Коммерциализация 800 В для электромобилей сыграет решающую роль в стратегии роста OEM-производителей

27 апреля 2023 г.

По мере бума новых транспортных средств и технологий аккумуляторов зарядка и замена аккумуляторов в отраслевой цепочке стали слабыми звеньями для разработки транспортных средств на новых источниках энергии. Неудобная зарядка и малый запас хода стали больными местами, от которых страдает каждый потребитель, покупающий электромобили.

В этом контексте высоковольтная зарядка 800 В для транспортных средств на новой энергии была в центре внимания, отмечается в «Отчете об исследованиях платформы высокого напряжения 800 В, 2023 г.», подготовленном Research In China. 2022 год стал первым годом разработки высоковольтных платформ на 800 В в Китае. В частности, большое количество моделей высоковольтных платформ на 800 В поступит в продажу в течение 2023–2024 годов.

На текущем этапе платформы 800 В все еще сталкиваются с ситуацией «громкий гром, но маленькие капли дождя». Данные страхования показывают, что в 2022 году застрахованных автомобилей с платформами 800 В в Китае было все еще менее 10 000 единиц. Низкая стоимость и плохой опыт сверхбыстрой зарядки, предлагаемые моделями 800 В, являются основными недостатками, которые критикуют потребители.

Промышленный бум по-прежнему требует более низкой стоимости исходных материалов и систем, а также постепенного развертывания последующих сверхбыстрозарядных батарей мощностью 480 кВт/500 кВт для покрытия ключевых сценариев использования, чтобы модели на 800 В могли быть вовлечены в узел рыночного взрыва, который, как ожидается, произойдет. около 2024 г., по планам крупных автопроизводителей.

Развертывание сверхбыстрой зарядки 800 В:

• Xpeng: в первой десятке городов по заказам для G9 сосредоточиться на строительстве сверхбыстрых зарядных станций S4. В 2023 году станции S4 будут использоваться для пополнения запасов энергии в ключевых городах и на ключевых автомагистралях; Предполагается, что в 2025 году, в дополнение к нынешним 1000 автономным зарядным станциям, Xpeng построит еще 2000 сверхбыстрых зарядных станций.
• GAC: в 2021 году GAC представила батарею быстрой зарядки с максимальной мощностью зарядки до 480 кВт. Прогнозируется, что к 2025 году в 300 городах Китая будет построено 2000 заправочных станций.
• NIO: в декабре 2022 года NIO официально выпустила сверхбыструю зарядную батарею мощностью 500 кВт с максимальным током 660 А, поддерживающую зарядку высокой мощности. Самое быстрое время зарядки для моделей на 400 В — всего 20 минут; для моделей на 800 В самая быстрая зарядка с 10% до 80% занимает 12 минут.
• Li Auto: в 2023 году компания Li Auto начала строительство высоковольтных зарядных станций на 800 В в Гуандуне, и ее цель — построить 3000 станций наддува в 2025 году.
• Huawei: в марте 2023 года на базе Huawei на улице Бантиан в Шэньчжэне была установлена ​​наддувная батарея мощностью 600 кВт исключительно для AITO. Эта зарядная свая, получившая название FusionCharge DC Supercharging Terminal, имеет конструкцию с одной сваей и одним пистолетом. Производитель — Huawei Digital Power Technologies Co Ltd. Его внешние размеры составляют 295 мм (Д) x 340 мм (Ш) x 1700 мм (В), а модель продукта — DT600L1-CNA1. Зарядная батарея имеет диапазон выходного напряжения 200–1000 В, максимальный выходной ток 600 А, максимальную выходную мощность 600 кВт и жидкостное охлаждение.

Из-за высокой стоимости строительства батарей сверхбыстрой зарядки мощностью 480 кВт, как правило, станция сверхбыстрой зарядки оснащена только одной или двумя батареями сверхбыстрой зарядки мощностью 480 кВт и несколькими батареями быстрой зарядки мощностью 240 кВт и поддерживает динамическое распределение мощности. В целом, по планам автопроизводителей, не исключено, что к концу 2027 года количество моделей высоковольтной платформы 800 В достигнет 3 млн единиц; количество 800-вольтовых наддувных станций составит 15 000–20 000; количество наддувных свай мощностью 480/500 кВт превысит 30 000 штук.

Помимо зарядных свай, при эволюции архитектуры от 400 В до 800 В реализация транспортных средств также остается очень сложной. Это требует одновременного внедрения всей системы, охватывающей полупроводниковые устройства и аккумуляторные модули для электромобилей, зарядных столбов и зарядных сетей, а также предъявляет более высокие требования к надежности, размеру и электрическим характеристикам разъемов. Это также требует технологических улучшений механических, электрических и экологических характеристик.

