2026 yılına kadar katı CO2 emisyon hedefi, tüm binek araçlarda elektrikli araçların/hibrit araçların (EV/HEV) payının %38'e ulaşmasını sağlayacak, bu da çeşitli yarı iletken teknolojileri ve güç cihazlarının 5.6 milyar ABD doları tutarında bir pazar fırsatı elde edeceği anlamına geliyor. Bu, bir pazar araştırma şirketi olan Yole Dedevelopment'ın Elektrikli Araçların Güç Elektroniği Teknolojisi alanındaki 2021 yılı kararıdır.

Elektrikli arabaların pek çok çeşidi var.

İster EV ister HEV olsun, elektrikli araç veya xEV. Özel sınıflandırması aşağıdaki gibidir:

               

Hafif Hibrit Elektrikli Araç (MHEV): Düşük voltajlı akülerle donatılmış 10V (hafif hibrit) araçlar da dahil olmak üzere, genellikle 20-48kW gücünde yardımcı içten yanmalı motor (veya termik motor) ve elektrik motoru kullanan araçlar.

               

Hibrit elektrikli araç (tam HEV, güçlü HEV): içten yanmalı motor ve elektrik motorunu kullanan bir araç. Elektrik motoru, motora yüksek güç sağlayabilen yüksek voltajlı bir batarya ile çalıştırılır. Güç aralığı 70-170kW'tır ve pil, elektrik şebekesinden şarj edilemez. Batarya enerji kapasitesi nispeten düşüktür (yaklaşık 2-5kWh), dolayısıyla E modunda sürüş menzili sınırlıdır (birkaç kilometre);

               

Plug-in Hibrit Elektrikli Araç (PHEV): İçten yanmalı motor ve elektrik motoru kullanan bir araç (tam hibrit gibi). PHEV'in pili elektrik şebekesinden şarj edilebilir, dolayısıyla dahili bir şarj cihazı ve şarj fişi içerir. Pilin kapasitesi tam HEV'den daha yüksektir, genellikle yaklaşık 9kWh'dir. İki yönlü bir şarj cihazı kullanılırsa araç, V2G (araçtan şebekeye) ve V2H (araçtan eve) uygulamaları için bir güç kaynağı olarak kullanılabilir.

               

Genişletilmiş Menzilli Elektrikli Araç (EREV): "kilometre uzatıcı" olarak adlandırılan yardımcı güç ünitesi (APU) içeren akülü elektrikli araçtır. Bu küçük jeneratör genellikle içten yanmalı bir motordur (ICE), ancak bir yakıt hücresi de kullanılabilir. Jeneratör, aracın motoruna güç sağlayan aküyü şarj eder. Bu düzenlemeye seri hibrit güç aktarma organı adı verilir. Kilometre uzatıcı günlük kullanıma uygun değildir ve yalnızca sürücünün bir sonraki şarj istasyonuna ulaşmak için aracın kilometresini uzatması gerektiği durumlarda geçerlidir.

                               

Yakıtlı elektrikli araç (FCEV, FCV veya hidrojenle çalışan araç): Yalnızca motoru vardır (ICE motorsuz) ve genellikle hidrojenle çalışan araç olarak adlandırılır. Aslında yakıt hücresi yığını aracılığıyla hidrojenden elektrik üreten elektrikli bir araçtır. FCEV, fren enerjisi geri kazanımı vb. gibi belirli işlevleri gerçekleştirmek için piller (veya süper kapasitör kümeleri) içerir. Pil, genellikle düşük enerji kapasitesine (birkaç kWh) sahip olan yüksek voltajlı bir pildir. Bazı FCEV'ler daha temiz bir sürüş elde etmek için daha büyük piller kullanır (yaklaşık 10kWh, PHEV'ye benzer şekilde elektrik şebekesinden şarj edilebilir) (şarj elektriğinin fotovoltaik veya rüzgar enerjisi gibi temiz yenilenebilir enerji kaynakları tarafından üretildiği varsayılarak). FCEV'deki iki yönlü şarj cihazı, V2G ve V2H uygulamaları için güç kaynağı olarak kullanılabilir.

