Đến năm 2026, mục tiêu nghiêm ngặt về phát thải CO2 sẽ khiến tỷ lệ xe điện/xe hybrid (EV/HEV) trên tất cả ô tô chở khách đạt 38%, đồng nghĩa với việc các công nghệ bán dẫn và thiết bị điện khác nhau sẽ có cơ hội thị trường là 5.6 tỷ USD. Đây là nhận định của Yole De Development, một công ty nghiên cứu thị trường về Công nghệ Điện tử Công suất của Xe Điện năm 2021.

Có rất nhiều loại xe điện.

Cho dù đó là EV hay HEV, xe điện hay xEV. Phân loại cụ thể của nó như sau:

Xe điện lai nhẹ (MHEV): Xe sử dụng động cơ đốt trong (hoặc động cơ nhiệt) và động cơ điện, thường sử dụng động cơ ICE phụ có công suất 10-20kW, trong đó có xe 48V (mild hybrid) trang bị ắc quy điện áp thấp.

Xe điện hybrid (HEV đầy đủ, HEV mạnh): là loại xe sử dụng động cơ đốt trong và mô tơ điện. Động cơ điện được cung cấp năng lượng từ pin điện áp cao, có thể cung cấp năng lượng cao cho động cơ. Dải công suất 70-170kW và không thể sạc pin từ lưới điện. Dung lượng pin của nó tương đối thấp (khoảng 2-5kWh) nên phạm vi lái xe ở chế độ E bị hạn chế (vài km);

Xe điện hybrid cắm điện (PHEV): Xe sử dụng động cơ đốt trong và động cơ điện (giống như xe hybrid hoàn toàn). Pin của PHEV có thể được sạc từ lưới điện nên nó có bộ sạc tích hợp và phích cắm sạc. Dung lượng của pin lớn hơn HEV đầy đủ, thường khoảng 9kWh. Nếu sử dụng bộ sạc hai chiều, ô tô có thể được sử dụng làm nguồn điện cho các ứng dụng V2G (xe nối lưới) và V2H (xe đến nhà).

Xe điện phạm vi mở rộng (EREV): Đây là loại xe điện chạy pin bao gồm một bộ nguồn phụ (APU) được gọi là "bộ kéo dài quãng đường". Máy phát điện nhỏ này thường là động cơ đốt trong (ICE), nhưng cũng có thể sử dụng pin nhiên liệu. Máy phát điện sạc pin, cung cấp năng lượng cho động cơ của xe. Sự sắp xếp này được gọi là hệ truyền động hybrid nối tiếp. Bộ kéo dài quãng đường không phù hợp để sử dụng hàng ngày và chỉ áp dụng trong trường hợp người lái cần kéo dài quãng đường của xe để đến trạm sạc tiếp theo.

Xe chạy bằng nhiên liệu điện (FCEV, FCV hoặc xe chạy bằng hydro): Chỉ có động cơ (không có động cơ ICE) và thường được gọi là xe chạy bằng hydro. Trên thực tế, nó là một chiếc xe điện tạo ra điện từ hydro thông qua ngăn xếp pin nhiên liệu. FCEV chứa pin (hoặc dàn siêu tụ điện) để đạt được các chức năng nhất định, chẳng hạn như phục hồi năng lượng phanh, v.v. Ắc quy là loại ắc quy có điện áp cao, thường có công suất năng lượng thấp (vài kWh). Một số FCEV sử dụng pin lớn hơn (khoảng 10kWh, có thể được sạc từ lưới điện, tương tự như PHEV, để đạt được cảm giác lái sạch hơn (giả sử rằng điện sạc được tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo sạch, chẳng hạn như quang điện hoặc năng lượng gió). Bộ sạc hai chiều trong FCEV có thể được sử dụng làm nguồn điện cho các ứng dụng V2G và V2H.

