Até 2026, a rigorosa meta de emissões de CO2 fará com que a percentagem de veículos eléctricos/veículos híbridos (EV/HEV) em todos os automóveis de passageiros atinja 38%, o que significa que várias tecnologias de semicondutores e dispositivos de energia ganharão uma oportunidade de mercado de 5.6 mil milhões de dólares. Este é o julgamento da Yole Dedevelopment, empresa de pesquisa de mercado, em Tecnologia de Eletrônica de Potência de Veículos Elétricos em 2021.

Existem tantos tipos de carros elétricos.

Quer seja EV ou HEV, é um veículo elétrico ou xEV. Sua classificação específica é a seguinte:

               

Veículo Elétrico Mild Hybrid (MHEV): Veículos que utilizam motor de combustão interna (ou motor térmico) e motor elétrico, geralmente utilizando motor ICE auxiliar com potência de 10-20kW, incluindo veículos de 48V (híbridos moderados) equipados com baterias de baixa tensão.

               

Veículo elétrico híbrido (HEV completo, HEV forte): veículo que utiliza motor de combustão interna e motor elétrico. O motor elétrico é alimentado por uma bateria de alta tensão, que pode fornecer alta potência ao motor. A faixa de potência é de 70 a 170 kW e a bateria não pode ser carregada na rede elétrica. A capacidade de energia da bateria é relativamente baixa (cerca de 2-5 kWh), portanto a autonomia no modo E é limitada (vários quilômetros);

               

Veículo Elétrico Híbrido Plug-in (PHEV): Um veículo que utiliza um motor de combustão interna e um motor elétrico (como um híbrido completo). A bateria do PHEV pode ser carregada na rede elétrica, portanto contém um carregador integrado e um plugue de carregamento. A capacidade da bateria é maior que a do HEV completo, geralmente cerca de 9 kWh. Se for usado um carregador bidirecional, o carro pode ser usado como fonte de energia para aplicações V2G (veículo para rede) e V2H (veículo para casa).

               

Veículo Elétrico de Alcance Estendido (EREV): É um veículo elétrico a bateria que inclui uma unidade de potência auxiliar (APU) denominada “extensor de quilometragem”. Este pequeno gerador geralmente é um motor de combustão interna (ICE), mas uma célula de combustível também pode ser usada. O gerador carrega a bateria, que fornece energia ao motor do veículo. Esse arranjo é chamado de trem de força híbrido em série. O extensor de quilometragem não é adequado para uso diário e aplica-se apenas no caso em que o condutor necessita de prolongar a quilometragem do veículo para chegar à próxima estação de carregamento.

                               

Veículo elétrico a combustível (FCEV, FCV ou veículo movido a hidrogênio): Possui apenas motor (sem motor ICE), e costuma ser chamado de veículo movido a hidrogênio. Na verdade, é um veículo elétrico que gera eletricidade a partir do hidrogênio por meio de células de combustível. O FCEV contém baterias (ou bancos de supercapacitores) para realizar certas funções, como recuperação de energia de frenagem, etc. A bateria é uma bateria de alta tensão, que geralmente possui baixa capacidade energética (vários kWh). Alguns FCEV utilizam baterias maiores (cerca de 10 kWh, que podem ser carregadas a partir da rede eléctrica, semelhante ao PHEV, para conseguir uma condução mais limpa (assumindo que a electricidade de carregamento é gerada por fontes de energia renováveis ​​limpas, como a energia fotovoltaica ou eólica). O carregador bidirecional em FCEV pode ser usado como fonte de alimentação para aplicações V2G e V2H.

Veículo de Nova Energia (NEV): um termo usado pelo governo chinês, incluindo PHEV, BEV, FCEV, etc. A formulação de novos veículos energéticos pode tornar as políticas emitidas pelo Estado mais sustentáveis, abranger mais iterações técnicas e ajudar a alcançar uma transição suave. Através de mecanismos periódicos de ajuste e retirada, as empresas são constantemente incentivadas a experimentar novas tecnologias. Nos carros tradicionais, existe uma grande lacuna entre a China e os países estrangeiros, especialmente os motores, que envolvem elevadas barreiras técnicas. Faça coisas novas, o fosso com o estrangeiro não é grande, para evitar ser eliminado pela tecnologia estrangeira no futuro.

