К 2026 году строгий целевой показатель выбросов CO2 приведет к тому, что доля электромобилей/гибридных транспортных средств (EV/HEV) во всех легковых автомобилях достигнет 38%, а это означает, что различные полупроводниковые технологии и силовые устройства получат рыночные возможности в размере 5.6 миллиардов долларов США. Таково мнение компании Yole Dedevelopment, занимающейся исследованием рынка, в исследовании Power Electronics Technology of Electric Vehicles в 2021 году.

Существует очень много видов электромобилей.

Будь то EV или HEV, это электромобиль или xEV. Его конкретная классификация выглядит следующим образом:

               

Мягкий гибридный электромобиль (MHEV): Транспортные средства, использующие двигатель внутреннего сгорания (или тепловой двигатель) и электродвигатель, обычно использующий вспомогательный двигатель ДВС мощностью 10–20 кВт, включая автомобили с напряжением 48 В (мягкий гибрид), оснащенные низковольтными аккумуляторами.

               

Гибридный электромобиль (полный HEV, сильный HEV): автомобиль, в котором используется двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель. Электродвигатель питается от высоковольтной батареи, которая может обеспечить высокую мощность двигателя. Диапазон мощности составляет 70–170 кВт, аккумулятор нельзя заряжать от электросети. Энергетическая емкость его аккумулятора сравнительно невелика (около 2-5 кВтч), поэтому запас хода в режиме E ограничен (несколько километров);

               

Подключаемый гибридный электромобиль (PHEV): автомобиль, в котором используется двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель (как полный гибрид). Аккумулятор PHEV можно заряжать от электросети, поэтому он содержит встроенное зарядное устройство и зарядную вилку. Емкость аккумулятора больше, чем у полноценного HEV, обычно около 9кВтч. Если используется двустороннее зарядное устройство, автомобиль можно использовать в качестве источника питания для приложений V2G (автомобиль-сеть) и V2H (автомобиль-дом).

               

Электромобиль с увеличенным запасом хода (EREV): это электромобиль с аккумуляторной батареей, который включает в себя вспомогательную силовую установку (ВСУ), называемую «увеличителем пробега». Этот небольшой генератор обычно представляет собой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), но также можно использовать топливный элемент. Генератор заряжает аккумулятор, который обеспечивает питание двигателя автомобиля. Такая схема называется серийной гибридной трансмиссией. Устройство продления пробега не подходит для ежедневного использования и применяется только в том случае, если водителю необходимо увеличить пробег автомобиля, чтобы добраться до следующей зарядной станции.

                               

Топливный электромобиль (FCEV, FCV или автомобиль с водородным двигателем): он имеет только двигатель (без двигателя ДВС) и обычно называется транспортным средством с водородным двигателем. На самом деле это электромобиль, который генерирует электричество из водорода с помощью батареи топливных элементов. FCEV содержит батареи (или батареи суперконденсаторов) для выполнения определенных функций, таких как рекуперация энергии торможения и т. д. Аккумулятор представляет собой высоковольтную батарею, которая обычно имеет небольшую энергоемкость (несколько кВтч). Некоторые FCEV используют батареи большего размера (около 10 кВтч, которые можно заряжать от электросети, как и PHEV, для обеспечения более чистого вождения (при условии, что зарядное электричество генерируется из чистых возобновляемых источников энергии, таких как фотоэлектрическая или ветровая энергия). Двустороннее зарядное устройство FCEV можно использовать в качестве источника питания для приложений V2G и V2H.

Транспортное средство на новой энергии (NEV): термин, используемый правительством Китая, включая PHEV, BEV, FCEV и т. д. Разработка новых энергетических транспортных средств может сделать политику, проводимую государством, более устойчивой, охватывать больше технических итераций и помочь добиться плавного перехода. Благодаря механизму периодической корректировки и отказа предприятиям постоянно предлагается опробовать новые технологии. В традиционных автомобилях между Китаем и зарубежными странами существует большой разрыв, особенно в двигателях, которые связаны с высокими техническими барьерами. Делайте новые вещи, разрыв с зарубежными странами невелик, чтобы в будущем избежать устранения иностранных технологий.