Xe năng lượng mới (NEV): thuật ngữ được chính phủ Trung Quốc sử dụng, bao gồm PHEV, BEV, FCEV, v.v. Việc hình thành các phương tiện sử dụng năng lượng mới có thể làm cho các chính sách do nhà nước ban hành trở nên bền vững hơn, bao quát nhiều bước lặp kỹ thuật hơn và giúp đạt được quá trình chuyển đổi suôn sẻ. Thông qua cơ chế điều chỉnh, rút ​​lui định kỳ, doanh nghiệp không ngừng được khuyến khích thử nghiệm các công nghệ mới. Về ô tô truyền thống, giữa Trung Quốc và nước ngoài có khoảng cách lớn, đặc biệt là động cơ, vốn có rào cản kỹ thuật cao. Làm ra những điều mới mẻ, khoảng cách với nước ngoài không lớn, nhằm tránh bị công nghệ nước ngoài đào thải sau này.

Trong những năm gần đây, thị trường xEV đã phát triển nhanh chóng nhờ cam kết của các chính phủ nhằm đạt được mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050. Việc sử dụng xe điện là chìa khóa để giảm lượng khí thải carbon dioxide và các OEM, Cấp 1 và các nhà sản xuất chất bán dẫn điện sẽ phát triển cùng với sự phát triển của xe điện.

Trong ứng dụng xEV, cấp độ hệ thống bao gồm bộ biến tần và máy phát điện chính, bộ chuyển đổi tăng áp, bộ chuyển đổi DC-DC và bộ sạc trên xe; Các loại gói bao gồm các mô-đun cung cấp điện và rời rạc; Các thiết bị điện bao gồm MOSFET silicon, IGBT silicon, BJT (transistor lưỡng cực) silicon, MOSFET silicon carbide (SiC) và gali nitride (GaN) HEMT, v.v.

BEV dẫn đầu công nghệ điện áp cao

Với các mục tiêu nghiêm ngặt về giảm lượng khí thải carbon dioxide và trung hòa carbon của nhiều quốc gia, ngành công nghiệp ô tô đã thực hiện một bước tiến lớn trong việc điện khí hóa ô tô. Mặc dù mỗi OEM có chiến lược điện khí hóa khác nhau, đặc biệt là ở các khu vực khác nhau, nhưng họ đều có một mục tiêu chung, đó là tăng thị phần BEV trong đội xe của mình. Điện khí hóa hybrid vẫn là một lựa chọn trong 10-15 năm tới, mặc dù nó không đáp ứng được mục tiêu dài hạn là trung hòa carbon.

Bất chấp ảnh hưởng của dịch COVID-19, công nghệ BEV được thúc đẩy bởi điện khí hóa toàn cầu vẫn đang tăng tốc, các thiết bị điện tử công suất trong các bộ chuyển đổi khác nhau như biến tần kéo, DC-DC, OBC (bộ sạc tích hợp) tiếp tục tăng, EV /Hệ thống HEV đang chuyển sang 48V và xu hướng pin cũng đang thay đổi từ 400V lên 800V.

Việc lựa chọn điện khí hóa liên quan trực tiếp đến việc lựa chọn kiến ​​trúc kỹ thuật của bộ chuyển đổi công suất hoặc dung lượng ắc quy, điều này sẽ dẫn đến đặc tính vận hành hoàn toàn khác nhau của các loại xe khác nhau. Yole kỳ vọng rằng trong 48 năm tới, với việc bổ sung pin XNUMXV trên ô tô, thị trường bán dẫn điện liên quan đến MHEV sẽ tiếp tục phát triển. Ngoài ra, từ xe hybrid đến BEV, hàm lượng chất bán dẫn trong mỗi loại xe sẽ tăng lên khi mức độ điện khí hóa được cải thiện.

Trên thực tế, BEV đang thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của công nghệ này. Về mặt này, rõ ràng người dùng cần phải lái xe một quãng đường dài hơn với thời gian sạc ngắn hơn, đồng thời giảm chi phí. Có một số cách để tăng phạm vi lái xe, chẳng hạn như tối ưu hóa thiết kế pin để tăng công suất năng lượng hoặc cải thiện hiệu suất biến tần. Mặt khác, để giảm thời gian sạc pin, các bộ sạc công suất cao (lên tới 350kW) được triển khai trên toàn thế giới. Để tránh những thách thức liên quan đến mức dòng điện cao, xu hướng phát triển là tăng điện áp pin. Việc tăng điện áp ắc quy từ 400V hiện tại lên 800V có thể giúp sạc nhanh hơn và mang lại giá trị gia tăng cao cho người sử dụng ô tô.

