Внедрение 800 В в массовых электромобилях для ускорения перехода силовой электроники на карбид кремния

28 февраля 2023 г.

Спрос на силовую электронику для электромобилей (EV) резко возрастет в ближайшие десять лет, в первую очередь за счет быстрого роста автомобильного рынка аккумуляторных электромобилей (BEV), где рыночная аналитическая компания IDTechEx прогнозирует совокупный годовой темп роста (CAGR) на уровне 15% в мире в течение следующего десятилетия. В настоящее время средневзвешенная емкость аккумуляторов автомобилей BEV увеличивается во всех регионах, увеличивая нагрузку на цепочки поставок аккумуляторов и создавая неопределенность. В результате эффективность ездового цикла должна выйти на передний план конструкции трансмиссии, а это означает, что пришло время для высоковольтной широкозонной силовой электроники (WBG).

Новый отчет IDTechEx «Силовая электроника для электромобилей 2023–2033» дает представление о развивающихся полупроводниках и упаковочных материалах, включая полупроводники из кремния, карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), материалы для крепления кристаллов, соединение проводов и управление температурой. , а также прогнозы с подробным описанием продаж, ГВт и спроса в долларах США на инверторы, бортовые зарядные устройства (OBC) и преобразователи постоянного тока, сегментированные по напряжению (600 В, 1200 В) и полупроводниковому типу (Si, SiC, GaN).

Хотя кремниевые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) в течение 20 лет доминировали в диапазоне устройств средней и высокой мощности, в том числе в силовой электронике электромобилей, они уступают место материалам WBG нового поколения: SiC и GaN. Это коренным образом повлияет на конструкцию новых силовых устройств, включая материалы корпусов, поскольку высоковольтные модули и модули с высокой плотностью мощности, работающие при более высоких температурах, становятся тенденцией.

Двумя факторами, которые часто упоминаются для перехода от 350–400 В к 800 В и выше, являются более высокие уровни мощности быстрой зарядки постоянным током (DCFC), например 350 кВт, и повышение эффективности ездового цикла. Совместимость с DCFC сегодня является относительно слабым фактором из-за низкой доступности по сравнению с зарядными устройствами переменного тока и высокой стоимости, связанной с инфраструктурой 800 В. Действительно, согласно отчету IDTechEx «Инфраструктура зарядки для электромобилей и автопарков на 2022–2032 годы», в 2022 году было установлено около 3 миллионов зарядных установок переменного тока по сравнению с примерно 50 000 DCFC мощностью более 100 кВт. Кроме того, более высокие уровни DCFC не обязательно приводят к переходу на 800 В, хотя это более оптимально. Хорошим примером является Tesla, развернувшая нагнетатели мощностью 250 кВт, не выходя за рамки своей платформы 350 В.

Аргумент эффективности для 800 В является более сильным. Это позволяет снизить потери в джоулях и уменьшить размеры высоковольтных кабелей. В сочетании с SiC MOSFET это обычно приводит к повышению эффективности на 5-10%, что потенциально может уменьшить размер дорогостоящей батареи, снизить затраты или увеличить запас хода автомобиля, создавая конкурентное преимущество.

Тем не менее, это непростое время для автомобильной промышленности, и внедрение 800 В столкнулось с некоторыми подводными камнями в 2022 году. Lucid Air, первый серийный автомобиль 900 В, было продано около 7000 единиц в 2022 году после первоначальной цели в 20 000 единиц. Taycan от Porsche также был одной из самых продаваемых моделей OEM-производителей в Европе в 2020–2021 годах, но в 2022 году продажи снизились. И то, и другое является результатом продолжающейся нехватки запчастей и проблем с цепочками поставок, например, нехватки жгутов проводов из-за российско-украинской войны. .

С другой стороны, Hyundai демонстрирует успех 800-вольтовых платформ. Продажи его моделей, использующих 800V E-GMP (Electric — Global Module Platform), выросли более чем вдвое в Южной Корее и составили около 70 000 единиц в год благодаря популярности моделей IONIQ 5 и Kia EV6. Это впервые выводит рынок автомобилей 800V из сегмента роскоши и преимущественно в сегменты обычных автомобилей. Чтобы поддержать быстрый рост, Hyundai диверсифицирует свои партнерские отношения с поставщиками карбида кремния, подписывая новые соглашения с Onsemi и STMicroelectronics в 2022 году в дополнение к существующим отношениям с Infineon и Vitesco.

Китай также сигнализирует о переходе на автомобили с напряжением 800 В с планами развития крупных OEM-производителей в 2022 году, включая BYD, XPeng, Great Wall Motors, GAC и других. В этих автомобилях, скорее всего, будут использоваться SiC MOSFET, что позволит отрасли SiC выйти на крупнейший в мире рынок электромобилей, поскольку в 2022 году Китай продал более 6,5 миллионов электромобилей.

Хотя SiC MOSFET на 1200 В (используемые в автомобильных платформах на 800 В) будут играть ключевую роль в оптимизации эффективности ездового цикла, это по-прежнему лишь одна часть головоломки. Эффективность ездового цикла может быть повышена во многих областях: от улучшенного химического состава аккумуляторов до кузова с солнечными батареями, уменьшения количества высоковольтных кабелей на транспортное средство, 600-вольтового карбида кремния, улучшенной конструкции двигателя и так далее. Задача автопроизводителей состоит в том, чтобы постоянно работать над повышением общей эффективности ездового цикла, чтобы гарантировать бесперебойное питание от аккумуляторов.

Силовая электроника SiC силовой МОП-транзистор

www.IDTechEx.com/PowerElec