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新能源汽车功率半导体模块散热基板技术发展前景
新能源汽车电机控制器复杂严苛的使用工况对功率模块散热基板的性能和可靠性提出了很大的挑战,散热基板需在热传导性能、热膨胀系数、硬度、耐用性、体积、成本等诸多方面满足车规级使用场景的需求。
散热基板作为电控功率模块的重要组成部件与核心散热功能结构,通过改善功率模块散热性能,进而提升电机控制器功率密度,最终达到优化电驱动系统性能的效果。
散热方式与结构
从实践看,目前常见的功率模块热管理方式主要有空冷散热和液冷散热。空冷散热一般分为自然对流散热和强迫对流散热,自然对流的散热路径主要是芯片将热量传递给散热器上的翅片,热量通过翅片自然对流散发,其优点是结构简单可靠,但由于自然对流冷却的热交换系数较低,因此无法满足大功率模块的散热需求。强迫对流是在自然对流的结构基础上增加散热风扇,通过加速翅片表面的空气流动性提高散热效率。虽然强迫对流散热在一定条件下可以满足部分大功率模块的散热要求,但因风扇的存在,需要增加额外的通风结构设计,其体积一般较大,且同时会有噪声,因此空冷散热并没有在车规级功率模块中得到广泛使用。
目前,车规级功率模块采取的主流散热方式为液冷散热,其体积较小且性能稳定可靠。而液冷散热又分为间接液冷与直接液冷。
相比间接液冷散热,直接液冷散热不需要导热硅脂,也无需使用液冷板,模块整体热阻值可降低30%左右,因而已成为车规级功率模块的主流散热方式,包括英飞凌、博世、安森美、日立、中车时代、斯达半导等在内的知名厂商生产的车规级功率模块均主要采用直接液冷散热,搭配针式散热基板。
行业代表企业
行业呈国际化竞争格局,行业内主要企业包括日本泰瓦工业株式会社、美国德纳股份有限公司、中国台湾健策精密工业股份有限公司及黄山谷捷股份有限公司等。英飞凌目前车规级功率半导体模块散热基板的主要供应商包括黄山谷捷股份有限公司、健策精密工业股份有限公司、泰瓦工业株式会社等。
由于我国车规级功率半导体行业起步较晚,散热基板作为功率模块的重要组成部件,下游客户对供应商产品制造能力要求较高,因此在行业发展早期,该细分领域竞争主体主要为中国台湾、日本、美国等地企业。
行业发展前景
新能源乘用车持续高速增长、商用车新能源化进程加快、交通工具电动化浪潮全面开启等多重因素给车规级功率模块散热基板行业长期发展带来重要机遇,行业发展空间巨大。
(1)新能源乘用车持续高速增长
随着生活水平的不断提高,消费者越来越重视汽车的驾驶体验和舒适性,相较于燃油汽车,新能源乘用车在驾驶体验、用车成本、智能化等方面具备先天优势。驾驶体验方面,新能源乘用车因瞬间输出扭矩大,动力响应更加快速平顺,同时还有更低的噪音和震动,驾乘体验更加平稳舒适;用车成本方面,充电费用远低于燃油成本,且新能源乘用车保养成本较低;智能化方面,燃油车受制于传统的电子电气架构系统,加之电池较小储能能力不足,难以实现整车智能化。随着动力电池能量密度和性能的整体提升,新能源乘用车的续航能力得到显著增强,充电桩覆盖率的稳步提升也使得出行更加便捷,因而能够满足大部分出行需求。
综上,由于新能源乘用车在驾驶体验、用车成本、智能化等方面的优势,其市占率已大幅提升。而随着全球主流汽车强国对新能源汽车的政策支持、供应链及充电桩等配套设施的日益完善、消费者对新能源汽车接受度不断提高,新能源乘用车销量仍将在中长期内保持高速增长趋势,市场占有率也将持续上升。
(2)商用车新能源化进程加快
商用车新能源化,对推进绿色交通、降低碳排放有重要意义。目前,新能源商用车的发展与乘用车相比还存在一定差距。但受技术进步、补贴政策推动、配套设施的建立、用电成本下降等因素影响,商用车正在成为新能源汽车市场的重要组成部分,各级政府部门出台了一系列政策措施支持新能源商用车的发展。以用途和负载量划分,新能源商用车可分为轻卡、重卡、大巴等类型。其中,以城市内部物流为主要运用场景的轻卡(轻型货车/物流车),是未来新能源商用车的主要增长点。
公路物流可分为城市物流和城际物流。城市物流以城市内部日常生活用品运输、快递和小件货运为代表,由于成本限制,纯电动物流车普遍续航里程不超过300km,加之整车自重大且动力系统多为永磁同步电机,天然利于轻载场景,因此城市物流将成为新能源轻卡的重要应用场景。随着网上购物兴起,快递物流业发展迅速,加之精准送达等需求影响,衍生了生鲜、代购等新的同城模式,同城货运规模增长迅速,带动了新能源物流车需求增长。目前,电商物流、快递配送、城市配送领域已经开始逐步用新能源轻卡替代传统燃油车辆,发展潜力巨大。
城际物流以重卡为主,对车辆的安全性、承载力、续航里程、维修便利性要求较高。随着国内外新能源重型卡车的推出,城际物流的电动化进程也即将开始。2022年 12月,特斯拉向首批用户交付了 Tesla Semi 电动半挂卡车,该车搭配三电机系统,满载质量37吨,续航里程可达800公里,该车型的发布与交付,标志着物流电动化迈入新的阶段,物流电动化的替代空间进一步扩大。
新能源大巴领域,由于政府政策的推动,我国主要地区均出台了新能源公交车采购更新计划。深圳、广州、北京、上海等一线城市公交车辆已基本实现电动化,三四线城市客车电动化也在加速推进。随着动力电池成本下降和续航里程增加,未来新能源大巴将由短途客运和景区内摆渡逐渐进入公路客车领域,将进一步成为城市客车主流。新能源大巴符合绿色低碳循环发展的时代背景,从目前大巴市场电动化率来看,未来新能源大巴仍有较大的市场空间。