В последние годы рынок xEV быстро развивался благодаря стремлению правительств достичь углеродной нейтральности к 2050 году. Внедрение электромобилей является ключом к сокращению выбросов углекислого газа, и OEM-производители, производители силовых полупроводников первого уровня и силовые полупроводники будут развиваться вместе с ростом электромобилей.

В приложении xEV уровень системы включает в себя главный инвертор и генератор, повышающий преобразователь, преобразователь постоянного тока и зарядное устройство автомобиля; Типы корпусов включают дискретные модули и модули питания; Силовые приборы включают кремниевые МОП-транзисторы, кремниевые IGBT, кремниевые BJT (биполярные транзисторы), МОП-транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и HEMT на основе нитрида галлия (GaN) и т. д.

BEV является лидером в области высоковольтных технологий

Благодаря строгому сокращению выбросов углекислого газа и достижению углеродно-нейтральных целей в различных странах автомобильная промышленность сделала большой шаг к электрификации автомобилей. Хотя каждый OEM-производитель имеет разные стратегии электрификации, особенно в разных регионах, у них есть общая цель — увеличить долю BEV в своем автопарке. Гибридная электрификация по-прежнему возможна в ближайшие 10–15 лет, хотя она не соответствует долгосрочной цели углеродной нейтральности.

Несмотря на влияние эпидемии COVID-19, технология BEV, вызванная глобальной электрификацией, продолжает развиваться, количество силовых электронных устройств в различных преобразователях, таких как тяговые инверторы, DC-DC, OBC (бортовое зарядное устройство), продолжает расти, /HEV-система переходит на 48 В, а напряжение батареи также меняется с 400 В на 800 В.

Выбор электрификации напрямую связан с выбором технической архитектуры преобразовательной мощности или емкости аккумулятора, что приведет к совершенно разным эксплуатационным характеристикам разных транспортных средств. Йол ожидает, что в ближайшие пять лет с появлением в автомобилях аккумуляторов на 48 В рынок силовых полупроводников, связанных с MHEV, продолжит расти. Кроме того, от гибридных автомобилей до BEV, содержание полупроводников в каждом автомобиле будет увеличиваться по мере повышения уровня электрификации.

Фактически, BEV способствует быстрому развитию этой технологии. В этом отношении пользователям, очевидно, необходимо проезжать большее расстояние за более короткое время зарядки, одновременно снижая стоимость. Существует несколько способов увеличить запас хода, например, оптимизация конструкции аккумулятора для увеличения его энергоемкости или повышение эффективности инвертора. С другой стороны, чтобы сократить время зарядки аккумуляторов, во всем мире распространены зарядные устройства большой мощности (до 350 кВт). Чтобы избежать проблем, связанных с высокими уровнями тока, тенденция развития заключается в увеличении напряжения батареи. Увеличение напряжения аккумулятора с нынешних 400 В до 800 В может обеспечить более быструю зарядку и обеспечить высокую добавленную стоимость для пользователей автомобилей.

Фактически, Porsche и Hyundai уже внедрили аккумуляторы на 800 В, и другие компании последуют этому примеру. Поскольку основной инвертор работает при более высоком напряжении, его силовые полупроводниковые компоненты также должны иметь более высокое номинальное напряжение, обычно 1200 В. Переход от компонентов на 600–750 В к компонентам на 1200 В открыл новые возможности для бизнеса некоторым поставщикам, в то время как бизнес других сократится. Выбор электрификации транспортных средств и выбор различных технологий приведут к разным стратегиям, принятым крупными OEM-производителями.

     

Основные движущие факторы электромобилей

Запас хода электромобилей определяется не только аккумулятором, но и эффективность всей энергосистемы играет важную роль. Команда Института надежности и микроинтеграции Флауна Хофа (IZM) в Берлине разрабатывает электронный блок управления-инвертор для силовой системы Porsche pure electric Mission E, который может преобразовывать энергию между аккумулятором и двигателем более эффективно, чем существующая схема. .

     

Инвертор мощности Porsche SiC

Исследователи и эксперты своих отраслевых партнеров используют особенно эффективные полупроводниковые SiC-транзисторы, чтобы обеспечить меньшую мощность, потребляемую током, протекающим через транзисторы. Они хотят использовать наименьшее количество транзисторов, поскольку каждое устройство SiC будет потреблять некоторую энергию и его необходимо охлаждать. Исследователи изменили конструкцию охлаждающих элементов инвертора, чтобы добиться наилучшего эффекта охлаждения. Благодаря такой оптимизации системы трансмиссии пробег электромобилей в конечном итоге увеличится на 6%.

