उन्नत पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के माध्यम से भविष्य के लिए तैयार पारिस्थितिकी तंत्र

अमेरिकी ऊर्जा विभाग के अनुसार, ईवी में कुल ऊर्जा हानि का लगभग 18% इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टम से होता है। यह सीधे पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को दक्षता अनुकूलन के केंद्र में रखता है, क्योंकि वे अंततः निर्धारित करते हैं कि इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टम कितना प्रभावी ढंग से प्रदर्शन कर सकता है। रूपांतरण दक्षता में मामूली सुधार भी सीधे रेंज, थर्मल स्थिरता और समग्र वाहन अर्थशास्त्र में मापने योग्य लाभ में तब्दील हो सकता है।

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग एक बड़े बदलाव के दौर से गुजर रहा है क्योंकि यह इलेक्ट्रिक वाहन बाजार की बदलती मांगों के अनुरूप ढल रहा है. इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए पावर इलेक्ट्रॉनिक्स बाज़ार अनुमान है कि 2031 तक यह दोगुना होकर 66 अरब डॉलर के बाजार मूल्य को पार कर जाएगा।

अब, सवाल यह है कि उस विस्तार का कारण क्या है? यह निश्चित रूप से बढ़ते ईवी अपनाने के कारण, बल्कि प्रति वाहन पावर इलेक्ट्रॉनिक्स सामग्री में तेज वृद्धि के कारण भी प्रेरित हो रहा है। जबकि वॉल्यूम वृद्धि आधारभूत मांग प्रदान करती है, वाहन आर्किटेक्चर, उच्च वोल्टेज प्लेटफ़ॉर्म, नीति समर्थन और सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकियों में प्रगति में बदलाव से त्वरण को और बढ़ावा मिलता है।

ईवी बेड़े का विस्तार

अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी (IEA.org) के अनुसार, वैश्विक इलेक्ट्रिक वाहन बेड़े के 2022 (2 और 3 पहिया वाहनों को छोड़कर) की तुलना में 2030 तक आठ या अधिक गुना वृद्धि के साथ 240 मिलियन का आंकड़ा पार करने की उम्मीद है। इसी संगठन का यह भी अनुमान है कि वैश्विक स्तर पर ईवी की बिक्री 2030 में 40 मिलियन को पार कर जाएगी।

यह उछाल सीधे बिजली इलेक्ट्रॉनिक घटकों की आनुपातिक मांग में तब्दील हो जाता है, क्योंकि प्रत्येक ईवी इनवर्टर, ऑनबोर्ड चार्जर और डीसी-डीसी कन्वर्टर्स जैसे कई सिस्टम को एकीकृत करता है।

उपभोक्ता-संचालित कारक समान रूप से प्रभावशाली हैं, रेंज की उम्मीदें तेजी से बढ़ी हैं, जिससे पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में दक्षता में वृद्धि रेंज में सुधार के लिए सीधा लीवर बन गई है। पिछले एक दशक में, बैटरी इलेक्ट्रिक वाहन (बीईवी) की औसत सीमा 2014 में ~135 किमी से बढ़कर 2024 में लगभग 455 किलोमीटर (किमी) हो गई है। इसके लिए इन्वर्टर दक्षता और नियंत्रण रणनीतियों में प्रगति की आवश्यकता है।

उदाहरण के लिए, निसान लीफ को लें। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाला 2014 वेरिएंट (लीफ एस) ~135.2 किमी की रेंज देता है, जबकि नवीनतम 2026 वेरिएंट (लीफ प्लैटिनम+) अब तक पहुंच गया है। ~416.8 किमी. यह ~3× विस्तार न केवल बड़ी बैटरी क्षमता का है, बल्कि पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में बदलाव भी है, विशेष रूप से सिलिकॉन-आधारित से SiC सिस्टम की ओर कदम।

