Commercializzazione di 800 V per veicoli elettrici per svolgere un ruolo cruciale nella strategia di crescita degli OEM

Commercializzazione di 800 V per veicoli elettrici per svolgere un ruolo cruciale nella strategia di crescita degli OEM

Timestamp: 27 aprile 2023 5:57
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News: Microelectronics

27 Aprile 2023

Con il boom dei veicoli a nuova energia e della tecnologia delle batterie, la ricarica e lo scambio di batterie nella catena industriale sono diventati anelli deboli per lo sviluppo di veicoli a nuova energia. La ricarica scomoda e la breve autonomia di crociera sono diventati punti dolenti che affliggono ogni consumatore che acquista veicoli elettrici.

In questo contesto, la ricarica ad alta tensione a 800 V per i veicoli di nuova energia è stata al centro dell'attenzione, osserva il "Rapporto di ricerca sulla piattaforma ad alta tensione da 800 V, 2023" di Research In China. Il 2022 è stato il primo anno per lo sviluppo di piattaforme ad alta tensione da 800 V in Cina. In particolare, un gran numero di modelli di piattaforma ad alta tensione da 800 V sarà in vendita nel periodo 2023-2024.

Nella fase attuale, le piattaforme 800V stanno ancora affrontando una situazione di "tuoni forti ma piccole gocce di pioggia". I dati assicurativi mostrano che i veicoli assicurati con piattaforme da 800 V in Cina erano ancora meno di 10,000 unità nel 2022. Le prestazioni a basso costo e la scarsa esperienza di ricarica ultraveloce offerta dai modelli da 800 V sono i principali difetti criticati dai consumatori.

Il boom del settore richiede ancora un costo inferiore dei materiali e dei sistemi a monte e la graduale implementazione di pile a ricarica ultraveloce da 480kW/500kW a valle per coprire gli scenari di utilizzo chiave, in modo che i modelli da 800V possano essere inseriti nel nodo di esplosione del mercato che dovrebbe entrare intorno al 2024, secondo i piani delle grandi case automobilistiche.

Implementazione della ricarica ultra rapida da 800 V:

  • Xpeng: per le prime dieci città per ordini per G9, concentrarsi sulla realizzazione di stazioni di ricarica ultraveloci S4. Nel 2023, le stazioni S4 saranno utilizzate per fornire rifornimento energetico nelle principali città e lungo le principali autostrade; si stima che nel 2025, oltre alle attuali 1000 stazioni di ricarica autonome, Xpeng realizzerà altre 2000 stazioni di ricarica ultraveloci.
  • GAC: nel 2021, GAC ha introdotto una pila a ricarica rapida con una potenza di ricarica massima fino a 480kW. Si prevede che, nel 2025, verranno costruite 2000 stazioni di sovralimentazione in 300 città in tutta la Cina.
  • NIO: nel dicembre 2022, NIO ha rilasciato ufficialmente una pila di ricarica ultraveloce da 500 kW con una corrente massima di 660 A che supporta la ricarica ad alta potenza. Il tempo di ricarica più rapido per i modelli da 400 V è di soli 20 minuti; per i modelli da 800 V, la ricarica più rapida dal 10% all'80% richiede 12 minuti.
  • Li Auto: nel 2023 Li Auto ha avviato la costruzione di pile di sovralimentazione ad alta tensione da 800 V nel Guangdong e il suo obiettivo è costruire 3000 stazioni di sovralimentazione nel 2025.
  • Huawei: a marzo 2023 è uscita la pila di sovralimentazione da 600kW in esclusiva per AITO nella Huawei Base in Bantian Street, Shenzhen. Questa pila di ricarica, denominata Terminale di sovralimentazione CC FusionCharge, adotta un design a pistola singola a pila singola. Il produttore è Huawei Digital Power Technologies Co Ltd. Le sue dimensioni esterne sono 295 mm (L) x 340 mm (L) x 1700 mm (A) e il modello del prodotto è DT600L1-CNA1. La pila di ricarica ha un intervallo di tensione di uscita di 200–1000 V, corrente di uscita massima di 600 A, potenza di uscita massima di 600 kW e raffreddamento a liquido.