Trên thực tế, Porsche và Hyundai đã sử dụng pin 800V và các công ty khác cũng sẽ làm theo. Vì biến tần chính hoạt động ở điện áp cao hơn nên các bộ phận bán dẫn công suất của nó cũng phải có định mức điện áp cao hơn, thường là 1200V V. Việc chuyển đổi từ linh kiện 600V-750V sang linh kiện 1200V đã mang lại cơ hội kinh doanh mới cho một số nhà cung cấp, trong khi hoạt động kinh doanh của những nhà cung cấp khác sẽ bị giảm sút. Việc lựa chọn điện khí hóa phương tiện và các lựa chọn công nghệ khác nhau sẽ dẫn đến các chiến lược khác nhau được các OEM lớn áp dụng.

Các yếu tố dẫn động chính của xe điện

Phạm vi di chuyển của xe điện không chỉ được quyết định bởi ắc quy mà hiệu suất của toàn bộ hệ thống điện cũng đóng vai trò quan trọng. Một nhóm của Viện Độ tin cậy và Tích hợp Vi mô (IZM) Flawn Hof ở Berlin đang phát triển một bộ biến tần nguồn điều khiển điện tử cho hệ thống điện Mission E thuần túy của Porsche, có thể chuyển đổi năng lượng giữa pin và động cơ hiệu quả hơn so với sơ đồ hiện có .

Biến tần điện Porsche SiC

Các nhà nghiên cứu và chuyên gia của các đối tác trong ngành sử dụng bóng bán dẫn SiC đặc biệt hiệu quả để đảm bảo rằng điện năng tiêu thụ của dòng điện chạy qua bóng bán dẫn nhỏ hơn. Họ muốn sử dụng số lượng bóng bán dẫn ít nhất, vì mỗi thiết bị SiC sẽ tiêu thụ một ít năng lượng và phải được làm mát. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế lại các bộ phận làm mát của bộ biến tần nguồn để đạt được hiệu quả làm mát tốt nhất. Bằng cách tối ưu hóa hệ thống truyền động theo cách này, quãng đường đi được của xe điện cuối cùng sẽ tăng thêm 6%.

Để giải quyết vấn đề các vật liệu khác nhau của mô-đun nguồn có tốc độ giãn nở khác nhau, bộ phận làm mát mới sử dụng tấm kim loại rất mỏng để bù đắp ứng suất do biến dạng nhẹ trong quá trình gia nhiệt hoặc làm mát và kéo dài tuổi thọ. Để giảm căng thẳng cho mô-đun biến tần nguồn, cấu trúc bao gồm các bộ phận làm mát và bóng bán dẫn SiC được kết nối với phần còn lại của hệ thống điện tử bằng cách xoắn các dây đồng mỏng dẻo để tránh nứt. Có thể thấy, hệ thống điện áp cao 800V chính là nơi có thể sử dụng hiệu suất nhiệt độ cao của SiC.

Biến tần kéo là nhu cầu lớn đối với các thiết bị điện tử công suất.

Về cơ bản có ba loại bộ chuyển đổi trong EV/HEV: bộ biến tần chính, bộ chuyển đổi DC-DC, máy phát điện và OBC. Do mức công suất cao nên biến tần chính là thị trường lớn nhất trong bộ chuyển đổi, có hàm lượng chất bán dẫn công suất cao nhất. Do đó, thị trường biến tần chính dự kiến ​​sẽ đạt 19.5 tỷ USD vào năm 2026, chiếm 67% thị trường bộ chuyển đổi EV/HEV, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 26.9%.

Đối với thị trường bán dẫn công suất, do sự cạnh tranh kỹ thuật đáng kể giữa các mô-đun IGBT và SiC nên giá trị của thị trường này dự kiến ​​sẽ tăng gấp ba lần từ năm 2020 đến năm 2026. Trên thực tế, chi phí hiện tại của mô-đun SiC vẫn cao gấp khoảng ba lần so với mô-đun IGBT 650V, nhưng khi lô sản xuất lớn hơn, với sự chuyển đổi sang wafer 8 inch và sự phổ biến của các thiết bị 1200V có điện áp pin cao hơn, khoảng cách này sẽ dần thu hẹp.