दोहरे मोटर कॉन्फ़िगरेशन (2 इनवर्टर) की बढ़ती स्वीकार्यता, प्रत्येक को एक समर्पित इन्वर्टर की आवश्यकता होती है, इस प्रकार पावर इलेक्ट्रॉनिक्स की भूमिका का विस्तार हो रहा है, विशेष रूप से प्रीमियम और उच्च-प्रदर्शन वाले ईवी सेगमेंट में जहां टॉर्क नियंत्रण और ड्राइवट्रेन अनुकूलन महत्वपूर्ण हैं।

टेस्ला मॉडल एस, मर्सिडीज-बेंज ईक्यूई/ईक्यूएस, किआ ईवी6, ऑडी ई-ट्रॉन, बीएमडब्ल्यू आईएक्स, वोल्वो एक्ससी40/सी40 रिचार्ज इत्यादि जैसे ईवी मॉडल में दो मोटरें लगाई जाती हैं, प्रत्येक को एक समर्पित इन्वर्टर के साथ जोड़ा जाता है, जो सटीक टॉर्क वेक्टरिंग और वास्तविक समय लोड अनुकूलन को सक्षम करता है।

2025 में, ईवी पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को अपनाने में दोहरे-इन्वर्टर कॉन्फ़िगरेशन का योगदान लगभग 60% था, जो संतुलित प्रदर्शन और दक्षता के लिए स्पष्ट उद्योग प्राथमिकता को दर्शाता है। फ्रंट और रियर मोटर्स के स्वतंत्र नियंत्रण को सक्षम करके, यह सेटअप ट्रैक्शन और रियल-टाइम टॉर्क वितरण को बढ़ाता है, जिससे यह सिस्टम जटिलता में उल्लेखनीय वृद्धि किए बिना प्रीमियम और मिड-रेंज ईवी प्लेटफॉर्म दोनों के लिए गो-टू आर्किटेक्चर बन जाता है।

2027 के बाद BEV HEV से आगे निकल जाएंगे

हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों (एचईवी) का व्यापक रूप से स्थापित आधार है और परिपक्व ऑटोमोटिव बाजारों में शीघ्र अपनाने का प्रतिनिधित्व करता है। इस पैमाने के कारण, वे आज पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के सबसे बड़े मांग जनरेटर बने हुए हैं। उनकी दोहरी पावरट्रेन वास्तुकला, विद्युत प्रणोदन के साथ आंतरिक दहन इंजनों के संयोजन के लिए, स्रोतों के बीच निरंतर बिजली प्रवाह प्रबंधन की आवश्यकता होती है, जिससे इनवर्टर और डीसी-डीसी कन्वर्टर्स पर निर्भरता बढ़ती है।

अपेक्षाकृत छोटे बैटरी पैक के साथ भी, आमतौर पर 1-8 किलोवाट की रेंज में, हाइब्रिड ऊर्जा संक्रमण को कुशलतापूर्वक प्रबंधित करने के लिए उच्च आवृत्ति स्विचिंग और सटीक नियंत्रण प्रणाली की मांग करते हैं।

2025 में, HEVs ने इस क्षेत्र का नेतृत्व करना जारी रखा और EV पावर इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार में $17bn से अधिक का योगदान दिया। हालाँकि, 2026 में एक महत्वपूर्ण बदलाव होने की उम्मीद है। हमारा अनुमान है कि 2026 के बाद से, बाजार मूल्य के मामले में बीईवी एचईवी से आगे निकल जाएंगे।

यह परिवर्तन शुद्ध इलेक्ट्रिक प्लेटफार्मों के लिए आवश्यक पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के गहन एकीकरण और उच्च जटिलता से प्रेरित है, जो आगे बढ़ने वाले उद्योग के लिए प्राथमिक मूल्य चालक के रूप में बीईवी से संबंधित मांग को स्थापित करता है।

इसे इस तरह से सोचें: जैसे-जैसे बैटरियां बेहतर होती जा रही हैं, कीमतें गिरती जा रही हैं और सरकारें शून्य उत्सर्जन पर जोर दे रही हैं, पूरी तरह से इलेक्ट्रिक कारें (बीईवी) दुनिया भर में, खासकर यूरोप और एशिया में शीर्ष पसंद बनने जा रही हैं। इस वजह से, कार निर्माता मांग को पूरा करने के लिए हाई-एंड, हाई-वोल्टेज पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए संघर्ष कर रहे हैं।