A causa dell'elevato costo di costruzione delle pile a ricarica ultrarapida da 480kW, in generale, una stazione di ricarica ultrarapida è dotata di una o due pile di sovralimentazione da 480kW e diverse pile di ricarica rapida da 240kW e supporta la distribuzione dinamica dell'energia. Complessivamente, secondo i piani delle case automobilistiche, è ipotizzabile che alla fine del 2027 la proprietà di modelli con piattaforma ad alta tensione da 800 V raggiunga i 3 milioni di unità; il numero di stazioni di sovralimentazione da 800 V sarà compreso tra 15,000 e 20,000; il numero di pile di sovralimentazione da 480/500kW supererà le 30,000.

Oltre alle pile di ricarica, nell'evoluzione dell'architettura da 400 V a 800 V, anche l'implementazione dell'ingegneria dei veicoli rimane molto complicata. Richiede l'introduzione simultanea di un intero sistema che comprende dispositivi semiconduttori e moduli batteria per veicoli elettrici, pile di ricarica e reti di ricarica e pone requisiti più elevati in termini di affidabilità, dimensioni e prestazioni elettriche dei connettori. Richiede anche miglioramenti tecnologici nelle prestazioni meccaniche, elettriche e ambientali.

I fornitori di livello 1 si affrettano a svelare i componenti a 800 V. La maggior parte dei nuovi prodotti saranno disponibili nel periodo 2023-2024

Tecnologia Leadrive: nel 2022, il primo sistema di propulsione elettrica "tre in uno" basato su carburo di silicio (SiC) sviluppato congiuntamente da Leadrive Technology e SAIC Volkswagen è entrato in produzione di prova e ha fatto il suo debutto al Volkswagen IVET Innovation Technology Forum. Testato da SAIC Volkswagen, questo sistema "tre in uno" dotato di ECU al carburo di silicio di Leaddrive Technology può aumentare l'autonomia di crociera del modello ID.4X di almeno il 4.5%. Inoltre, Leadrive e Schaeffler svilupperanno congiuntamente prodotti di assemblaggio di azionamenti elettrici, tra cui un asse elettrico SiC da 800 V.

Vitesco Technologies: il prodotto del sistema di azionamento elettrico altamente integrato EMR4 dovrebbe essere prodotto in serie in Cina e fornito a clienti globali nel 2023. EMR4 sarà generato nello stabilimento di Vitesco nell'area di sviluppo economico-tecnologico di Tianjin e consegnato alle case automobilistiche sia all'interno che all'esterno fuori dalla Cina.

BorgWarner: il nuovo inverter SiC 800V adotta la tecnologia dei moduli di potenza brevettata da Viper. L'applicazione dei moduli di alimentazione SiC alle piattaforme da 800 V riduce l'uso di semiconduttori e materiali SiC. Questo prodotto sarà prodotto in serie e installato sui veicoli tra il 2023 e il 2024.

800V ancora in ascesa, ma la battaglia per la capacità produttiva di SiC è iniziata

Nelle nuove architetture a 800 V, la chiave per la tecnologia di azionamento elettrico è l'uso di dispositivi a semiconduttore SiC/GaN di "terza generazione". Pur apportando vantaggi tecnici ai nuovi veicoli energetici, le iterazioni tecnologiche pongono anche molte sfide ai semiconduttori automobilistici e all'intera catena di fornitura. In futuro, i sistemi ad alta tensione da 800 V con SiC/GaN come nucleo introdurranno un periodo di sviluppo su larga scala nei sistemi di azionamento elettrico automobilistico, nei sistemi di controllo elettronico, nei caricatori di bordo (OBC), CC-CC e off pile di ricarica a bordo.

