La quota di mercato dei veicoli ibridi ed elettrici continua gradualmente ad aumentare e con essa crescono le opportunità applicative per l'elettronica di potenza, tecnologia indispensabile per alimentare i motori elettrici e ricaricare le batterie. La gestione dell'energia è ovviamente la funzione principale che i sistemi elettronici sono chiamati a svolgere in queste categorie di veicoli, che fanno largo uso di dispositivi di commutazione come Mosfet di potenza e Igbt. A questi componenti si affiancano inoltre i circuiti integrati necessari per svolgere varie attività di controllo e monitoraggio. Il settore dell'elettronica di potenza per i veicoli ibridi ed elettrici è interessato da un'evoluzione complessiva che qui cercheremo di illustrare esaminando i principali risultati di due rapporti recentemente redatti dalla società di ricerche di mercato Yole Développement.
Un grande mercato
Nel 2016 il numero totale delle auto “elettrificate” prodotte nel mondo ammonterà a quasi 25 milioni di esemplari. La maggior parte di questi veicoli sarà del tipo micro-Hev (dotati cioè di un sistema start-stop e di frenata rigenerativa) e avrà pertanto un basso livello di elettrificazione; circa cinque milioni di esemplari, tuttavia, saranno del tipo full-Hev (ibridi veri e propri), ibridi plug-in (dotati di batteria ricaricabile tramite la rete elettrica) o veicoli elettrici puri e semplici. Sulla base di questi numeri, Yole deduce che il giro d'affari dei relativi moduli elettronici di potenza raggiungerà quasi cinque miliardi di dollari e che quindi i veicoli elettrici e ibridi diventeranno il più grande mercato di sbocco per i produttori di dispositivi e sistemi di power electronics. Sebbene non abbia ancora raggiunto la piena maturità, il settore dei veicoli ibridi ed elettrici ha già compiuto i primi passi verso la standardizzazione. Per quanto riguarda le configurazioni degli organi di propulsione negli ibridi, si assiste all'affermazione delle architetture di tipo parallelo e power-split. In questi veicoli, così come in quelli puramente elettrici, i principali sistemi elettronici di potenza sono i convertitori boost Dc/Dc e gli inverter Dc/Ac. Su questi apparati peserà una forte pressione per il contenimento dei prezzi: i produttori di auto cercheranno quindi di procurarsi i migliori dispositivi di commutazione al minor prezzo possibile. In questo contesto gli Igbt sembrano essere destinati a un futuro brillante. Il quadro complessivo del settore presenta però vari fattori di incertezza, riguardanti gli effetti delle trasformazioni in atto nella supply chain, il ruolo dei dispositivi di commutazione basati su materiali innovativi ecc.
Trasformazioni della supply chain
Secondo Yole, nel settore dei veicoli ibridi ed elettrici la tradizionale catena di fornitura del powetrain cessa di esistere; le sue parti centrali vengono infatti assorbite dai player che si trovano alle due estremità, da un lato i costruttori di automobili, dall'altro i produttori dei moduli elettronici di potenza. Lo spazio per i tradizionali fornitori tier-one, quindi, si riduce. Questa polarizzazione è dovuta al fatto che l'inverter e il motore elettrico costituiscono la parte principale degli organi di trazione e su di essi si concentreranno numerose innovazioni che incideranno direttamente sulla competitività dei veicoli. I costruttori di automobili, pertanto, vogliono tenersi stretta questa parte di valore aggiunto e a questo scopo stanno estendendo il loro raggio d'azione fino ad attività tipicamente elettroniche. Alcuni costruttori acquistano i “die” e provvedono autonomamente al relativo assemblaggio, altri si sono spinti addirittura oltre: Toyota, ad esempio, si è dotata della capacità di fabbricare wafer di silicio, mentre il costruttore automobilistico cinese BYD produce in proprio i componenti Igbt. In Europa, comunque, la situazione è diversa: i costruttori automobilistici del vecchio continente si affidano tuttora ai loro fornitori tier-one (Valeo, Continental ecc.).
Nuovi materiali
Per quanto riguarda i dispositivi di commutazione, uno dei fattori da valutare è il futuro ruolo dei componenti basati su materiali innovativi come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), che promettono maggiore efficienza e vantaggi a livello di packaging e raffreddamento. Secondo Yole, il carburo di silicio non giocherà un ruolo importante a breve termine poiché a fronte di una maggiore efficienza comporta anche costi maggiori. Nel periodo 2015-2020, però, il mercato dei componenti basati su questo materiale crescerà con un tasso composto annuo del 39%. Il nitruro di gallio competerà soprattutto per le applicazioni di bassa potenza, cioè nei veicoli micro-ibridi e mild-hybrid. Questa tecnologia dovrà però confrontarsi con dispositivi in silicio molto avanzati, come i Mosfet a supergiunzione. Ovviamente eventuali progressi imprevisti delle tecnologie SiC e GaN potrebbero rendere obsoleta la roadmap odierna.
