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IDTechEx: 电动汽车中三个关键器件的发展趋势

2021-09-26 综合报道 阅读:
在半导体短缺的情况下电动汽车的增长是否可持续?

尽管全球汽车芯片都在缺货,但电动汽车销量在 2020 年全年持续增长,同比增长约 40%。CYFednc

2020年的增长很大程度上是由欧洲推动的,欧洲坚持了向新排放目标(每公里95克二氧化碳)的过渡年。随着汽车制造商努力实现这些目标,充电式电动汽车的销量几乎翻了一番,与中国不相上下。CYFednc

关键是,欧洲对特斯拉的依赖正在减少,因为传统汽车制造商已经加快了电气化计划:福特(Ford)、现代-起亚(Hyundai-Kia)、捷豹路虎(JLR)和大众(VW)都上调了2021年上半年的目标。CYFednc

类似的政策正在世界各地形成。CYFednc

据英国研究公司IDTechEx预测,2022~2032年全球电动汽车市场的复合年增长率(CAGR)将达到25%,全球市场的增长势头将至少持续二十年。CYFednc

值得注意的是,电动汽车比内燃机汽车需要更多的半导体。到 2022 年,按照目前的轨迹并假设没有供应限制,我们估计汽车行业的电气化(BEV、PHEV、FCEV、HEV、48V)与没有电气化的情况相比将需要额外价值74亿美元的半导体材料。CYFednc

电动汽车是半导体行业的一个巨大增长领域,当前的短缺主要影响微控制器 (MCU)。CYFednc

特斯拉声称,它通过构建新的微控制器设计和更换MCU供应商,在很大程度上控制了 2021 年的危机——其销售一直保持强劲。  CYFednc

创新驱动力

电动汽车动力系统的创新主要聚焦于电池、牵引电机和电力电子器件。车辆续航里程、安全性、使用寿命以及可持续运输等需求推动了这些组件的技术进步。 CYFednc

IDTechEx 报告“电动汽车的电力电子2022-2032”重点关注汽车电力电子的重要性,分析趋势和正在进行的潜在材料变化,以及整个价值链中创造的大量机会。CYFednc

电力电子是一种用于控制和转换功率的固态电子。对于电动汽车,它由三个关键器件组成:CYFednc

  • 车载充电器、为电池充电的交直流整流器;
  • 逆变器,一个大功率直流到交流转换器,用于为牵引电机供电的电池;
  • 用于高压牵引电池的 DC-DC 转换器,为低压电池供电。

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资料来源:IDTechExCYFednc

最关键的是主逆变器,它以最高功率运行并促进牵引。这里的任何效率改进都可以在不改变电池容量的情况下提高车辆的续航里程。CYFednc

这推动了从硅 IGBT 向碳化硅 MOSFET 的快速转变,由特斯拉领导,早在 2017 年,随着 Model 3 的发布,特斯拉推出了首款采用定制碳化硅 MOSFET 的汽车逆变器,供应商是ST意法半导体。CYFednc

如今,碳化硅 MOSFET 供应链的增长继续滚雪球,包括 罗姆(ROHM)、科锐(Cree)、昭和电工(Denko)、英飞凌(Infineon)、电装(Denso)、博世(Bosch)、德尔福(Delphi)、Vitesco(原大陆集团动力总成事业群)、德纳(Dana)等参与者,扩大产能并建立合作伙伴关系以保持跟上快速的需求。CYFednc

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对于车载充电器,主要趋势是更高功率的运行。在这里,宽禁带(WBG)开关的应用仍然很关键,不过,车载充电设备(OBC)并不与续航里程直接相关。虽然 4kW 以下的车载充电器在十年前是标准配置,但在电池容量增加和对快速充电的持续需求的推动下,如今大多数新车型都配备了 6-10kW 的 OBC。CYFednc

更高额定值的 OBC 也很重要,因为大多数公共充电装置都是交流电,这意味着车载充电器通常会成为充电时间的瓶颈。例如,宝马(BMW)纯电动汽车i3由于车载充电设备限制,插入22 kW交流充电桩时,只能在11 kW下充电。。CYFednc

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最终,OBC 的最终目标是 22kW,目前豪华电动汽车已有不少采用。CYFednc

碳化硅 MOSFET、GaN HEMT 和封装材料创新

如今,硅IGBT在电动汽车电力电子领域占据了主导地位,但正在快速过渡到第六代宽带隙(WBG)半导体: SiC MOSFET 和GaN HEMT (氮化镓高电子迁移率晶体管)。CYFednc

WBG 半导体是一个阶段性变化,使电力电子设备更加高效、功率密集且能够在高温下运行。这对于改善电动汽车续航里程或降低成本(通过缩小电池容量)至关重要。CYFednc

由于半导体芯片不再是高温操作和寿命的瓶颈,封装材料创造了新的机会。取代传统焊料、铜线和带状键合的新型银烧结焊膏,以及改进的热管理系统和材料,将成为行业关注的重点。CYFednc

800V - 1000V 汽车

宽带隙半导体开关可实现更高效的高压操作(800V - 1000V),从而带来 350kW 直流快速充电等优势。转向 800V 并不像重新布线电池那么简单:需要对电池、热管理系统、逆变器 (WBG)、电机和高压电缆进行深入的系统更改和重新设计。CYFednc

尽管如此,情况正在迅速发展,至少有十家汽车制造商承诺将在 800 - 1000V 之间运行的车型和车辆平台,所有的发布时间表都在 2021 - 2025 年之间。CYFednc

未来几年,800V 将主要(但不是唯一)存在于豪华车领域,我们将其定义为起价高于 5 万美元的基本型号。转向 800V 平台并不一定保证采用SiC MOSFET,但却是其强大的推动力。然而,对于 900V 以上的平台,如 924V Lucid Air,碳化硅将是唯一现实的选择。CYFednc

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责编:胡安CYFednc

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