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决胜新能源:比亚迪到底胜算几何?

2018-12-31 10:33 | 汽车之家

据中汽协发布的数据显示,11月,我国新能源汽车销量为16.9万辆,较去年同期增长37.6%。前11个月新能源汽车总销量103万辆,较上年同期增长68%。在国内新能源车销量不断看涨的同时,中国的新能源行业再有好消息传来??中国车企比亚迪在技术领域再获突破。

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2018年12月10日,比亚迪在浙江宁波公开发布了IGBT4.0技术,这意味着电动车的“中国芯”研发取得重大进展。据介绍,IGBT4.0在诸多关键技术指标上都优于当前市场主流产品,其电流输出能力较当前市场主流的IGBT高15%,支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力;同等工况下,综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。这意味着比亚迪电动车在应对各种极端气候、路况时,能有更高的可靠性和更长的使用寿命。

随着中国具备自主知识产权的IGBT产品实现量产,中国在这个领域中实现了与德国、日本三分天下。但是从整体来看,面对国内外竞争对手的虎视眈眈,比亚迪在这场全球性的电动车核心技术争夺战中,依然“压力山大”。

●不能不提的IGBT

IGBT是什么?它的全称是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor),是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品,具有高频率、高电压、大电流,易于开关等优良性能,被业界誉为功率变流装置的“CPU”,小到家电,大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业,都无法离开它。

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那么,新能源汽车为何要用到IGBT呢?其实,无论是太阳能电池、风力发电还是新能源汽车,其系统应用都需要把直流电转换为交流电,承担这一任务的部件称为逆变器。而逆变器的核心器件,正是IGBT,也是价格最高的部件之一。IGBT的芯片与动力电池电芯并称为电动车的“双芯”,是影响电动车性能的关键技术。

电动车的常用电压一般为600-1200V,对电动车而言,IGBT决定了驱动系统的扭矩(直接影响加速能力)、最大输出功率(直接影响最高时速),以及车辆的电能损耗(直接影响续驶里程)等。可以说,你在大街上看到的每一辆电动车,内部都安装有IGBT。据称,在一辆电动车的成本当中,IGBT要占到5%左右。

作为一种技术含量极高的元器件,即便在全球市场内,IGBT主要供应厂商也不多,并且基本是欧美及日本几家公司。此前代表着IGBT技术的最高水平的公司包括德国英飞凌、瑞士ABB以及日本三菱、东芝、富士等公司。在高电压等级领域(3300V以上)更是完全由英飞凌、ABB、三菱三大公司所控制。

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『IGBT』

相关数据显示,中国IGBT市场长期被国际巨头垄断,90%的市场供应来自于英飞凌、三菱等海外巨头。基本上目前绝大部分市面上生产的新能源车,其IGBT模块都要从国外采购。

●比亚迪在IGBT领域的奋斗史

那么,比亚迪是什么时候进入IGBT领域的呢?

1995年,比亚迪在深圳成立,以电池生产为主要业务。2003年,比亚迪成为全球第二大充电电池生产商,同年组建比亚迪汽车,涉足整车领域。2005年,比亚迪就开始组建自身研发团队,投入重金布局IGBT产业。业内公认,比亚迪是IGBT领域国内一流的集设计、制造和销售为一体的集成电路系统集成服务商(IDM),其在国内的竞争对手包括株洲中车时代电气、杭州士兰微、吉林华微、中航微电等等。

国内IGBT研发企业汇总

企业类型主要产品及服务

比亚迪 IDM 1200V-6500V高压模块,掌握高铁动力IGBT芯片及模块技术

中车时代电气 IDM 工业级IGBT模块、汽车级IGBT模块、IGBT驱动芯片

杭州士兰微 IDM 300V-600V穿透型IGBT工艺、1200V非穿透型IGBT工艺、面向家电、消费电子

吉林华微 IDM IGBT生产线主要面向逆变器、电磁炉、UPS电源

中航微电子 IDM 1200V的IGBT功率器件

中环股份 IDM 消费电子IGBT已量产,高电亚IGBT仍在研发

西安中车永电 模块 1200V-6500V高压模块,面向轨道交通、智能电网等领域

西安爱帕克 模块 600V-1200V模块

威海新佳 模块 1200V模块,应用于变频器、UPS等领域

江苏宏微 模块 600V-1700V模块,应用于特种电源、逆变器等领域

嘉兴斯达 模块、设计 600V-3300V模块

南京芯茂微 模块、设计 600V-1700V模块,应用于工业变频、新能源等领域

制表:汽车之家行业频道

2009年9月,比亚迪研发的IGBT芯片通过了中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定,开始打破国际巨头的技术垄断。