In particolare, il carburo di silicio è al centro della strategia della piattaforma ad alta tensione degli OEM. Sebbene attualmente 800V sia ancora in crescita, la guerra per la capacità di produzione di SiC è già iniziata. Gli OEM e i fornitori di primo livello competono per formare partnership strategiche con i fornitori di chip e moduli SiC o per creare joint venture con loro per la produzione di moduli SiC al fine di bloccare la capacità dei chip SiC.

D'altra parte, è stata lanciata anche la campagna per la riduzione dei costi del SiC. Attualmente, i dispositivi di potenza SiC sono estremamente costosi. Nel caso di Tesla, il valore del MOSFET basato su SiC per veicolo è di circa $ 1300; alla sua recente giornata annuale degli investitori, Tesla ha annunciato progressi nello sviluppo della sua piattaforma di chip di potenza di seconda generazione, menzionando una riduzione del 75% nell'utilizzo di dispositivi al carburo di silicio, che ha attirato molta attenzione nel mercato.

La fiducia di Tesla risiede nel fatto che la casa automobilistica ha sviluppato in modo indipendente un modulo MOSFET SiC TPAK ed è profondamente coinvolta nella definizione e progettazione del chip. Ogni die nudo nel TPAK può essere acquistato da diversi fornitori di chip per stabilire un sistema multi-fornitore (ST, ON Semiconductor, ecc.). TPAK consente anche l'applicazione di piattaforme cross-material, ad esempio l'uso misto di IGBT/SiC MOSFET/GaN HEMT.

(1) La Cina ha costruito una filiera del SiC, ma con un livello tecnologico leggermente inferiore a quello internazionale

I dispositivi di potenza basati su SiC offrono i vantaggi di alta frequenza, alta efficienza e volume ridotto (70% o 80% più piccoli dei dispositivi di potenza IGBT) e sono stati visti nel Tesla Model 3.

Dal punto di vista della catena del valore, i substrati costituiscono oltre il 45% del costo dei dispositivi in ​​carburo di silicio e la sua qualità influisce direttamente anche sulle prestazioni dell'epitassia e sul prodotto finale. Il substrato e l'epitassia costituiscono quasi il 70% del valore, quindi ridurre i loro costi sarà la principale direzione di sviluppo dell'industria del SiC. Il carburo di silicio richiesto per l'alta tensione (800 V) per i veicoli di nuova energia è principalmente un cristallo SiC con substrato conduttivo. I principali produttori esistenti includono Wolfspeed (ex Cree), II-VI, TankeBlue Semiconductor e SICC.

In termini di sviluppo globale della tecnologia SiC, il mercato dei dispositivi SiC è monopolizzato da grandi fornitori come STMicroelectronics, Infineon, Wolfspeed e ROHM. I fornitori cinesi hanno già una capacità produttiva su larga scala e sono alla pari con gli sviluppi internazionali. La loro pianificazione della capacità e i tempi di produzione sono quasi uguali a quelli dei loro colleghi stranieri.

Per quanto riguarda il livello di sviluppo del substrato SiC, i substrati da 6 pollici prevalgono attualmente nel mercato SiC e il substrato SiC da 8 pollici è una priorità di sviluppo a livello globale. Al momento, solo Wolfspeed ha raggiunto la produzione di massa di SiC da 8 pollici. L'azienda cinese SEMISiC ha prodotto wafer lucidati SiC di tipo N da 8 pollici su piccola scala nel gennaio 2022. La maggior parte delle aziende internazionali pianifica la produzione di substrati SiC da 8 pollici durante il 2023.

(2) Il nitruro di gallio (GaN) è ancora in una fase iniziale di applicazione nel settore automobilistico e il ritmo di layout dei relativi produttori sta accelerando

Il nitruro di gallio (GaN) è ampiamente utilizzato nei settori dell'elettronica di consumo come tablet PC, auricolari TWS e ricarica rapida (PD) per computer notebook. Tuttavia, mentre i nuovi veicoli energetici prosperano, i veicoli elettrici diventano un potenziale mercato di applicazione per GaN. Nei veicoli elettrici, i transistor GaN ad effetto di campo (FET) sono molto applicabili agli OBC AC-DC, ai convertitori DC-DC da alta tensione (HV) a bassa tensione (LV) e ai convertitori DC-DC a bassa tensione.

Nel campo dei veicoli elettrici, le tecnologie GaN e SiC si completano a vicenda e coprono diversi intervalli di tensione. I dispositivi GaN sono adatti per decine di volt a centinaia di volt e in applicazioni a media e bassa tensione (meno di 1200 V); la loro perdita di commutazione è tre volte inferiore a quella del SiC nell'applicazione a 650 V. SiC è più applicabile alle alte tensioni (diverse migliaia di volt). Attualmente, l'applicazione di dispositivi SiC in un ambiente a 650 V serve principalmente per abilitare una tensione di 1200 V o superiore nei veicoli elettrici.

La Cina ha ancora un grande divario con le controparti straniere nello sviluppo di Ga2O3, e deve ancora raggiungere la produzione di massa

In virtù dell'ampia banda proibita di energia, dell'elevata intensità del campo di rottura e della forte resistenza alle radiazioni, l'ossido di gallio (Ga2O3) dovrebbe dominare nel campo dell'elettronica di potenza in futuro. Rispetto ai comuni semiconduttori SiC/GaN a banda larga, Ga2O3 vanta una figura di merito Baliga più elevata e un costo di crescita previsto inferiore e ha un maggiore potenziale nell'applicazione a dispositivi elettronici ad alta tensione, alta potenza, alta efficienza e di piccole dimensioni.

In termini di politica, anche la Cina presta sempre più attenzione a Ga2O3. Già nel 2018, la Cina ha iniziato a esplorare e studiare materiali semiconduttori a banda proibita ultra-larga tra cui Ga2O3, diamante e nitruro di boro. Nel 2022, il Ministero della Scienza e della Tecnologia cinese ha portato Ga2O3 nel programma chiave nazionale di ricerca e sviluppo durante il periodo del "14° piano quinquennale".

Il 12 agosto 2022, il Bureau of Industry and Security (BIS) del Dipartimento del commercio degli Stati Uniti ha emesso una norma definitiva ad interim che stabilisce nuovi controlli sulle esportazioni di quattro tecnologie che soddisfano i criteri per le tecnologie emergenti e di base, tra cui: gate-all-around (GAA ), software di automazione della progettazione elettronica (EDA), tecnologia di combustione a guadagno di pressione (PGC) e i due substrati semiconduttori a banda proibita ultra-larga, ossido di gallio e diamante. I due controlli sulle esportazioni sono entrati in vigore il 15 agosto. Ga2O3 ha attirato maggiore attenzione da parte della ricerca scientifica globale e dei circoli industriali.

Sebbene l'ossido di gallio sia ancora nella fase iniziale di ricerca e sviluppo, la Cina ha fatto diversi progressi entro 15 mesi dall'inizio del 2022. Le sue tecnologie di preparazione dell'ossido di gallio - da 2 pollici a 6 pollici nel 2022, e poi a 8 pollici più recentemente - stanno maturando. cinese Ga2O3 le unità di ricerca sui materiali includono: China Electronics Technology Group Corporation No.46 Research Institute (CETC46), Evolusia Semiconductor, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM), Gallium Family Technology, Beijing MIG Semiconductor e Fujia Gallium Industry; società quotate come Xinhu Zhongbao, Sinopack Electronic Technology, Jiangsu Nata Opto-Electronic Material e San'an Optoelectronics; così come dozzine di college e università.

Tag: Elettronica di potenza

Visita: www.researchinchina.com

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