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功率半導體/電池技術/電機驅(qū)動技術,電動汽車背后的技術

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年04月29日  

"未來幾年,電動汽車的銷量增速有望超過50%,2017年全球電動汽車銷量超過122萬輛,同比上升了58%。2018年,電動汽車銷量明顯提速,1~四月,全球電動汽車銷售達到43.55萬輛,較去年同期上升了68.18%,銷量呈現(xiàn)出加速上升的態(tài)勢。受益于政策支持及銷售補助,預計全球及我國新能源電動汽車銷量的復合年上升率將達到32%,這將帶動相關半導體,電子產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展,汽車作為拉動半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三駕馬車之一絕非虛言。作為全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的標志,新能源汽車顛覆傳統(tǒng)燃油車,將電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化疊加融合已成大勢。"


汽車電動化的獨特特點


①電動機可分散配置控制。發(fā)動機的小型化很難,再加上燃料供給以及冷卻排氣系統(tǒng)等,一臺汽車搭載多個發(fā)動機是不可能的,但是電動機可以做到很小,甚至小到可以裝進車輪中,能量的供給只要電纜的配線沒有問題就行,因此分散配置動力成為可能。


②可準確把握路面狀況。因為電動機一直檢測電流值,因此可以精確的追蹤在車輪上發(fā)生的轉(zhuǎn)矩,但在發(fā)動機的情況下,轉(zhuǎn)矩和消耗燃料的關系不一定是圓滑的圖形,這種測定是不可能的。


③通過運動控制可提高汽車經(jīng)濟性。當汽車輪胎與路面貼合旋轉(zhuǎn)方向時,實際上有相當程度的空轉(zhuǎn),遺憾的是一般駕駛者很難體會到這種感覺,空轉(zhuǎn)會導致實際車速和車輪速度是存在一定差距。


功率半導體需求新增


新能源汽車新增半導體用量中大部分是功率半導體。在傳統(tǒng)汽車中,功率半導體重要應用在啟動與發(fā)電、安全等領域,占傳統(tǒng)汽車半導體總量的20%,單車價值約為60美元。


由于新能源汽車普遍采用高壓電路,當電池輸出高電壓時,要頻繁進行電壓變換,這時電壓轉(zhuǎn)換電路(DC-DC)用量大幅提升,此外,還要大量的DC-AC逆變器、變壓器、換流器等,這些對IGBT、MOSFET、二極管等半導體器件的需求量也有大幅新增。


IGBT快速上升


功率半導體是電動汽車成本占比僅次于電池的第二大核心零部件。新能源電動汽車動力出現(xiàn)和傳輸過程與汽油發(fā)動機有較大差異,要頻繁進行電壓變換和直流-交流轉(zhuǎn)換。加之純電動汽車對續(xù)航里程的高需求,使得電能管理需求更精細化,這些對IGBT、MOSFET、二極管等功率分立器件的需求遠高于傳統(tǒng)汽車。


作為新興功率器件,IGBT在汽車需求的帶動下,將出現(xiàn)爆發(fā)式上升。隨著新能源汽車的普及,IGBT作為重要的功率器件,受到了廣泛的關注。IGBT模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關重要的用途,是電動汽車及充電樁等設備的核心部件。


碳化硅的突然激增


隨著電動汽車以及其他系統(tǒng)的上升,碳化硅(SiC)功率半導體市場正在經(jīng)歷需求的突然激增,但需求也導致市場上基于SiC的器件供應緊張,促使一些供應商在棘手的晶圓尺寸過渡期間新增晶圓廠產(chǎn)量。一些SiC器件制造商正從4英寸晶圓過渡到6英寸晶圓。


SiCMOSFET比IGBT具有更快的切換速度。它還降低了開關損耗,同時降低了中低功率水平下的傳導損耗。它們的工作頻率是IGBT的四倍。由于更小的無源元件和更少的外部元件,因此可以減小重量、尺寸和成本。


電池技術決定電動汽車上限


作為電動汽車最重要的核心動力,目前日本、美國和歐洲正在全力研發(fā)新一代固態(tài)電池,具有成為動力鋰電池主流技術的潛質(zhì)和前景。


而自2008年鋰離子動力鋰電池應用于電動汽車到今天已經(jīng)超過10年,實際裝車產(chǎn)品的能量密度提高了2.5倍,實現(xiàn)了動力鋰電池領域百年來革命性的突破。


下一代電機驅(qū)動關鍵技術


下一代電驅(qū)動產(chǎn)品特點應該是以集成化、模塊化、定制化、新材料和新工藝的應用達到整車對電機驅(qū)動系統(tǒng)高效、高功率密度、高可靠和低成本的要求,電機系統(tǒng)則要在器件、模塊,包括電磁兼容、功能安全、健康管理、下一代寬禁帶半導體技術等方面來進行攻關。


傳感器和執(zhí)行器的計算要做更深一步的性能提高,才能促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展??刂破鞯闹餍酒瑔纹瑱C除了要有更高的計算功能外,還要供應更高的價值。價值在哪里?傳統(tǒng)電機驅(qū)動,在逆變器中有解碼芯片,芯片能讀取電機轉(zhuǎn)速與位置。新一代的單片機自含硬件模塊,DS-ADC能夠代替旋變解碼芯片,集成在單片機之內(nèi),節(jié)省部分成本,功能完全滿足需求。


半導體新材料有望替代現(xiàn)有材料


2018年五月名古屋大學教授天野浩利用為他贏得諾貝爾獎的研究成果——藍色發(fā)光二極管(LED)成功研發(fā)出節(jié)能效果出眾的半導體材料。目前已經(jīng)找到了將這一材料應用于空調(diào)等家電產(chǎn)品的辦法。天野教授還與豐田汽車工業(yè)公司和電裝公司等民間公司合作,力爭在兩年內(nèi)降低成本并投入實際使用。


一旦制造成本降至百分之一以下,這種新產(chǎn)品就有望替代使用硅和碳化硅制造的現(xiàn)有功率半導體。功率半導體材料不僅可以用于家電,在研發(fā)競爭激烈的電動汽車領域也備受期待。


總結(jié)


電動汽車普及,首先沖擊的還是傳統(tǒng)汽車制造商。消費者轉(zhuǎn)向電動汽車之后,對燃油汽車的需求就會減少,直接影響到傳統(tǒng)汽車廠商的營收。當然,假如傳統(tǒng)汽車廠商先于消費者向電動汽車轉(zhuǎn)型,在制造燃油汽車的同時也開始制造電動汽車,電動汽車營收的新增,還能減輕燃油汽車營收下降的沖擊。


電動汽車的普及,則會加速汽車半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,同傳統(tǒng)的燃油汽車相比,電動汽車在半導體元器件方面的花費,是傳統(tǒng)燃油汽車的2到3倍,電動汽車的普及毫無疑問會加速汽車半導體行業(yè)的發(fā)展,使其成為電動汽車普及的一大贏家。


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