Yeni Enerji Aracı (NEV): PHEV, BEV, FCEV vb. dahil olmak üzere Çin hükümeti tarafından kullanılan bir terim. Yeni enerji araçlarının formüle edilmesi, devletin yayınladığı politikaları daha sürdürülebilir hale getirebilir, daha fazla teknik yinelemeyi kapsayabilir ve sorunsuz bir geçiş sağlanmasına yardımcı olabilir. Periyodik ayarlama ve geri çekme mekanizması sayesinde işletmelerin sürekli olarak yeni teknolojileri denemeleri teşvik edilmektedir. Geleneksel otomobillerde Çin ile yabancı ülkeler arasında, özellikle motorlarda yüksek teknik engeller içeren büyük bir uçurum var. Gelecekte yabancı teknoloji tarafından elenmemek için yeni şeyler yapın, yabancı ülkelerle aradaki fark çok büyük değil.

Son yıllarda xEV pazarı, hükümetlerin 2050 yılında karbon nötrlüğü sağlama taahhüdü sayesinde hızla gelişti. Elektrikli araçların benimsenmesi karbondioksit emisyonlarını azaltmanın anahtarıdır ve OEM'ler, Tier 1 ve güç yarı iletken üreticileri elektrikli araçların büyümesiyle birlikte gelişecektir.

xEV uygulamasında sistem düzeyinde ana invertör ve jeneratör, boost dönüştürücü, DC-DC dönüştürücü ve araç şarj cihazı bulunur; Paket türleri ayrık ve güç kaynağı modüllerini içerir; Güç aygıtları arasında silikon MOSFET, silikon IGBT, silikon BJT (bipolar transistör), silikon karbür (SiC)MOSFET ve galyum nitrür (GaN)HEMT vb. bulunur.

BEV yüksek gerilim teknolojisine öncülük ediyor

Çeşitli ülkelerin katı karbondioksit emisyon azaltımı ve karbon nötr hedefleri ile otomobil endüstrisi, otomobillerin elektrifikasyonu yönünde büyük bir adım attı. Her OEM'in özellikle farklı bölgelerde farklı elektrifikasyon stratejileri olsa da ortak bir hedefi var: BEV'nin filosundaki payını artırmak. Hibrit elektrifikasyon, uzun vadeli karbon nötrlüğü hedefini karşılamasa da önümüzdeki 10-15 yıl içinde hala bir seçenek.

COVİD-19 salgınının etkisine rağmen küresel elektrifikasyonun yönlendirdiği BEV teknolojisi hala hızlanıyor, cer invertörü, DC-DC, OBC (yerleşik şarj cihazı) gibi farklı dönüştürücülerdeki güç elektroniği cihazları artmaya devam ediyor, EV /HEV sistemi 48V'a geçiyor ve akü trendi de 400V'tan 800V'a değişiyor.

Elektrifikasyon seçimi doğrudan dönüştürücü gücü veya akü kapasitesinin teknik mimarisinin seçimiyle ilgilidir ve bu da farklı araçların tamamen farklı performans özelliklerine yol açacaktır. Yole, otomobillere 48V pillerin eklenmesiyle önümüzdeki beş yıl içinde MHEV ile ilgili yarı iletken güç pazarının büyümeye devam edeceğini öngörüyor. Ayrıca hibrit araçlardan BEV'ye kadar her aracın yarı iletken içeriği, elektrifikasyon seviyesinin iyileştirilmesiyle birlikte artacak.

Nitekim BEV bu teknolojinin hızla gelişmesini desteklemektedir. Bu açıdan bakıldığında kullanıcıların daha kısa şarj süresiyle daha uzun mesafe kat etmesi ve aynı zamanda maliyeti düşürmesi gerektiği aşikar. Enerji kapasitesini artırmak veya invertör verimliliğini artırmak için akü tasarımını optimize etmek gibi sürüş menzilini artırmanın birkaç yolu vardır. Öte yandan akü şarj süresini kısaltmak amacıyla yüksek güçlü şarj cihazları (350kW'a kadar) dünyanın her yerinde kullanılıyor. Yüksek akım seviyelerinin neden olduğu zorluklardan kaçınmak için, geliştirme eğilimi akü voltajının arttırılması yönündedir. Akü voltajının mevcut 400V'tan 800V'a yükseltilmesi daha hızlı şarj gerçekleştirebilir ve araç kullanıcıları için yüksek katma değer sağlayabilir.

