L'industria automobilistica si sta muovendo lentamente ma inesorabilmente verso un futuro elettrico.
Di Claudio Vittori, Associate Manager | Supply Chain & Technology Group | E-Mobility Components Research, S&P Global Mobility e Srikant Jayanthan, Senior Analyst | Supply Chain & Technology Group | S&P Global Mobility
L'industria automobilistica si sta muovendo lentamente ma inesorabilmente verso un futuro elettrico. Sono diversi i fattori che determineranno il ritmo di questa transizione dai motori a combustione interna (ICE) ai veicoli elettrici. Uno dei fattori chiave è sicuramente la performance dei veicoli elettrici, in particolare l'autonomia che offriranno nelle condizioni di guida reali.
Montare una batteria più grande sull'EV aumenterà l'autonomia, ma ciò comporterà un aumento significativo del costo e del peso del veicolo e probabilmente non farà pendere la bilancia a favore degli EV. La risposta a questa sfida sta nel migliorare le prestazioni del veicolo utilizzando la potenza disponibile in modo ottimale. Uno dei modi per farlo è utilizzare un inverter di trazione efficiente.
Gli inverter sono componenti elettronici fondamentali nei veicoli elettrici che consentono di trasferire l'energia dalla batteria ai motori di trazione. La funzione principale di questi inverter ad alta tensione è quella di convertire la corrente continua (CC) ricevuta dalla batteria in corrente alternata (CA) e trasferirla al motore di trazione.
Con la crescita delle vendite di veicoli a propulsione alternativa, anche la domanda di inverter ad alta tensione è aumentata in modo significativo. Si prevede che tale domanda crescerà in modo proporzionale alla produzione di veicoli elettrici.
La domanda di inverter nel segmento dei veicoli elettrici leggeri, che comprende veicoli elettrici a batteria (BEV), veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV), veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV), veicoli ibridi completi e veicoli ibridi leggeri, è stata di circa 21,5 milioni di unità nel 2021. Secondo le nostre previsioni, questa domanda è destinata a crescere a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 21% fino a raggiungere circa 118,7 milioni di unità nel 2033.
In base al livello di elettrificazione e al segmento di vendita dei veicoli, esistono diversi tipi di inverter attualmente utilizzati nei veicoli elettrici con diverse tecnologie di commutazione e materiali semiconduttori. Questi includono inverter con dispositivi di commutazione a base di silicio, come transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido metallico (MOSFET) e transistor bipolari a gate isolato (IGBT), e dispositivi di commutazione a base di materiali a banda larga (carburo di silicio (SiC) o nitruro di gallio (GaN)).
Il futuro della tecnologia degli inverter nel settore dei veicoli elettrici
Il MOSFET al silicio (Si) è una delle più antiche tecnologie di commutazione utilizzate nell'industria automobilistica. Gli inverter MOSFET al silicio sono utilizzati principalmente negli ibridi leggeri, ma trovano impiego anche negli ibridi a bassa tensione. I MOSFET hanno tre terminali: source, drain e gate. I MOSFET sono più efficienti nelle applicazioni a bassa tensione fino a 100 V e con una potenza di picco di 20 kW. Ciò è dovuto alla loro capacità di funzionare ad alta frequenza con minori perdite nello stato attivo e basse cadute di tensione.
Tuttavia, i MOSFET al silicio sono noti per avere perdite di conduttanza più elevate, il che rende gli inverter MOSFET al silicio meno efficienti all'aumentare della tensione del sistema. A causa di questo inconveniente, i MOSFET al silicio rischiano di perdere il favore delle case automobilistiche man mano che queste sviluppano veicoli ad alta tensione. Si prevede che il numero di veicoli ad alta tensione (da 450 V a 1.000 V) rappresenterà il 39% del totale dei veicoli elettrici nel 2033, rispetto al 23% del 2021.
Gli inverter Si IGBT sono gli inverter più utilizzati nel segmento dei veicoli leggeri, con una quota di mercato superiore al 68%. La domanda di inverter IGBT crescerà a un tasso annuo composto (CAGR) di circa il 12% tra il 2021 e il 2033, raggiungendo oltre 57 milioni di unità, di cui oltre il 52% sarà installato su veicoli elettrici a batteria (BEV).
Attualmente, gli inverter IGBT trovano il loro maggiore impiego nei veicoli ibridi completi, ma entro la fine del decennio, con l'aumento della domanda di veicoli completamente elettrici, i BEV saranno il segmento leader per gli inverter IGBT. Gli IGBT hanno dimostrato di essere molto più efficienti nei veicoli ibridi completi e nei BEV, poiché hanno una tensione nominale superiore a 1.200 V, rispetto ai 600 V dei MOSFET.
Gli inverter IGBT sono particolarmente adatti per alimentare motori di trazione da 35 kW a 85 kW, rendendoli ideali per veicoli elettrici a batteria (BEV) di fascia bassa e media. Rispetto ai MOSFET al silicio, gli IGBT hanno una frequenza di commutazione inferiore ma una maggiore tolleranza alle scariche elettrostatiche. Gli IGBT vantano inoltre minori perdite di conduzione a tensioni più elevate.
Sebbene gli inverter IGBT siano sufficientemente efficienti per gli EV di attuale generazione, essi devono affrontare alcune sfide poiché la domanda di efficienza aumenta a causa dei limiti del materiale al silicio. Di conseguenza, l'industria automobilistica si sta orientando sempre più verso inverter basati su SiC, che offrono caratteristiche migliori. Il SiC è un materiale a banda larga con un gap di banda di 3 elettronvolt (eV) rispetto a 1,1 eV del silicio. Ciò consente il funzionamento a tensioni molto più elevate e a temperature più elevate.
Tuttavia, gli inverter SiC sono ancora relativamente costosi e sono preferiti soprattutto per i veicoli elettrici a batteria (BEV) di fascia alta. Tuttavia, con la diminuzione dei costi, il loro utilizzo negli ibridi aumenterà grazie alla loro elevata efficienza. Entro il 2033, oltre il 20% degli inverter SiC utilizzati dalle case automobilistiche sarà destinato agli ibridi completi. Si prevede che la domanda globale di inverter SiC nel segmento dei veicoli leggeri aumenterà a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 32,6% fino a raggiungere circa 45 milioni di unità tra il 2021 e il 2033.
Il GaN è un altro materiale a banda larga che viene preso in considerazione nel settore automobilistico grazie al suo band gap più elevato, pari a 3,4 eV. Il GaN ha un'efficienza ancora maggiore rispetto al SiC in determinate architetture di tensione. Gli inverter GaN non sono ancora stati utilizzati in veicoli elettrici disponibili in commercio e si prevede che arriveranno sul mercato solo in una fase successiva. La tecnologia GaN presenta ancora alcuni limiti tecnici in termini di applicabilità in applicazioni ad alta tensione (architetture di veicoli ~400V+) che devono essere risolti prima che possa diventare una tecnologia mainstream.
L'uso del GaN nei veicoli elettrici non dovrebbe iniziare prima del 2027. Entro il 2033, gli inverter GaN rappresenteranno oltre il 3% della domanda di inverter nel segmento dei veicoli leggeri. I veicoli elettrici a batteria (BEV) saranno i maggiori utilizzatori di inverter GaN, con una quota ben superiore al 98%. Gli ibridi completi rappresenteranno la restante domanda.