Чтобы решить проблему, заключающуюся в том, что разные материалы силового модуля имеют разную степень расширения, в новом охлаждающем элементе используется очень тонкая металлическая пластина, чтобы компенсировать напряжение, вызванное небольшой деформацией во время нагрева или охлаждения, и продлить срок службы. Чтобы снизить нагрузку на модуль силового инвертора, конструкция, состоящая из охлаждающих элементов и SiC-транзисторов, соединена с остальной частью электронной системы путем скрутки гибких тонких медных проводов для предотвращения трещин. Видно, что высоковольтная система на 800 В — это именно то место, где можно использовать высокотемпературные характеристики SiC.

Тяговый инвертор пользуется большим спросом среди силовых электронных устройств.

В EV/HEV есть три типа преобразователей: главный инвертор, преобразователь постоянного тока, генератор и OBC. Из-за высокого уровня мощности основной инвертор является крупнейшим рынком преобразователей с самым высоким содержанием мощных полупроводников. Таким образом, ожидается, что к 19.5 году основной рынок инверторов достигнет 2026 миллиардов долларов США, что составит 67% рынка преобразователей EV/HEV, а совокупный годовой темп роста составит 26.9%.

Что касается рынка силовых полупроводников, то ввиду значительной технической конкуренции между модулями IGBT и SiC ожидается, что его стоимость утроится в период с 2020 по 2026 год. Фактически, текущая стоимость модуля SiC все еще примерно в три раза превышает стоимость модуля IGBT на 650 В, но при увеличении партии продукции, с переходом на 8-дюймовые пластины и популярностью устройств на 1200 В с более высоким напряжением батареи, этот разрыв постепенно сократится.

На цепочку поставок электромобилей и гибридных автомобилей по-прежнему влияют растущий спрос и технологические тенденции. Хотя ведущие производители полупроводников EV/HEV соответствуют другим производителям полупроводников для силовых приложений (таким как Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric и Anselme), другие компании (уровень 1, OEM, производители силовых полупроводников и новички в области чистых модулей) также поставляют силовые модули для электромобилей и гибридных автомобилей.

Аналогичная ситуация происходит в сфере проектирования и производства аккумуляторов, и такие OEM-производители, как Tesla и General Motors, и дальше пытаются контролировать свои цепочки поставок. Конкуренция на уровне OEM также открыла два основных пути: во-первых, традиционные OEM-производители со зрелыми рынками и известными брендами переключают свой бизнес на электромобили; С другой стороны, в разных частях мира появляются производители чисто электромобилей (например, Weilai, Rivian, Rimac, Tucki и Hezhong), и некоторые из них, во главе с Tesla, из года в год быстро увеличивают свои продажи. Представленные новые модели обычно имеют более высокие экономические показатели, что приводит к постоянному изменению продаж автомобилей первой десятки.

     

Рынок силовых полупроводниковых приборов XEV (млн долларов США)

SiC идет по красной дорожке EV/HEV

Теперь автомобили, в которых не используется SiC, стесняются называть путешествие на электротяге. За последние несколько лет, особенно после того, как Tesla внедрила SiC в свой основной инвертор Model 3, внедрение SiC в электромобили и гибридные электромобили вызвало большие последствия. Но не все преобразователи и не все виды электромобилей подходят для этого дорогостоящего материала.

Нет сомнений в том, что BEV является победителем внедрения SiC, поскольку он требует большого пробега и быстрой зарядки. Таким образом, повышение эффективности преобразователя компенсирует повышенную стоимость преобразователя, что позволяет сэкономить на стоимости батареи. Поэтому неудивительно, что использование SiC в основном инверторе стало общей целью крупных OEM-производителей, и вскоре Daimler и Hyundai включили его в основной инвертор.

Хотя стоимость устройств SiC выше, чем у кремниевых устройств, это помогает снизить стоимость батареи и увеличить запас хода, тем самым эффективно снижая стоимость всего транспортного средства. Использование инвертора SiC позволяет сэкономить около 200 долларов на автомобиль, а также уменьшить размер и вес основного инвертора.