Aslında Porsche ve Hyundai zaten 800V pilleri benimsedi ve diğer şirketler de aynısını yapacak. Ana invertör daha yüksek bir voltajda çalıştığından, güç yarı iletken bileşenlerinin de daha yüksek bir voltaj değerine (genellikle 1200 V V) sahip olması gerekir. 600V-750V komponentlerden 1200V komponentlere geçiş bazı tedarikçilere yeni iş fırsatları getirirken bazılarının işleri azalacak. Araç elektrifikasyonu ve farklı teknoloji tercihleri, büyük OEM'ler tarafından benimsenen farklı stratejilere yol açacaktır.

     

Elektrikli araçların ana itici faktörleri

Elektrikli araçların seyir menzili sadece akü tarafından belirlenmiyor, aynı zamanda tüm güç sisteminin verimliliği de önemli bir rol oynuyor. Berlin'deki Flawn Hof Güvenilirlik ve Mikro Entegrasyon Enstitüsü'nden (IZM) bir ekip, Porsche saf elektrikli Mission E güç sistemi için, pil ile motor arasındaki enerjiyi mevcut şemadan daha etkili bir şekilde dönüştürebilen bir elektronik kontrol ünitesi-güç çevirici geliştiriyor. .

     

Porsche SiC güç çevirici

Araştırmacılar ve endüstri ortaklarının uzmanları, transistörlerden geçen akımın tükettiği gücün daha küçük olmasını sağlamak için özellikle verimli SiC yarı iletken transistörler kullanıyor. En az sayıda transistör kullanmak istiyorlar çünkü her SiC cihazı bir miktar enerji tüketecek ve soğutulması gerekecek. Araştırmacılar, en iyi soğutma etkisini elde etmek için güç çeviricinin soğutma elemanlarını yeniden tasarladılar. Şanzıman sisteminin bu şekilde optimize edilmesiyle elektrikli araçların kilometre performansı eninde sonunda %6 artacak.

Farklı güç modülü malzemelerinin farklı genleşme oranlarına sahip olması sorununu çözmek için yeni soğutma elemanı, ısıtma veya soğutma sırasında hafif deformasyonun neden olduğu gerilimi telafi etmek ve servis ömrünü uzatmak için çok ince metal plaka kullanır. Güç çevirici modülünün stresini azaltmak için soğutma elemanları ve SiC transistörlerden oluşan yapı, çatlakları önlemek amacıyla esnek ince bakır teller bükülerek elektronik sistemin geri kalanına bağlanır. 800V yüksek gerilim sisteminin SiC'nin yüksek sıcaklık performansının kullanılabileceği yer olduğu görülmektedir.

Çekiş invertörü, güç elektroniği cihazları için büyük bir taleptir.

EV/HEV'de temel olarak üç tip dönüştürücü vardır: ana invertör, DC-DC dönüştürücü, jeneratör ve OBC. Yüksek güç seviyesinden dolayı ana invertör, en yüksek güç yarı iletken içeriğine sahip, dönüştürücüdeki en büyük pazardır. Bu nedenle, ana invertör pazarının 19.5 yılına kadar 2026 milyar ABD dolarına ulaşması, EV/HEV dönüştürücü pazarının %67'sini oluşturması ve yıllık bileşik büyüme oranının %26.9 olması bekleniyor.

Güç yarı iletken pazarına gelince, IGBT ve SiC modülleri arasındaki önemli teknik rekabet nedeniyle, değerinin 2020'den 2026'ya kadar üç katına çıkması bekleniyor. Aslında, SiC modülünün mevcut maliyeti hala 650V IGBT modülünün yaklaşık üç katıdır, ancak üretim partisi daha büyük olduğunda, 8 inçlik gofretlere geçiş yapıldığında ve daha yüksek pil voltajına sahip 1200V cihazların popülerliği arttığında, bu fark giderek daralacaktır.