Chuỗi cung ứng EV/HEV tiếp tục bị ảnh hưởng bởi nhu cầu ngày càng tăng và xu hướng công nghệ. Mặc dù các nhà sản xuất chất bán dẫn EV/HEV hàng đầu nhất quán với các nhà sản xuất chất bán dẫn khác cho các ứng dụng năng lượng (chẳng hạn như Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric và Anselme), các công ty khác (Cấp 1, OEM, nhà sản xuất chất bán dẫn điện và các công ty mới ra mắt mô-đun thuần túy) cũng đang cung cấp các mô-đun năng lượng cho EV/HEV.

Tình trạng tương tự cũng xảy ra trong lĩnh vực thiết kế và sản xuất pin, các OEM như Tesla và General Motors đang cố gắng hơn nữa để kiểm soát chuỗi cung ứng của mình. Cạnh tranh ở cấp độ OEM cũng đã mở ra hai hướng chính: một là các OEM truyền thống với thị trường trưởng thành và các thương hiệu nổi tiếng đang chuyển hoạt động kinh doanh sang xe điện; Mặt khác, các OEM xe điện thuần túy đang nổi lên ở nhiều nơi khác nhau trên thế giới (như Weilai, Rivian, Rimac, Tucki và Hezhong), và một số trong số đó, dẫn đầu là Tesla, đang tăng nhanh doanh số bán hàng qua từng năm. Các mẫu xe mới được giới thiệu thường có hiệu suất chi phí tốt hơn, điều này dẫn đến việc liên tục định hình lại doanh số bán hàng của 10 mẫu xe hàng đầu.

Thị trường thiết bị bán dẫn điện XEV (triệu USD)

SiC sải bước trên thảm đỏ EV/HEV

Bây giờ xe không dùng SiC thì ngại gọi điện du lịch. Trong vài năm qua, đặc biệt là kể từ khi Tesla đưa SiC vào bộ biến tần chính Model 3 của mình, việc áp dụng SiC trong EV/HEV đã gây ra hậu quả lớn. Nhưng không phải tất cả các bộ chuyển đổi hoặc tất cả các loại xe điện đều phù hợp với loại vật liệu đắt tiền này.

Không còn nghi ngờ gì nữa, BEV là người chiến thắng khi áp dụng SiC, vì nó yêu cầu quãng đường đi được xa và thời gian sạc nhanh. Do đó, với việc cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi, chi phí chuyển đổi tăng lên sẽ được bù đắp, do đó tiết kiệm chi phí pin. Vì vậy, không có gì đáng ngạc nhiên khi việc sử dụng SiC trong biến tần chính đã trở thành mục tiêu chung của các OEM lớn, và Daimler và Hyundai đã sớm đưa nó vào biến tần chính.

Mặc dù giá thành của thiết bị SiC cao hơn thiết bị silicon nhưng nó giúp giảm chi phí pin và tăng phạm vi di chuyển, do đó giảm giá thành toàn bộ phương tiện một cách hiệu quả. Sử dụng biến tần SiC có thể tiết kiệm khoảng 200 USD mỗi ô tô, đồng thời giảm kích thước và trọng lượng của biến tần chính.

Ngày nay, Infineon, Cree(Wolfspeed) và stmicroelectronics đã giới thiệu một loạt thiết bị có chip SiC. Nhiều nhà sản xuất chất bán dẫn coi mô-đun SiC là mục tiêu của các ứng dụng xe điện. Ước tính đến năm 2026, thị trường mô-đun SiC sẽ chiếm 32% thị trường bán dẫn EV/HEV.

Tiếng vang của SiC và 800V

Mặc dù mỗi OEM đều có chiến lược áp dụng SiC riêng, Tesla đã cải thiện đáng kể hiệu suất của mình với công nghệ SiC và việc áp dụng pin 800V cũng đã làm tăng việc sử dụng SiC và ngày càng có nhiều OEM theo đuổi. Hiện tại, Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy và Geely đều sử dụng thiết bị SiC trong OBC và DC-DC trên một số mẫu xe của họ; Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely, v.v. đã sử dụng thiết bị SiC trong bộ điều khiển động cơ; Nhiều công ty ô tô sẽ áp dụng SiC trong biến tần chính, bao gồm Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi và các nhà sản xuất ô tô mới Weilai, Tucki, Ideality, v.v. Nhiều công ty Cấp 1 cũng đã phát hành các gói truyền động điện SiC, bao gồm Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric, v.v.