对比亚迪IGBT研发同样重要的一件事也发生在2009年。这一年,比亚迪收购了台湾留美博士冯明宪与蔡南雄创办的宁波中纬电路工厂,由此建立了深圳、宁波两大生产基地。

2005年至今,比亚迪已经陆续掌握IGBT芯片设计和制造、模组设计和制造、大功率器件测试应用平台、电源及电控等环节,也是目前国内唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企。数据显示,截至2018年11月,比亚迪的IGBT模块累计装车已经超过50万辆。

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『比亚迪生产的IGBT』

除了打破国际巨头的垄断,比亚迪IGBT4.0的意义,可能还在于为更多新能源车企业提供性价比高、发货速度快的IGBT模块。

根据富昌电子(Future Electronics LTD)的统计,2018年,应用于新能源汽车的IGBT模块的交货周期最长已达到52周(正常情况下为8-12周)。预计2018-2022年全球新能源汽车产量年复合增长率达30%,但同期车规级IGBT产量的年复合增长率仅为15.7%。

比亚迪对外公布的规划是,2018年年底比亚迪IGBT晶圆的产能将扩大到月产5万片,如果一辆车用一片,相当于供应5万辆车的产能。到2020年,比亚迪希望达到月产10万片晶圆的能力,每年可供应120万辆车装车。

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『比亚迪发布IGBT4.0』

当然,目前国内汽车领域在做IGBT的也并不止比亚迪一家。2015年底,中车株洲所旗下时代电气公司与北汽集团旗下的北汽新能源签署协议,全面启动汽车级IGBT、电机驱动系统等业务的合作。

2017年底,北汽新能源汽车股份公司与江苏宏微科技股份有限公司联合成立宏微-北汽新能源IGBT联合实验室,计划从芯片设计到模块设计与封装再到电机控制器设计与生产,联合打造电机控制器产业链。

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2018年年初,英飞凌与上海汽车集团股份有限公司成立合资企业上汽英飞凌汽车功率半导体(上海)有限公司,英飞凌在合资公司中的占股比例为49%。合资公司投资共分为三期,首期投资合一亿欧元。

由此看来,尽管目前比亚迪是国内唯一掌握IGBT技术的新能源车企,但该领域的对手也并不在少数,北汽、上汽作为后来者也加入车用IGBT研发的队伍。这将会是一场持久战。

●电动车技术竞争战火仍酣

于比亚迪而言,IGBT技术的突破是一大步。但对于电动车的核心技术竞争来说,这一步虽然重要,但却只是攻克了其中一个壁垒。从电池、电机到电控再到材料,电动车行业未来的竞争依然激烈。

以电池为例,其技术路线也经历了多次摇摆,不同的车企对于电池的研发和使用也各有选择。主流的电池包括磷酸铁锂电池和三元锂电池,比亚迪在早期选择是自主研发的磷酸铁锂电池。其主要原因,在于车载电池界的日韩企业早早的掌握了锰酸锂和三元锂的核心技术。尤其是三元锂,无论是技术、工艺还是设备,日韩行业龙头都已达到非常成熟稳定阶段。但当时磷酸铁锂电池技术方面日韩、欧美的企业涉及较少,且安全性相较锂电池更高,故比亚迪一开始就选择磷酸铁锂电池作为突破口,其技术很快达到领先水平。