Nos últimos anos, o mercado xEV desenvolveu-se rapidamente, graças ao compromisso dos governos em alcançar a neutralidade carbónica em 2050. A adoção de veículos elétricos é a chave para reduzir as emissões de dióxido de carbono, e os OEMs, os fabricantes de Tier 1 e de semicondutores de potência evoluirão com o crescimento dos veículos elétricos.

Na aplicação xEV, o nível do sistema envolve inversor e gerador principal, conversor boost, conversor DC-DC e carregador de veículo; Os tipos de pacote incluem módulos discretos e de fonte de alimentação; Os dispositivos de energia incluem MOSFET de silício, IGBT de silício, BJT de silício (transistor bipolar), MOSFET de carboneto de silício (SiC) e HEMT de nitreto de gálio (GaN), etc.

BEV lidera tecnologia de alta tensão

Com a rigorosa redução das emissões de dióxido de carbono e as metas de neutralidade de carbono de vários países, a indústria automóvel deu um grande passo em direção à eletrificação dos automóveis. Embora cada OEM tenha estratégias de eletrificação diferentes, especialmente em diferentes regiões, têm um objetivo comum, ou seja, aumentar a quota de BEV na sua frota. A eletrificação híbrida ainda é uma opção nos próximos 10-15 anos, embora não cumpra o objetivo de longo prazo de neutralidade carbónica.

Apesar da influência da epidemia de COVID-19, a tecnologia BEV impulsionada pela eletrificação global ainda está a acelerar, os dispositivos eletrónicos de potência em diferentes conversores, como inversor de tração, DC-DC, OBC (carregador de bordo) continuam a aumentar, o EV O sistema /HEV está em transição para 48V e a tendência da bateria também está mudando de 400V para 800V.

A escolha da eletrificação está diretamente relacionada à escolha da arquitetura técnica da potência do conversor ou da capacidade da bateria, o que levará a características de desempenho completamente diferentes de diferentes veículos. Yole espera que nos próximos cinco anos, com a adição de baterias de 48V nos automóveis, o mercado de semicondutores de potência relacionados ao MHEV continue a crescer. Além disso, dos veículos híbridos aos BEV, o conteúdo de semicondutores de cada veículo aumentará com a melhoria do nível de eletrificação.

Na verdade, o BEV está a promover o rápido desenvolvimento desta tecnologia. A este respeito, os utilizadores obviamente necessitam de percorrer uma distância maior num tempo de carregamento mais curto, ao mesmo tempo que reduzem o custo. Existem várias maneiras de aumentar a autonomia, como otimizar o design da bateria para aumentar sua capacidade energética ou melhorar a eficiência do inversor. Por outro lado, para reduzir o tempo de carregamento da bateria, carregadores de alta potência (até 350 kW) são implantados em todo o mundo. Para evitar os desafios associados aos elevados níveis de corrente, a tendência de desenvolvimento é aumentar a tensão da bateria. Aumentar a tensão da bateria da corrente de 400 V para 800 V pode realizar um carregamento mais rápido e fornecer alto valor agregado para os usuários de automóveis.

Na verdade, a Porsche e a Hyundai já adotaram baterias de 800V e outras empresas seguirão o exemplo. Como o inversor principal opera com tensão mais alta, seus componentes semicondutores de potência também devem ter uma tensão nominal mais alta, geralmente 1200V V. A transição de componentes de 600V-750V para componentes de 1200V trouxe novas oportunidades de negócios para alguns fornecedores, enquanto os negócios de outros serão reduzidos. A escolha da eletrificação dos veículos e as diferentes escolhas tecnológicas levarão a diferentes estratégias adotadas pelos principais OEMs.

     

Principais fatores impulsionadores dos veículos elétricos

A autonomia de cruzeiro dos veículos elétricos não é determinada apenas pela bateria, mas também a eficiência de todo o sistema de energia desempenha um papel importante. Uma equipe do Instituto Flawn Hof de Confiabilidade e Microintegração (IZM) em Berlim está desenvolvendo uma unidade de controle eletrônico-inversor de potência para o sistema de energia elétrico puro Mission E da Porsche, que pode converter a energia entre a bateria e o motor de forma mais eficaz do que o esquema existente. .

