojazdów.

     

Przyspieszenie elektryfikacji pojazdów

Obecnie w technologii energoelektroniki EV/HEV główny falownik może być urządzeniem dyskretnym lub modułem, w zależności od rodzaju elektryfikacji i innego poziomu mocy wybranego przez producenta. Zasilacz DC-DC 48–12 V jest w zasadzie urządzeniem dyskretnym o napięciu 80–100 V; HV-12V DC-DC to zasadniczo dyskretne urządzenie o napięciu 500–650 V i 80–100 V; OBC to w zasadzie dyskretne urządzenie o napięciu 600–650 V; Przetwornik podwyższający jest w zasadzie dyskretnym urządzeniem o napięciu 600 V.

     

Urządzenia zasilające stosowane dla każdego typu xEV

Dlatego moduły, zwłaszcza urządzenia i moduły mocy SiC, mają dużą przestrzeń do wprowadzenia. Niektórzy zagraniczni producenci OEM zaczęli stosować diody barierowe Schottky'ego SiC i MOSFET-y w układach OBC w 2018 roku. Następnie wskaźnik penetracji rynku nadal rósł, a następnie producenci przeszli na sterowniki silników i falowniki główne o wyższych wymaganiach dotyczących niezawodności. Jest to również proces przejścia od urządzeń dyskretnych do modułów w całości wykonanych z SiC.

Największym popytem w imporcie cieszą się pojazdy elektryczne o dużym zasięgu. Oczekuje się, że do roku 500 stopień penetracji SiC w sterownikach silników pojazdów o zasięgu przekraczającym 100 km będzie bliski 2024%; Ogólny wskaźnik penetracji pojazdów poniżej 500 km może osiągnąć 40%.

Niewątpliwie niemal wszyscy producenci OEM pojazdów elektrycznych uwzględnili zastosowanie urządzeń SiC w planach rozwoju nowych projektów i oczekuje się, że SiC stanie się węzłem wybuchowym na rynku pojazdów elektrycznych w 2025 roku.

Zastrzeżenie: Ten artykuł został skopiowany z „TechSugar”. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania w celu wspierania ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.

Tel firmy: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li
QQ: 332496225 Menedżer Qiu
Adres: pokój 809, blok C, budynek Zhantao Technology, nr 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen