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比亚迪杨钦耀:功率半导体器件在新能源汽车上的应用

【杨钦耀: 比亚迪微电子IGBT产品中心产品总监,2002年加入比亚迪至今;2007年组建团队开始IGBT芯片及模块的研发与制造,目前自主研发的IGBT已大批量应用于新能源汽车上,累计出货已超过50万只模块】

比亚迪杨钦耀:功率半导体器件在新能源汽车上的应用

杨经理在展会上分享演讲

各位来宾,下午好! 非常高兴有机会站在这个讲台上分享一些功率器件方面的信息,我叫杨钦耀,来自比亚迪微电子,今天演讲的题目是“电动汽车中的功率器件”。

为了改善人居环境,全球各国都制订了未来碳排放标准的目标。汽车电动化是实现碳排放目标的重要途径之一。为了实现既定碳排放的目标,很多国家相继出台了停售燃油车的计划,其中挪威2025年就要停止燃油车的销售。2030~2040,还有一大批国家也要停售燃油车。新能源汽车是各国汽车产业发展的方向,这已毫无疑问了

跟发达国家比,我国在减少碳排放方面还有一定差距。但也可以看到,中国政府正在做出努力,已制订出了未来减少碳排放的具体目标。2018年4月中国工信部出台了双积分的政策。主要两个目的:降低油耗和建立发展新能源车的长效机制。通过这个政策推动电动车的发展。

从2017年积分情况可以看到,通过这几年的发展,中国的电动汽车取得了不错的成绩。但仍然有很多车企动作不够快,跟不上新能源车发展的步伐,压力仍然很大。可喜的是,在国家政策的引导下,越来越多的中国车企加入了新能源汽车行业。现在看到的是今年7月份最新的电动汽车销量排行。排在前几位的,除了比亚迪以外,还有上汽、北汽、吉利等,销量都相当不错。这都是国内的车企,我这里只列出了前二十名,还有很多。

在国际上,中国新能源汽车也占据了不错的位置。在传统汽车这块,中国品牌的车企在销量排行上能上榜的非常稀少。但在新能源汽车这里大家可以看到,北汽新能源、比亚迪、上汽荣威等都在销量上进入了世界前十。

新能源汽车不但是中国,在全球范围内都在维持着高速发展的态势。现在看到的是权威机构统计的有关电动汽车预测增长的情况。从预测增长情况看,到2025年之前基本上都是保持40%的增长率,相当吓人。

黄色部分是中国汽车增长比例,中国新能源汽车市场仍然是最大的一块,占据了全球新能源汽车近一半的市场。

我今天要讲的是新能源车用的功率器件,前面介绍的都是一些背景。电动汽车的快速发展,给国产器件厂商提供了一个巨大的机会,当然也是一个挑战。

在汽车中,用到功率器件的地方很多,其中最大的一块是电机驱动。除此之外,DC-DC变换、充电/逆变、电空调驱动等,都需要用到。绿色部分只是列出了当前高压器件部分的需求,还有很多低压的需求。这些都要用到IGBT或者MOSFET。除了插电、纯电动之外,轻混、强混也都要用到。

目前,电动汽车里面用的功率器件主要还是以IGBT为主。在五年之前, IGBT的应用主要还是停留在传统行业,新能源汽车这块是IGBT应用的全新领域,在2013年之前用的非常少。蓝色部分是传统行业对IGBT的需求,橙色部分是新能源汽车对IGBT需求。未来IGBT需求的增长点,除了传统行业一小部分外,更多的是来自于新能源汽车的增长。

2017年到2025年大概有八年时间,可以预测IGBT的需求会是爆发性的增长。除了IGBT以外,还会有一些新的功率器件慢慢引入,主要是因为国家政策的引导。未来对电动汽车要求是希望续航里程更长、能耗更低。从2018年国家最新补贴标准来看,补贴金额在续航里程低于300公里的是在降低的。但是,续航大于300公里的部分,补贴金额非但没有降,反而是升高的。

怎么样顺着这个政策的引导,让我们的车能够更好的满足市场的需要呢?主要两个方面:

第一,电池方面。开发使用更高能量密度的电池。

第二,减少系统损耗,提高系统的效率。提高系统效率方面我认为碳化硅应用是一个大趋势。目前的研究结果看,应用碳化硅的器件,整车效率可以提升3%到5%。有一些公司给出的数据甚至可以提升8%。从我们自己实测的结果上看,3%到5%是完全没有问题的。