Contenitori e assemblaggio dei moduli
Per migliorare l'efficienza della conversione di energia è importante ridurre le perdite dovute alla resistenza dei commutatori nello stato “on”. Negli ultimi anni i produttori di semiconduttori di potenza hanno realizzato dispositivi caratterizzati da una Rds(on) molto bassa, pertanto la competizione si è spostata su altri aspetti non meno importanti a livello di sistema: l'efficacia del raffreddamento, l'affidabilità e le dimensioni dei componenti. Tutti questi aspetti sono influenzati direttamente dal tipo di contenitore adottato. I principali produttori di Mosfet di potenza e Igbt hanno quindi messo a punto nuovi contenitori più piccoli, più affidabili e più facili da raffreddare. Come rileva Yole, le tecnologie di packaging a livelli di singolo dispositivo e le soluzioni adottate per l'assemblaggio dei moduli di potenza hanno un ruolo molto importante per la competitività dei i veicoli ibridi ed elettrici. Gli sviluppi in questo campo coinvolgono direttamente anche i costruttori automobilistici, ad esempio Toyota e Mitsubishi. Nel 2008 Toyota ha sperimentato moduli flip-chip raffreddabili su entrambe le facce ma nel 2010 è tornata agli assemblaggi classici (Dbc raffreddati su una sola faccia), sebbene con alcuni miglioramenti (Aluminum ribbon bonding e raffreddamento diretto). Molto attivi su questo fronte anche fornitori tier-one come Delphi. Secondo Yole, nei prossini dieci anni saranno introdotte molte soluzioni innovative per l'assemblaggio dei moduli di potenza, soluzioni che si propagheranno rapidamente ad altri settori applicativi dell'elettronica di potenza come il fotovoltaico e l'eolico.
Condensatori
Cresce l'attenzione anche per i componenti passivi ed elettromeccanici utilizzati nei sistemi di potenza a bordo dei veicoli ibridi ed elettrici; anche questi dispositivi, infatti, contribuiscono significativamente alle prestazioni (in termini di efficienza, qualità del segnale, durata ecc.) e al bilancio economico (rappresentano circa un quarto del costo di un inverter). Attualmente gli sviluppi tecnologici riguardano soprattutto i condensatori, componenti che stanno divenendo sempre più “application specific”; le innovazioni rivolte specificamente ai veicoli elettrici e ibridi sono numerose, ad esempio per quanto riguarda le dimensioni. Secondo Yole, il mercato dei condensatori a film utilizzato in queste applicazioni valeva 95 milioni di dollari nel 2011 e crescerà con un tasso medio annuo del 48%. Particolarmente promettente appare, al momento, la tecnologia Edlc (Electric double layer capacitor): secondo le previsioni, infatti, il mercato di questi dispositivi crescerà con un tasso medio annuo del 44% fino al 2020. Sempre per quanto riguarda i condensatori a film va segnalato che attualmente la disponibilità di questi componenti è scarsa, poiché i produttori non riescono a soddisfare la domanda. Per quanto riguarda l'accumulo di energia è importante il ruolo dei supercondensatori, preferibili alle batterie quando il ciclo di consumo e ricarica è molto breve. Questi componenti sono già utilizzati nei sistemi micro-ibridi e potranno essere adottati anche nei veicoli elettrici per la frenata rigenerativa.
Connettori
Anche i connettori utilizzati nei veicoli ibridi ed elettrici mostrano dinamiche interessanti. Secondo Yole, nel 2020 il mercato per questi componenti varrà oltre 8 miliardi di dollari, cifra che comprende anche i modelli per i sistemi di ricarica e le periferiche. Queste applicazioni non sono ancora standardizzate e quindi ciascun produttore potrà competere introducendo le proprie innovazioni. Il mercato dei connettori per veicoli elettrici e ibridi attirerà anche l'attenzione delle società che attualmente producono connettori per i sistemi fotovoltaici e altre applicazioni, il che contribuirà a determinare una forte competizione basata sui prezzi. Altre innovazioni riguarderanno i connettori utilizzati all'interno dei sistemi elettronici di potenza, come le barre bus (busbar). Alcuni produttori proporranno barre bus specificamente sviluppate per i veicoli ibridi, come ha fatto recentemente la statunitense Rogers Corporation.