Поставщики уровня 1 соревнуются, чтобы представить компоненты 800V. Большинство новых продуктов, которые будут доступны в 2023–2024 гг.

Технология Leadrive: в 2022 году первая система электропривода «три в одном» на основе карбида кремния (SiC), разработанная совместно Leadrive Technology и SAIC Volkswagen, была запущена в пробное производство и дебютировала на форуме инновационных технологий Volkswagen IVET. Испытанная SAIC Volkswagen, эта система «три в одном», оснащенная карбидокремниевым ЭБУ Leadrive Technology, может увеличить запас хода модели ID.4X как минимум на 4,5%. Кроме того, Leadrive и Schaeffler будут совместно разрабатывать продукты для сборки электроприводов, включая электрическую ось SiC на 800 В.

Vitesco Technologies: предполагается, что высокоинтегрированная система электропривода EMR4 будет серийно производиться в Китае и поставляться клиентам по всему миру в 2023 году. EMR4 будет производиться на заводе Vitesco в Тяньцзиньской зоне экономического и технологического развития и поставляться за пределами Китая.

BorgWarner: новый инвертор SiC 800 В использует запатентованную технологию силового модуля Viper. Применение силовых модулей SiC к платформам 800 В сокращает использование полупроводников и материалов SiC. Этот продукт будет производиться серийно и устанавливаться на автомобили в период с 2023 по 2024 год.

800V все еще на подъеме, но битва за производственные мощности SiC уже началась

В новых архитектурах на 800 В ключом к технологии электропривода является использование полупроводниковых устройств SiC/GaN третьего поколения. Принося технические преимущества транспортным средствам на новых источниках энергии, технологические итерации также создают множество проблем для автомобильных полупроводников и всей цепочки поставок. В будущем 800-вольтовые высоковольтные системы с SiC/GaN в качестве ядра откроют период крупномасштабного развития автомобильных электроприводов, электронных систем управления, бортовых зарядных устройств (OBC), DC-DC и -бортовые зарядные сваи.

В частности, карбид кремния лежит в основе стратегии производителей высоковольтных платформ. Хотя 800V в настоящее время все еще растет, война за производственные мощности SiC уже началась. OEM-производители и поставщики уровня 1 соревнуются за установление стратегических партнерских отношений с поставщиками микросхем и модулей SiC или создание совместных предприятий с ними для производства модулей SiC, чтобы зафиксировать мощность микросхем SiC.

С другой стороны, также была запущена кампания по снижению стоимости SiC. В настоящее время силовые устройства SiC чрезвычайно дороги. В случае с Tesla стоимость полевого МОП-транзистора на основе карбида кремния на автомобиль составляет около 1300 долларов; На своем недавнем ежегодном дне инвестора Tesla объявила о прогрессе в разработке своей платформы силовых чипов второго поколения, упомянув о сокращении на 75% использования устройств из карбида кремния, что привлекло большое внимание на рынке.

Уверенность Tesla заключается в том факте, что автопроизводитель самостоятельно разработал модуль TPAK SiC MOSFET и активно участвует в определении и дизайне чипа. Каждый голый кристалл в TPAK можно приобрести у разных поставщиков микросхем для создания системы с несколькими поставщиками (ST, ON Semiconductor и т. д.). TPAK также позволяет применять платформы из разных материалов, например смешанное использование IGBT/SiC MOSFET/GaN HEMT.

(1) Китай построил производственную цепочку SiC, но с технологическим уровнем немного ниже международного уровня.

Силовые устройства на основе SiC предлагают преимущества высокой частоты, высокой эффективности и небольшого объема (на 70% или 80% меньше, чем силовые устройства IGBT), и были замечены в Tesla Model 3.

С точки зрения производственно-сбытовой цепочки подложки составляют более 45% стоимости устройств из карбида кремния, и их качество также напрямую влияет на эффективность эпитаксии и конечного продукта. Подложка и эпитаксия составляют почти 70% стоимости, поэтому снижение их стоимости будет основным направлением развития SiC-индустрии. Карбид кремния, необходимый для высокого напряжения (800 В) для новых транспортных средств, представляет собой в основном проводящую подложку из кристалла SiC. Существующие крупные производители включают Wolfspeed (ранее Cree), II-VI, TankeBlue Semiconductor и SICC.

