用自研芯片和新材料,比亚迪想要深挖电动汽车的「护城河」

摘要

在电动车的「CPU」上,比亚迪正在用自研芯片填补国内市场的空白。

曾有人论断,掌握了电池技术就掌握了电动汽车。

但在很多业内人士看来,这个说法并不能站住脚。汽车行业的供应链来自世界各地,零部件极其分散,车企并不能「掌握」电动汽车。在电池之外,制约电动车发展的瓶颈还有一个非常重要的技术产品——IGBT。


什么是 IGBT?

绝缘栅双极型晶体管——IGBT 在很多人眼里比较陌生,但在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备,以及工业领域(高压大电流场合的交直流电转换和变频控制)等应用极广,是上述应用中的核心技术。

在芯片制造中,IGBT 负责控制交流电和直流电的转换及高低电压的转换,简单做比喻的话,就是电力电子装置的「CPU」。

IGBT 同样是新能源汽车中最重要的核心零部件之一。IGBT 在电动汽车电池组充放电、动力系统,甚至空调系统、转向系统中都发挥这关键的作用。它的品质直接影响电动车功率的释放速度以及能量损耗等相关性能。

并且与工业级 IGBT 相比,IGBT 在电动汽车领域的应用需要面临更多的挑战:汽车的大众消费属性对 IGBT 的寿命要求更高,需要满足使用寿命内数十万次甚至百万次的功率循环要求;另一方面,汽车面临着更为复杂的适用工况,需频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等,对 IGBT 装配体积和散热效率的要求都非常严格。

作为新能源汽车核心零部件,IGBT 在整车成本的占比约 5%-10%。因技术难、投资大,IGBT 与动力电池一样,长期以来制约了新能源汽车的大规模商业化。

目前,电池产业发展较快,2017 年中国动力电池产量达 44.5GWh,基本满足了新能源汽车的配套要求。但 IGBT 的发展却严重滞后,中高端 IGBT 产能严重不足,长期依赖国际巨头,导致「一芯难求」。


比亚迪的 IGBT 4.0

一定程度上,比亚迪在打破国外壁垒方面推动了一些改变。

从公司来看,国外研发 IGBT 器件的公司主要有英飞凌、 ABB、三菱、西门康、东芝、富士等。中国功率半导体市场占世界市场的 50% 以上,但在中高端 MOSFET 及 IGBT 主流器件市场上,90%主要依赖进口,基本被国外欧美、日本企业垄断。

日前,比亚迪研发出全新的车规级产品 IGBT 4.0,声称产品性能达到了「全球领先的水平」。比亚迪 IGBT4.0 产品的综合损耗相比当前市场主流产品降低了约 20%,使得整车电耗降低。以全新一代唐为例,在其他条件不变的情况下,采用比亚迪 IGBT4.0 较采用当前市场主流的 IGBT,百公里电耗少约 3%。

                                                                                      比亚迪车规级IGBT模组

有必要说明的是,IGBT 4.0 在比亚迪内部可能是历史性的产品:其模块将提供给其他车企。此前,比亚迪的 IGBT 芯片只在内部消化。

此举背后有两方面原因:

第一,经过几年的产品能力验证,IGBT 在比亚迪内部已基本跑通。数据显示,比亚迪车用 IGBT 装车量已超过 60 万只。在大规模芯片出货的情况下,比亚迪确认产品能够达到「全球领先」,也拥有了信心。比亚迪第六事业部高级研发经理吴海平称,公司此前所研发的几代芯片产品和海外竞争对手仍有一定差距,而 4.0 版本的性能已能做到与同行不相上下。

从来没有一蹴而就的事情。比亚迪在 2005 年就开始了 IGBT 的布局。2005 年,比亚迪组建 IGBT 研发团队,正式进军 IGBT 领域;2008 年,比亚迪斥资 1.7 亿元收购宁波中纬半导体晶圆厂,并重组这家已宣布破产的工厂,改名为宁波半导体。同年,比亚迪在深圳新建了 IGBT 模块封装工厂。

另一方面,IGBT 的产能逐渐稳定,比亚迪方面表示,今年年底比亚迪 IGBT 晶圆的产能将扩大到月产 5 万片,其规划的下一步产能是,到 2020 年月产 10 万片晶圆,每年可供应 120 万辆车装车。如果一片晶圆用在一辆车上,每月供应 5 万辆车,是一个不小的数目。

2015 年国际 IGBT 市场规模约为 48 亿美元,预计到 2020 年市场规模可以达到 80 亿美元,年复合增长率约 10%。2014 年国内 IGBT 销售额是 88.7 亿元,约占全球市场的 1/3。预计 2020 年中国 IGBT 市场规模将超 200 亿元,年复合增长率约为 15%。

可以看见的是,在市场需求这方面,比亚迪正在努力切下尽可能大的蛋糕。只有这样才能争夺最大的话语权。

除此之外,由于对产品性能的极致要求,IGBT 内部的原材料,也在经历大的变动。

比亚迪宣布,其投入巨资研发的第三代半导体材料 SiC(碳化硅) 项目,目前已大规模用于车载电源,有望于 2019 年推出搭载 SiC 电控的电动车,预计 2023 年采用 SiC 基半导体全面替代硅基半导体 (如硅基 IGBT),引领下一代电动车芯片变革。

                                                                                                 比亚迪SiC晶圆

碳化硅材料热导率是硅的 2.5 倍。用碳化硅材料制作的 MOS 器件可在大于 200 度的高温环境下工作,具有极低的开关损耗和高频工作能力,减小模块的体积和重量,显著提高系统的效率,有利于节能降耗。因此,碳化硅材料以其优异的性能被行业列为第三代半导体材料。

实际上,这不是碳化硅材料第一次被宣传应用。

微博上有网友称,Model3 是第一个应用碳化硅功率元器件的电动车型,用的是来自意法半导体的 650v SiC Mosfet。搭载碳化硅功率元器件的 Model3 在续航上提升相当明显,由此,如果比亚迪如期在明年发布搭载 SiC 的车型,续航方面表现必会提升不少。

毫无疑问,比亚迪正在用自研的方式深挖自己的护城河。除电池之外,和电池相关的基础技术也在影响着电动汽车的性能体验。另一方面,对于新材料而言,比亚迪在上面的投入更像是一场押宝,面向更广阔的市场和更强劲的竞争对手时,开始尝试「降维」用新的方式来应付新的「战争」。只能说,在百年的传统汽车行业即将更新之时,各家为之做出的努力,都在向更好的体验进步。



责任编辑:王训魁

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