     

Inversor de potência Porsche SiC

Pesquisadores e especialistas de seus parceiros industriais usam transistores semicondutores de SiC particularmente eficientes para garantir que a energia consumida pela corrente que flui através dos transistores seja menor. Eles querem usar o menor número de transistores, porque cada dispositivo SiC consumirá alguma energia e precisará ser resfriado. Os pesquisadores redesenharam os elementos de resfriamento do inversor de potência para obter o melhor efeito de resfriamento. Ao otimizar o sistema de transmissão desta forma, a quilometragem dos veículos elétricos acabará por aumentar em 6%.

Para resolver o problema de diferentes materiais do módulo de potência terem diferentes taxas de expansão, o novo elemento de resfriamento adota uma placa de metal muito fina para compensar o estresse causado por uma leve deformação durante o aquecimento ou resfriamento e prolongar a vida útil. Para reduzir o estresse do módulo inversor de potência, a estrutura composta por elementos de resfriamento e transistores de SiC é conectada ao restante do sistema eletrônico por meio de torção de fios de cobre finos e flexíveis para evitar rachaduras. Pode-se observar que o sistema de alta tensão de 800 V é exatamente onde o desempenho de alta temperatura do SiC pode ser usado.

O inversor de tração é uma grande demanda por dispositivos eletrônicos de potência.

Existem basicamente três tipos de conversores em EV/HEV: inversor principal, conversor DC-DC, gerador e OBC. Devido ao seu alto nível de potência, o inversor principal é o maior mercado no conversor, com o maior conteúdo de semicondutores de potência. Portanto, espera-se que o principal mercado de inversores atinja US$ 19.5 bilhões até 2026, representando 67% do mercado de conversores EV/HEV, com uma taxa composta de crescimento anual de 26.9%.

No que diz respeito ao mercado de semicondutores de potência, devido à significativa competição técnica entre módulos IGBT e SiC, espera-se que seu valor triplique entre 2020 e 2026. Na verdade, o custo atual do módulo SiC ainda é cerca de três vezes maior que o do módulo IGBT de 650 V, mas quando o lote de produção for maior, com a transição para wafers de 8 polegadas e a popularidade de dispositivos de 1200 V com maior voltagem de bateria, essa diferença diminuirá gradualmente.

A cadeia de fornecimento de EV/HEV continua a ser afetada pela crescente demanda e pelas tendências tecnológicas. Embora os principais fabricantes de semicondutores EV/HEV sejam consistentes com outros fabricantes de semicondutores para aplicações de energia (como Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric e Anselme), outras empresas (Tier 1, OEM, fabricantes de semicondutores de potência e recém-chegados de módulos puros) também fornecem módulos de energia para EV/HEV.

Uma situação semelhante ocorre no domínio da concepção e fabrico de baterias, e OEMs como a Tesla e a General Motors estão a tentar controlar ainda mais as suas cadeias de abastecimento. A concorrência a nível dos OEM também abriu duas vias principais: uma é que os OEM tradicionais com mercados maduros e marcas bem conhecidas estão a transformar os seus negócios em veículos eléctricos; Por outro lado, OEMs de veículos eléctricos puros estão a surgir em diferentes partes do mundo (como Weilai, Rivian, Rimac, Tucki e Hezhong), e alguns deles, liderados pela Tesla, estão a aumentar rapidamente as suas vendas ano após ano. Os novos modelos introduzidos costumam ter melhor desempenho de custos, o que leva à contínua reformulação das vendas dos dez principais carros.

     

Mercado de dispositivos semicondutores de potência XEV (milhões de dólares)

SiC caminha no tapete vermelho de EV/HEV

Agora, os carros que não usam SiC têm vergonha de chamar viagens elétricas. Nos últimos anos, especialmente desde que a Tesla introduziu o SiC em seu inversor principal Modelo 3, a adoção do SiC em EV/HEV causou grande repercussão. Mas nem todos os conversores ou todos os tipos de veículos eletrificados são adequados para este material caro.

Não há dúvida de que o BEV é o vencedor ao adotar o SiC, pois requer longa quilometragem e tempo de carregamento rápido. Portanto, com a melhoria da eficiência do conversor, o aumento do custo do conversor é compensado, economizando assim o custo da bateria. Portanto, não é surpreendente que o uso de SiC no inversor principal tenha se tornado o objetivo comum dos principais OEMs, e a Daimler e a Hyundai logo o incorporaram no inversor principal.