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『比亚迪生产的电池』

但从现在来看,比亚迪当时的选择未必绝对正确。由于碳酸铁锂电池的能量密度较低,在续航里程相同的情况下,搭载磷酸铁锂电池的车辆自重更高,直接导致能耗不理想。在北方寒冷的天气,比亚迪的磷酸铁锂电池衰减比较严重,而三元锂电池在低温状态下放电性能更好,所以比亚迪在北方市场的认可度常年较低。当然,电动大巴等商用车使用碳酸铁锂电池的效果还是不错的。

更为致命的冲击来自政策层面。近年来,国家对新能源汽车的电池能量密度要求逐步提高,磷酸铁锂电池受限于材料的问题,能量密度很难再继续提高,所以比亚迪也不得不于2017年前后大量使用三元锂电池。但是,就目前的情况来看,在锂电池的研发领域,比亚迪还暂时不能赶超已经有大量技术储备的松下,后者的锂电池被特斯拉等中外知名电动车企业大量使用。即便在国内,宁德时代的三元电池单体密度已达到200Wh/kg,到2020年的规划是250Wh/kg-300Wh/kg,而比亚迪到2020年的规划最高是250Wh/kg,相较起来,比亚迪的三元锂电池技术上并不占优。

随着技术的发展,氢燃料电池开始被视为新能源电池的未来发展方向。氢燃料电池最基本原理就是电解水的逆反应,它不用充电,只需要加氢气,使用异常方便,但其储存和运输方面还有很多障碍。所以,围绕电动车电池的研发和竞争还将持续,比亚迪还需要在这方面继续努力。

比亚迪 唐新能源 2018款 EV 高配

『比亚迪 唐(参数|询价)新能源』

作为新能源汽车的心脏,电机能够将电池中的电能转换为动力,保证平顺、稳定的动力转化,让车辆高效前行。在电机选取的思路上,特斯拉、北汽新能源采用的都是目前技术更成熟、应用领域广泛的异步电动机。而比亚迪却却选择了另外一条路线,即研发永磁同步电动机。

永磁同步电机与普通异步速电机相比,具有效率高、启动转矩大、体积小、重量轻的优势,当然也存在控制问题、成本问题需要攻克。比亚迪自主研发的永磁同步电机,在效率以及功率密度方面得到了不小提升,提速性能比异步电动机更快,且结构简单,维护起来相对容易。目前最新的资料显示,比亚迪的新一代电机的最大功率已达160kw,峰值扭矩310Nm。

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『永磁同步电机』

在电控系统方面,比亚迪双模混合动力车采用自主研发的电机控制系统,低速时采用电机驱动,节约能耗,高速时采用发动机驱动,效率较高,提高了燃油经济性。当然,比亚迪的电控技术相较国内车企具备一定优势,但和特斯拉研发的电控技术相比,目前还是相对逊色,仍需继续优化。

航空界有句术语,一代材料,一代战机。其实,电动车领域也同样如此。随着电动车性能不断地提升,对功率半导体组件提出了更高的要求。寻求更低芯片损耗、更强电流输出能力、更耐高温的全新半导体材料,已成为学界和业界的共识,比亚迪也加入了这一战场。

碳化硅(SiC)器件比硅(Si)器件具备更高的电流密度,在功率等级相同的条件下,采用碳化硅(SiC)器件可将电力驱动系统体积减小3-5倍,使系统的功率密度更高、设计更紧凑。因此,在相同的电池容量下,基于碳化硅(SiC)的驱动系统使电动车续航里程更长。目前,比亚迪已投入巨资布局SiC,并将整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链,致力于降低SiC器件的制造成本,加快其在电动车领域的应用。

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『碳化硅(SiC)』

2018年12月10日,比亚迪对外宣布,已经成功研发了SiC MOSFET(汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或MOSFET等),有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代,将整车性能在现有基础上提升10%。

编辑观点:逆水行舟,不进则退。尽管比亚迪掌握了“电池、电机、电控”这一核心技术链,并在IGBT等领域取得一些突破,但技术的迭代速度永远让人吃惊。特斯拉、宝马、奥迪等传统车企纷纷入局电动车,松下在电池领域的技术领先优势也暂时无法撼动,要想赢得激烈的新能源车争夺战,比亚迪还需要付出更多的努力。(文/汽车之家 彭科峰)

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