EV/HEV tedarik zinciri artan talep ve teknoloji trendlerinden etkilenmeye devam ediyor. Önde gelen EV/HEV yarı iletken üreticileri, güç uygulamaları için diğer yarı iletken üreticileriyle (Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric ve Anselme gibi) tutarlı olsa da, diğer şirketler (Tier 1, OEM, güç yarı iletken üreticileri ve saf modüle yeni gelenler) aynı zamanda EV/HEV için güç modülleri de sağlıyor.

Pil tasarımı ve üretimi alanında da benzer bir durum yaşanıyor ve Tesla ve General Motors gibi OEM'ler tedarik zincirlerini daha da kontrol etmeye çalışıyor. OEM düzeyindeki rekabet aynı zamanda iki ana yolun önünü açtı: Birincisi, olgun pazarlara ve tanınmış markalara sahip geleneksel OEM'lerin işlerini elektrikli araçlara çevirmesi; Öte yandan dünyanın farklı yerlerinde (Weilai, Rivian, Rimac, Tucki ve Hezhong gibi) saf elektrikli araç OEM'leri ortaya çıkıyor ve bunların Tesla liderliğindeki bazıları satışlarını her geçen yıl hızla artırıyor. Tanıtılan yeni modeller genellikle daha iyi maliyet performansına sahiptir ve bu da ilk on otomobilin satışlarının sürekli olarak yeniden şekillenmesine yol açmaktadır.

     

XEV güç yarı iletken cihazı pazarı (milyon ABD doları)

SiC, EV/HEV'in kırmızı halısında yürüyor

Artık SiC kullanmayan arabalara elektrikli yolculuk denmeye utanılıyor. Geçtiğimiz birkaç yılda, özellikle Tesla'nın SiC'yi Model 3 ana invertörüne dahil etmesinden bu yana, SiC'nin EV/HEV'de benimsenmesi büyük yankılara neden oldu. Ancak tüm dönüştürücüler veya her tür elektrikli araç bu pahalı malzemeye uygun değildir.

Hiç şüphe yok ki BEV, SiC'yi benimsemenin kazananı çünkü uzun kilometre performansı ve hızlı şarj süresi gerektiriyor. Dolayısıyla dönüştürücü verimliliğinin artmasıyla artan dönüştürücü maliyeti telafi edilir, böylece pil maliyetinden tasarruf sağlanır. Bu nedenle ana invertörde SiC kullanımının büyük OEM'lerin ortak hedefi haline gelmesi ve Daimler ile Hyundai'nin bunu kısa sürede ana invertöre dahil etmesi şaşırtıcı değil.

SiC cihazlarının maliyeti silikon cihazlara göre daha yüksek olmasına rağmen, pil maliyetinin azaltılmasına ve seyir menzilinin arttırılmasına yardımcı olarak tüm aracın maliyetini etkili bir şekilde azaltır. SiC invertör kullanmak araç başına yaklaşık 200 $ tasarruf sağlayabilir ve ana invertörün boyutunu ve ağırlığını azaltabilir.

Günümüzde Infineon, Cree(Wolfspeed) ve stmicroelectronics, SiC çipli bir dizi cihazı piyasaya sürdü. Birçok yarı iletken üreticisi SiC modüllerini elektrikli araç uygulamalarının hedefi olarak görmektedir. SiC modül pazarının 2026 yılına kadar EV/HEV yarı iletken pazarının %32'sini oluşturacağı tahmin edilmektedir.

     

SiC ve 800V'nin yankısı

Her OEM'in kendi SiC benimseme stratejisi olmasına rağmen Tesla, SiC teknolojisiyle performansını önemli ölçüde artırdı ve 800V pilin benimsenmesi de SiC kullanımını artırdı ve daha fazla OEM bunu takip ediyor. Şu anda Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy ve Geely, bazı modellerinde OBC ve DC-DC'de SiC cihazlarını kullanıyor; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely vb. motor kontrolörlerinde SiC cihazlarını kullandı; Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi ve yeni otomobil üreticileri Weilai, Tucki, Ideality vb. dahil olmak üzere daha fazla otomobil şirketi ana invertörde SiC kullanacak. Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric ve benzeri birçok Tier 1 şirketi de SiC elektrikli tahrik planlarını yayınladı.