Embora o custo dos dispositivos de SiC seja superior ao dos dispositivos de silício, isso ajuda a reduzir o custo da bateria e a aumentar a autonomia de cruzeiro, reduzindo assim efetivamente o custo de todo o veículo. Usar o inversor SiC pode economizar cerca de US$ 200 por carro e reduzir o tamanho e o peso do inversor principal.

Hoje em dia, Infineon, Cree (Wolfspeed) e stmicroelectronics introduziram uma série de dispositivos com chips SiC. Muitos fabricantes de semicondutores consideram os módulos de SiC o alvo de aplicações em veículos elétricos. Estima-se que até 2026, o mercado de módulos SiC representará 32% do mercado de semicondutores EV/HEV.

     

Eco de SiC e 800V

Embora cada OEM tenha sua própria estratégia de adoção de SiC, a Tesla melhorou significativamente seu desempenho com a tecnologia SiC, e a adoção da bateria de 800V também aumentou o uso de SiC, e mais OEMs estão acompanhando. Atualmente, Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy e Geely usam dispositivos SiC em OBC e DC-DC de alguns de seus modelos; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely, etc. usaram dispositivos SiC em controladores de motor; Mais montadoras adotarão o SiC no inversor principal, incluindo Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi e as novas montadoras Weilai, Tucki, Ideality, etc. Muitas empresas de nível 1 também lançaram planos de acionamento elétrico SiC, incluindo Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric e assim por diante.

Uma coisa é certa: seja a tecnologia boa ou ruim, a aplicação é a melhor. Na área automotiva, os dispositivos SiC coexistirão com dispositivos baseados em silício por muito tempo. Em termos de localização, em comparação com países estrangeiros, ainda existe uma certa lacuna no processo de fabricação de dispositivos SiC nacionais, especialmente a taxa de rendimento que precisa ser melhorada. Outra questão fundamental é se as montadoras se atrevem a usar dispositivos domésticos, o que exige certa coragem e atitude científica, e leva algum tempo para testar e verificar na estrada.

Acelerar a introdução em lote de eletrificação

A implementação da estratégia inicial de eletrificação de veículos está a acelerar, porque os veículos a gasóleo são proibidos em algumas zonas/cidades e a preferência dos clientes por veículos SUV está a aumentar. "porta diesel" da Volkswagen, "efeito Tesla", incentivos para veículos com emissão zero na China, redução de custos de bateria, meta de redução de emissões de dióxido de carbono, NEDC (Novas Condições de Condução Europeias) →WLTP (Procedimento Global Unificado de Teste de Veículos Leves), incluindo o Epidemia de COVID-19, estão todos promovendo o processo de eletrificação de veículos.

     

Aceleração de eletrificação de veículos

Atualmente, na tecnologia de eletrônica de potência de EV/HEV, o inversor principal pode ser um dispositivo discreto ou um módulo de acordo com o tipo de eletrificação e os diferentes níveis de potência selecionados pelo fabricante. O 48-12V DC-DC é basicamente um dispositivo discreto de 80-100V; HV-12V DC-DC é basicamente um dispositivo discreto de 500-650V e 80-100V; OBC é basicamente um dispositivo discreto de 600-650V; O conversor boost é basicamente um dispositivo discreto de 600V.

     

Dispositivos de energia usados ​​para cada tipo de xEV

Portanto, os módulos, especialmente os dispositivos e módulos de energia SiC, possuem um grande espaço para introdução. Alguns OEMs estrangeiros começaram a usar diodos de barreira SiC Schottky e MOSFET em OBC em 2018. Depois disso, a taxa de penetração no mercado continuou a aumentar e, em seguida, eles fizeram a transição para controladores de motor e inversores principais com requisitos de confiabilidade mais elevados. Este também é o processo de transição de dispositivos discretos para módulos totalmente SiC.

A maior demanda para importação são veículos elétricos com longo alcance de cruzeiro. Espera-se que a taxa de penetração do SiC nos controladores de motores de veículos com autonomia de cruzeiro superior a 500 km se aproxime dos 100% até 2024; A taxa global de penetração de veículos com menos de 500 km pode chegar a 40%.

Sem dúvida, quase todos os OEMs de veículos elétricos incluíram a aplicação de dispositivos SiC em novos planos de desenvolvimento de projetos, e espera-se que o SiC se torne o nó explosivo no mercado de veículos elétricos em 2025.

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