Có một điều chắc chắn rằng dù công nghệ tốt hay xấu thì ứng dụng vẫn là tốt nhất. Trong lĩnh vực ô tô, các thiết bị SiC sẽ tồn tại lâu dài với các thiết bị sử dụng silicon. Về mặt nội địa hóa, so với nước ngoài, quy trình sản xuất thiết bị SiC trong nước vẫn còn một khoảng cách nhất định, đặc biệt là tỷ suất lợi nhuận cần phải được cải thiện hơn nữa. Một câu hỏi quan trọng khác là liệu các hãng xe có dám sử dụng thiết bị trong nước hay không, điều này đòi hỏi phải có sự can đảm và thái độ khoa học nhất định, đồng thời phải mất một thời gian để kiểm tra, xác minh trên đường.

Đẩy nhanh tiến độ triển khai điện khí hóa

Việc thực hiện chiến lược điện khí hóa phương tiện ban đầu đang được đẩy nhanh do xe diesel bị cấm ở một số khu vực/thành phố và sự ưa thích của khách hàng đối với xe SUV ngày càng tăng. "Cánh cửa diesel" của Volkswagen, "hiệu ứng Tesla", khuyến khích các phương tiện không phát thải ở Trung Quốc, giảm chi phí pin, mục tiêu giảm phát thải carbon dioxide, NEDC (Điều kiện lái xe mới của Châu Âu) →WLTP (Quy trình kiểm tra xe hạng nhẹ thống nhất toàn cầu), bao gồm Dịch bệnh COVID-19, đều đang thúc đẩy quá trình điện khí hóa phương tiện.

Tăng tốc điện khí hóa xe

Hiện nay, trong công nghệ điện tử công suất EV/HEV, bộ biến tần chính có thể là thiết bị rời rạc hoặc mô-đun tùy theo loại điện khí hóa và mức công suất khác nhau do nhà sản xuất lựa chọn. DC-DC 48-12V về cơ bản là một thiết bị rời 80-100V; HV-12V DC-DC về cơ bản là thiết bị rời 500-650V và 80-100V; OBC về cơ bản là một thiết bị rời rạc có điện áp 600-650V; Bộ chuyển đổi tăng áp về cơ bản là một thiết bị rời rạc 600V.

Các thiết bị điện sử dụng cho từng loại xEV

Vì vậy, các mô-đun, đặc biệt là các thiết bị và mô-đun nguồn SiC có không gian rộng để giới thiệu. Một số OEM nước ngoài bắt đầu sử dụng điốt rào cản SiC Schottky và MOSFET trên OBC vào năm 2018. Sau đó, tốc độ thâm nhập thị trường tiếp tục tăng, sau đó họ chuyển sang bộ điều khiển động cơ và bộ biến tần chính với yêu cầu về độ tin cậy cao hơn. Đây cũng là quá trình chuyển đổi từ các thiết bị rời rạc sang các mô-đun toàn SiC.

Nhu cầu nhập khẩu cao nhất là xe điện có phạm vi di chuyển dài. Dự kiến ​​tỷ lệ thâm nhập SiC của bộ điều khiển động cơ của các phương tiện có phạm vi hành trình trên 500km sẽ đạt gần 100% vào năm 2024; Tỷ lệ thâm nhập chung của các phương tiện dưới 500km có thể đạt 40%.

Không còn nghi ngờ gì nữa, hầu hết tất cả các OEM xe điện đều đã đưa ứng dụng thiết bị SiC vào kế hoạch phát triển dự án mới và dự kiến ​​SiC sẽ trở thành điểm bùng nổ trên thị trường xe điện vào năm 2025.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "TechSugar". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sacco Micro và ngành. Nó chỉ dành cho việc in lại và chia sẻ để hỗ trợ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi tái bản. Nếu có vi phạm vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.

Điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li
QQ: 332496225 Quản lý Qiu
Địa chỉ: Phòng 809, Khu C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Quận Mới Long Hoa, Thâm Quyến