Kesin olan bir şey var ki, teknoloji iyi de olsa kötü de olsa, uygulama en iyisidir. Otomotiv alanında SiC cihazları, silikon bazlı cihazlarla uzun süre bir arada bulunacaktır. Yerlileştirme açısından yabancı ülkelerle karşılaştırıldığında yerli SiC cihazlarının üretim sürecinde hala belli bir boşluk var, özellikle verim oranının daha da iyileştirilmesi gerekiyor. Bir diğer önemli soru ise otomobil firmalarının belli bir cesaret ve bilimsel tutum gerektiren yerli cihazları kullanmaya cesaret edip edemeyeceği, yolda test edilmesi ve doğrulanması da biraz zaman alıyor.

Elektrifikasyonun toplu tanıtımının hızlandırılması

Araç elektrifikasyonuna yönelik başlangıç ​​stratejisinin uygulanması hızlanıyor çünkü dizel araçlar bazı bölgelerde/şehirlerde yasaklanıyor ve müşterilerin SUV araç tercihi artıyor. Volkswagen'in "dizel kapısı", "Tesla etkisi", Çin'de sıfır emisyonlu araçlara yönelik teşvikler, akü maliyetinin azaltılması, karbondioksit emisyonunun azaltılması hedefi, NEDC (Yeni Avrupa Sürüş Koşulları) →WLTP (Küresel Birleşik Hafif Araç Test Prosedürü), COVİD-19 salgını araçların elektrifikasyon sürecini teşvik ediyor.

     

Araç elektrifikasyonunun hızlandırılması

Günümüzde EV/HEV güç elektroniği teknolojisinde ana invertör, elektrifikasyon tipine ve üretici tarafından seçilen farklı güç seviyesine göre ayrı bir cihaz veya modül olabilir. 48-12V DC-DC temel olarak 80-100V'luk ayrı bir cihazdır; HV-12V DC-DC temel olarak 500-650V ve 80-100V ayrık bir cihazdır; OBC temel olarak 600-650V ayrık bir cihazdır; Güçlendirme dönüştürücü temel olarak 600V'luk ayrı bir cihazdır.

     

Her xEV tipi için kullanılan güç cihazları

Bu nedenle modüllerin, özellikle SiC güç cihazlarının ve modüllerinin tanıtım için geniş bir alanı vardır. Bazı yabancı OEM'ler 2018 yılında OBC'de SiC Schottky bariyer diyotlarını ve MOSFET'i kullanmaya başladı. Bunun ardından pazar penetrasyon oranı artmaya devam etti ve ardından daha yüksek güvenilirlik gereksinimleri olan motor kontrolörlerine ve ana invertörlere geçiş yaptılar. Bu aynı zamanda ayrık cihazlardan tamamı SiC modüllere geçiş sürecidir.

İthalata en fazla talep ise uzun menzilli elektrikli araçlardan geliyor. Seyir menzili 500 km'nin üzerinde olan araçların motor kontrolörlerinin SiC penetrasyon oranının 100 yılına kadar %2024'e yakın olması bekleniyor; 500 km'nin altındaki araçların toplam penetrasyon oranı %40'a ulaşabiliyor.

Kuşkusuz elektrikli araç OEM'lerinin neredeyse tamamı yeni proje geliştirme planlarına SiC cihazlarının uygulanmasına yer vermiş durumda ve SiC'nin 2025 yılında elektrikli araç pazarında patlayıcı düğüm haline gelmesi bekleniyor.

Yasal Uyarı: Bu makale "TechSugar"dan kopyalanmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil eder ve Sacco Micro ve sektörün görüşlerini temsil etmez. Fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla yalnızca yeniden basılması ve paylaşılması içindir. Lütfen yeniden basarken orijinal kaynağı ve yazarını belirtin. Herhangi bir ihlal varsa, silmek için lütfen bizimle iletişime geçin.

Şirket Tel: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Yönetici Li
QQ: 332496225 Yönetici Qiu
Adres: Oda 809, Blok C, Zhantao Teknoloji Binası, No.1079 Minzhi Bulvarı, Longhua Yeni Bölgesi, Shenzhen