Сегодня Infineon, Cree(Wolfspeed) и stmicroelectronics представили серию устройств с чипами SiC. Многие производители полупроводников рассматривают модули SiC как цель для электромобилей. Предполагается, что к 2026 году рынок модулей SiC будет составлять 32% рынка полупроводников EV/HEV.

     

Эхо SiC и 800В

Хотя каждый OEM-производитель имеет свою собственную стратегию внедрения SiC, Tesla значительно улучшила свои характеристики с помощью технологии SiC, а внедрение батареи на 800 В также увеличило использование SiC, и все больше OEM-производителей следуют этому примеру. В настоящее время Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy и Geely используют устройства SiC в OBC и DC-DC некоторых своих моделей; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely и т. д. использовали устройства SiC в контроллерах двигателей; Все больше автомобильных компаний будут использовать SiC в основном инверторе, в том числе Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi, а также производители новых автомобилей Weilai, Tucki, Ideality и т. д. Многие компании первого уровня также выпустили планы электропривода SiC, в том числе Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric и так далее.

Одно можно сказать наверняка: хорошая технология или плохая, приложение остается лучшим. В автомобильной сфере устройства на основе SiC еще долгое время будут сосуществовать с устройствами на основе кремния. С точки зрения локализации, по сравнению с зарубежными странами, все еще существует определенный разрыв в процессе производства отечественных SiC-устройств, особенно необходимо дальнейшее повышение производительности. Другой ключевой вопрос заключается в том, осмелятся ли автомобильные компании использовать отечественные устройства, что требует определенной смелости и научного подхода, а также требует некоторого времени для тестирования и проверки на дороге.

Ускоренное пакетное внедрение электрификации

Реализация первоначальной стратегии электрификации транспортных средств ускоряется, поскольку дизельные автомобили запрещены в некоторых районах/городах, а предпочтение клиентов внедорожникам растет. «Дизельная дверь» Volkswagen, «Эффект Теслы», стимулы для автомобилей с нулевым уровнем выбросов в Китае, снижение стоимости аккумуляторов, цель по сокращению выбросов углекислого газа, NEDC (Новые европейские условия вождения) → WLTP (Глобальная унифицированная процедура испытаний легковых автомобилей), включая Эпидемия COVID-19 способствует процессу электрификации транспортных средств.

     

Ускорение электрификации транспортных средств

В настоящее время в технологии силовой электроники EV/HEV главный инвертор может быть либо дискретным устройством, либо модулем в зависимости от типа электрификации и различного уровня мощности, выбранного производителем. DC-DC 48–12 В по сути представляет собой дискретное устройство с напряжением 80–100 В; HV-12V DC-DC представляет собой дискретное устройство с напряжением 500–650 В и 80–100 В; OBC — это, по сути, дискретное устройство на 600–650 В; Повышающий преобразователь по сути представляет собой дискретное устройство на 600 В.

     

Силовые устройства, используемые для каждого типа xEV

Таким образом, модули, особенно силовые устройства и модули SiC, имеют большое пространство для внедрения. Некоторые зарубежные OEM-производители начали использовать SiC-диоды с барьером Шоттки и MOSFET в OBC в 2018 году. После этого степень проникновения на рынок продолжала расти, а затем они перешли на контроллеры двигателей и основные инверторы с более высокими требованиями к надежности. Это также процесс перехода от дискретных устройств к полностью SiC-модулям.

Наибольшим спросом на импорт пользуются электромобили с большим запасом хода. Ожидается, что к 500 году уровень проникновения SiC в контроллеры двигателей транспортных средств с запасом хода более 100 км приблизится к 2024%; Общий уровень проникновения транспортных средств с пробегом менее 500 км может достигать 40%.

Несомненно, почти все производители электромобилей включили применение устройств SiC в планы развития новых проектов, и ожидается, что SiC станет взрывным узлом на рынке электромобилей в 2025 году.

Отказ от ответственности: Эта статья воспроизведена из «TechSugar». Эта статья отражает только личную точку зрения автора и не отражает точку зрения Sacco Micro и отрасли. Он предназначен только для перепечатки и распространения в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке просьба указывать первоисточник и автора. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.

Тел. компании: +86-0755-83044319
Факс/факс:+86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли
QQ: 332496225 Менеджер Цю
Адрес: комната 809, блок C, здание Zhantao Technology Building, проспект Минчжи № 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.