С точки зрения глобального развития технологии SiC, рынок устройств SiC монополизирован крупными поставщиками, такими как STMicroelectronics, Infineon, Wolfspeed и ROHM. Китайские вендоры уже имеют масштабные производственные мощности и не уступают мировым разработкам. Их планирование мощностей и сроки производства практически не уступают зарубежным аналогам.

Что касается уровня развития подложек SiC, то в настоящее время на рынке SiC преобладают 6-дюймовые подложки, а 8-дюймовые подложки SiC являются приоритетом развития во всем мире. В настоящее время только компания Wolfspeed наладила массовое производство 8-дюймовых SiC. Китайская компания SEMISiC произвела 8-дюймовые полированные SiC-пластины N-типа в небольших масштабах в январе 2022 года. Большинство международных компаний планируют производство 8-дюймовых SiC-подложек в течение 2023 года.

(2) Нитрид галлия (GaN) все еще находится на ранней стадии применения в автомобилестроении, и темпы компоновки соответствующих производителей ускоряются.

Нитрид галлия (GaN) в основном используется в области бытовой электроники, такой как планшетные ПК, наушники TWS и быстрая зарядка ноутбуков (PD). Тем не менее, по мере того, как процветают автомобили с новой энергией, электромобили становятся потенциальным рынком приложений для GaN. В электромобилях полевые транзисторы GaN (FET) очень применимы к OBC AC-DC, преобразователям высокого напряжения (HV) в низковольтный (LV) DC-DC и низковольтным преобразователям постоянного тока.

В области электромобилей технологии GaN и SiC дополняют друг друга и охватывают разные диапазоны напряжения. Устройства GaN подходят для напряжений от десятков до сотен вольт, а также для приложений среднего и низкого напряжения (менее 1200 В); их коммутационные потери в три раза меньше, чем у SiC при напряжении 650 В. SiC более применим к высоким напряжениям (несколько тысяч вольт). В настоящее время применение устройств SiC в среде с напряжением 650 В в основном предназначено для включения напряжения 1200 В или выше в электромобилях.

Китай по-прежнему имеет большой разрыв с зарубежными коллегами в разработке галлия.2О3и еще не вышел на массовое производство

Благодаря большой запрещенной зоне, высокой напряженности поля пробоя и высокой радиационной стойкости оксид галлия (Ga2О3), как ожидается, будет доминировать в области силовой электроники в будущем. По сравнению с обычными широкозонными полупроводниками SiC/GaN, Ga2О3 может похвастаться более высоким коэффициентом качества Baliga и более низкой ожидаемой стоимостью роста, а также имеет больший потенциал в применении к высоковольтным, мощным, высокоэффективным и малогабаритным электронным устройствам.

С точки зрения политики, Китай также уделяет все больше внимания Ga2О3. Еще в 2018 году Китай начал исследовать и изучать сверхширокозонные полупроводниковые материалы, включая Ga.2О3, алмаз и нитрид бора. В 2022 году Министерство науки и технологий Китая ввело Ga2О3 в Национальную ключевую программу НИОКР в период «14-й пятилетки».

12 августа 2022 года Бюро промышленности и безопасности (BIS) Министерства торговли США издало промежуточное окончательное правило, устанавливающее новые правила экспортного контроля в отношении четырех технологий, которые соответствуют критериям новых и основополагающих технологий, в том числе: ), программное обеспечение для автоматизации проектирования электроники (EDA), технология сжигания с усилением давления (PGC) и две сверхширокозонные полупроводниковые подложки, оксид галлия и алмаз. Два экспортных контроля вступили в силу 15 августа. Га2О3 привлек больше внимания со стороны глобальных научных исследований и промышленных кругов.

Хотя оксид галлия все еще находится на начальной стадии НИОКР, Китай сделал несколько прорывов за 15 месяцев с начала 2022 года. Его технологии получения оксида галлия — с 2 дюймов до 6 дюймов в 2022 году, а затем до в последнее время — созревают. Китайский Га2О3 исследовательские подразделения по материалам включают: Исследовательский институт № 46 China Electronics Technology Group Corporation (CETC46), Evolusia Semiconductor, Шанхайский институт оптики и точной механики (SIOM), Gallium Family Technology, Beijing MIG Semiconductor и Fujia Gallium Industry; листинговые компании, такие как Xinhu Zhongbao, Sinopack Electronic Technology, Jiangsu Nata Opto-Electronic Material и San’an Optoelectronics; а также десятки колледжей и университетов.

Силовая электроника

www.researchinchina.com