L'industria automobilistica si sta muovendo, lentamente ma inesorabilmente, verso un futuro elettrico.
Di Claudio Vittori, Associate Manager | Gruppo Supply Chain & Technology | Ricerca sui componenti per la mobilità elettrica, S&P Global Mobility e Srikant Jayanthan, Senior Analyst | Gruppo Supply Chain & Technology | S&P Global Mobility
L'industria automobilistica si sta muovendo, lentamente ma inesorabilmente, verso un futuro elettrico. Sono diversi i fattori in gioco che determineranno il ritmo di questa transizione dai motori a combustione interna (ICE) ai veicoli elettrificati. Uno dei fattori chiave è sicuramente la prestazione dei veicoli elettrici (EV), in particolare l'autonomia che saranno in grado di garantire in condizioni di guida reali.
Montare una batteria più capiente sul veicolo elettrico consentirà di aumentare l'autonomia, ma ciò comporterà un aumento significativo dei costi e del peso del veicolo e difficilmente farà pendere l'ago della bilancia a favore dei veicoli elettrici. 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 un componente fondamentale dell'elettronica di potenza nei veicoli elettrici (EV) che consente di trasmettere 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 di trasmetterla al motore di trazione.
Con l'aumento delle vendite di veicoli a propulsione alternativa, anche la domanda di inverter ad alta tensione è cresciuta in modo significativo. Si prevede che tale domanda aumenti in proporzione alla produzione di veicoli elettrificati.
La domanda di inverter nel segmento dei veicoli leggeri elettrificati, che comprende veicoli elettrici a batteria (BEV), veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV), veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV), ibridi integrali e ibridi leggeri, si è attestata a 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.
A seconda del grado di elettrificazione e del segmento di mercato dei veicoli, esistono attualmente diversi tipi di inverter utilizzati nei veicoli elettrici, caratterizzati da tecnologie di commutazione e materiali semiconduttori diversi. Tra questi figurano gli inverter con dispositivi di commutazione a base di silicio, quali i transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido metallico (MOSFET) e i transistor bipolari a gate isolato (IGBT), nonché dispositivi di commutazione basati su 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 tecnologie di commutazione più datate utilizzate nell'industria automobilistica. Gli inverter a MOSFET al silicio sono impiegati principalmente nei veicoli ibridi leggeri, ma trovano applicazione anche in alcuni modelli 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 in conduzione e basse cadute di tensione.
Tuttavia, è noto che i MOSFET al silicio presentano perdite di conduttanza più elevate, il che rende gli inverter basati su MOSFET al silicio meno efficienti all’aumentare della tensione di sistema. A causa di questo inconveniente, è probabile che i MOSFET al silicio perdano 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 elettrificati nel 2033, rispetto al 23% del 2021.
Gli inverter IGBT sono i più diffusi nel segmento dei veicoli leggeri, con una quota di mercato superiore al 68%. La domanda di inverter IGBT crescerà a un tasso di crescita annuale 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 principale impiego nei veicoli ibridi full-hybrid, ma entro la fine del decennio, con l’aumento della domanda di veicoli completamente elettrici, i BEV diventeranno il segmento di riferimento per gli inverter IGBT. Gli IGBT si sono dimostrati molto più efficienti nei veicoli ibridi full-hybrid e nei BEV, poiché sono progettati per tensioni superiori a 1.200 V, rispetto ai 600 V dei MOSFET.
Gli inverter IGBT sono particolarmente indicati per l'alimentazione di motori di trazione con potenze comprese tra 35 kW e 85 kW, il che li rende una scelta ideale per i veicoli elettrici a batteria (BEV) di fascia bassa e media. Rispetto ai MOSFET al silicio, gli IGBT presentano una frequenza di commutazione inferiore ma una maggiore resistenza alle scariche elettrostatiche. Gli IGBT vantano inoltre perdite di conduzione inferiori alle tensioni più elevate.
Sebbene gli inverter IGBT siano sufficientemente efficienti per i veicoli elettrici dell'attuale generazione, devono affrontare alcune sfide a causa dell'aumento della domanda di efficienza, dovuto ai limiti del silicio come materiale. 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 all'1,1 eV del silicio. Ciò consente il funzionamento a tensioni molto più elevate e a temperature più alte.
Tuttavia, gli inverter al SiC sono ancora relativamente costosi e vengono preferiti soprattutto per i veicoli elettrici a batteria (BEV) del segmento premium. Tuttavia, con la diminuzione dei costi, il loro impiego nei veicoli ibridi aumenterà a sua volta grazie alla loro elevata efficienza. Entro il 2033, oltre il 20% degli inverter al SiC utilizzati dalle case automobilistiche sarà installato su veicoli ibridi completi. Si prevede che la domanda globale di inverter al SiC nel segmento dei veicoli leggeri aumenterà a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 32,6%, raggiungendo circa 45 milioni di unità tra il 2021 e il 2033.
Il GaN è un altro materiale a banda larga che sta suscitando interesse nel settore automobilistico grazie al suo gap di banda più elevato, pari a 3,4 eV. In determinate architetture di tensione, il GaN offre un'efficienza persino superiore a quella del SiC. Gli inverter al GaN non sono ancora stati utilizzati in veicoli elettrici disponibili in commercio e si prevede che entrino sul mercato solo in una fase successiva. La tecnologia GaN deve ancora superare alcuni ostacoli tecnici in termini di applicabilità in contesti ad alta tensione (architetture di veicoli a ~400 V e oltre) che devono essere risolti prima che possa diventare una tecnologia mainstream.
L'impiego del GaN nei veicoli elettrici non dovrebbe iniziare prima del 2027. Entro il 2033, gli inverter al GaN rappresenteranno oltre il 3% della domanda di inverter nel segmento dei veicoli leggeri. I veicoli elettrici a batteria (BEV) saranno i principali utilizzatori di inverter al GaN, con una quota ben superiore al 98%. I veicoli ibridi full-hybrid rappresenteranno la restante domanda.