碳化硅器件当前成本很高,随着产业化的应用,本身成本会下降,这是必然的。另外,随着系统效率的提升,同样续航里程的情况下可以减少电池的使用,减少电池的使用可以降低车身的重量,反过来又可以提高续航里程。综合算下来,当碳化硅模块成本做到当前IGBT成本的两倍左右时,应用碳化硅的整车成本已经不差于IGBT的了。在高续航里程的车上,优势还更明显。两倍的成本目标在三到五年内是有机会实现的。现在有些车企已经开始尝试用碳化硅了。碳化硅相比传统的IGBT这块在效率方面有明显的优势,特别是在低负载的情况下。目前的碳化硅器件主要在太阳能逆变器、UPS这块应用用得较多,但在未来几年新能源汽车应该是碳化硅这块的最大增长点。

总结一下:

第一,未来十年因为新能源汽车的爆发性增长,功率器件的需求也会呈现爆发式的增长。

第二,随着大批量应用,碳化硅的成本会急剧下降,高续航里程,大于400公里这块的纯电动汽车肯定首先会被碳化硅替代。因为高续航里程节约的电池成分比较多一点。在这块成本方面不是问题。

第三,未来三到五年,IGBT、碳化硅MOSFET的产能预计会成为新能源汽车发展的最大瓶颈。新能源汽车电机虽然是重要部件但不会是一个瓶颈,瓶颈是电池和功率器件。电池这几年产能扩充非常厉害,目前来看电池产能扩充已经领先于新能源汽车销量。所以,电池这块我也不认为是个问题。真正问题是功率器件方面。功率器件产能扩张周期比较长,而且功率器件目前主要还是在国外的几大巨头手中,他们对这块比较保守。他们的企业文化决定了不会盲目的做这些扩张。只有看到实实在在的需求时才会考虑扩张。未来三到五年碳化硅MOSFET将会是制约新能源汽车发展的最大瓶颈。很多产品销量上不去,就是因为买不到功率器件。这给国内的企业提供了巨大的机会。

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比亚迪从2007年开始做IGBT,2013年开始大批量应用于自己的电动汽车中,从目前看,正在大批量应用的已经走到第二代Pin-fin底板全桥模块。做IGBT的公司很多,但是电动汽车领域是全新的应用,因此他们原先也没有相应的满足要求的产品,因此我们开发了自己的产品。通过几年发展,我们东西慢慢成熟,形成了自己的系列。 我们希望在现在这个全球车用IGBT供应紧张的时候,能在这个行业中给大家提供一些支持,做出我们相应的贡献。

现在看到的是我们过去几年的销量,已经用得很多了,在品质方面可以放心。2018年1到7月份我们IGBT模块出货量已经超越去年全年的销售量。

除了比亚迪以外, 也还有很多其他的国产功率器件厂家在一起努力,也做得相当不错,希望能给大家提供更好的服务。我的演讲结束,谢谢大家!

提问:刚才谈到碳化硅的成本确实非常高,刚才提了一个逻辑,主要是碳化硅的应用,能实现成本降低,是怎样一个逻辑?

杨钦耀:这块是从系统成本降低来计算的。如果碳化硅模块成本降到当前IGBT成本两倍左右的话,系统算下来基本上可以跟当前的IGBT应用成本打平。

提问:您说的3%-5%效率提升,是在哪一方面的效率?

杨钦耀:整车系统的效率。

提问:杨总,我想问一个问题,刚才提到IGBT适用的电压平台700伏,应用到更高的平台1000伏,对IGBT需要重新设计么?

杨钦耀: 市场上大部分的乘用车电池电压还在400伏以内,在这种情况下用750伏的器件就够了。我说的750伏是电池电压的平台,比亚迪乘用车电池电压平台比较高,比如说唐,电池电压达到了750伏左右,甚至800伏,需要用到1200伏的器件。如果电池电压进一步提高,电池平台1000伏,器件电压也要提供,就可能要用1700伏的器件。

提问:现在在做快充时,比如说保时捷,1000伏的电池电压,这需要重新开发的IGBT模块?

杨钦耀:必须的。1700伏的器件市场上有了,只是成本更高。

主持人:现在系统效率已经高达94%甚至更高了,再提升3%~5%,可能就超过100%了,怎么能实现的?

杨钦耀:3%到5%是不同工况下综合的,您刚才说的效率是最高效率,实际上电动汽车在不同工况下效率不一样的,比如说低速下和高速下就不一样, 3%到5%是不同工况下对应的点。如果在高速上最高的估计也就提升2%左右。

主持人:是按照综合工况。

杨钦耀:比如说刚才提到在启动、低速的情况下效率提高的点就会多一些,如果高速上跟IGBT相差不了太多。谢谢!

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