वर्तमान और उभरते रुझान ईवी पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को प्रभावित कर रहे हैं

उभरते सामग्री सिस्टम और डिज़ाइन दृष्टिकोण ईवी पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर रहे हैं, जिससे आकार, वजन, थर्मल प्रबंधन और ऊर्जा रूपांतरण दक्षता में वृद्धिशील दक्षता लाभ से सिस्टम-स्तरीय अनुकूलन पर ध्यान केंद्रित किया जा रहा है।

ईवी पावर इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) को तेजी से अपनाना एक उल्लेखनीय प्रवृत्ति है। पहले के उदाहरण के आधार पर, निसान एरिया इस उद्योग बदलाव को दर्शाता है, साथ ही कई OEM सिलिकॉन-आधारित इनवर्टर से SiC सिस्टम में संक्रमण कर रहे हैं, जो दक्षता में सुधार और सिस्टम घाटे को कम करने की आवश्यकता से प्रेरित है। SiC उपकरण कुछ अनुप्रयोगों में 50% तक कम स्विचिंग और चालन हानि प्रदान करते हैं, और SiC का उपयोग करके बनाए गए इनवर्टर का वजन 40% हल्का, आकार में 30% छोटा होता है।

2018 में वापस, टेस्ला। एसटीएमइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स से उपकरणों की सोर्सिंग करते हुए मॉडल 3 के लॉन्च के साथ इन-हाउस इन्वर्टर में SiC मॉस्फ़ेट्स का उपयोग किया गया। इस बदलाव ने एक काफी हल्का इन्वर्टर सक्षम किया – लगभग 4.8 किलोग्राम, निसान लीफ (~ 12 किलोग्राम) और जगुआर आई-पेस (> 8 किलोग्राम) में उपयोग किए जाने वाले तुलनीय सिलिकॉन-आधारित सिस्टम के आधे से भी कम वजन, बिजली घनत्व और सिस्टम दक्षता पर SiC के प्रभाव को उजागर करता है।

ऑडी ने यहां तक ​​पाया है कि यह तकनीक, खासकर जब 800V सिस्टम के साथ जोड़ी जाती है, सामान्य ड्राइविंग के दौरान दक्षता को 60% तक बढ़ा सकती है और गर्मी और वजन को कम करके लगभग 20 किमी की अतिरिक्त सीमा जोड़ सकती है। यह चलन किआ, हुंडई और ल्यूसिड के उच्च-प्रदर्शन वाले मॉडलों में भी जोर पकड़ रहा है, जो वास्तव में तेज़ चार्जिंग और विस्तारित रेंज की पेशकश करते हैं।

किसी दिए गए वॉल्यूम में अधिक कार्यक्षमता को निचोड़कर ईवी क्षमता प्राप्त करने के लिए, ओईएम तेजी से एकीकृत ड्राइव इकाइयों (आईडीयू) की ओर बढ़ रहे हैं, जो इलेक्ट्रिक मोटर, ट्रांसमिशन और इन्वर्टर को एक एकल, कॉम्पैक्ट हाउसिंग में जोड़ती हैं।

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का एक और अभिनव अनुप्रयोग अब ईवी के लिए वायरलेस चार्जिंग के रूप में है। रेज़ोनेंट इंडक्टिव कपलिंग का उपयोग करते हुए, फैराडे के प्रेरण के नियम पर आधारित एक सिद्धांत, बिजली को जमीन पर चार्जिंग पैड से वाहन पर एक रिसीवर तक वायरलेस तरीके से प्रसारित किया जा सकता है। पावर इलेक्ट्रॉनिक्स ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच अनुनाद को समायोजित करने और पावर ट्रांसफर को नियंत्रित करने में महत्वपूर्ण हैं। यह तकनीक केबल-मुक्त चार्जिंग की सुविधा प्रदान करती है और इसमें वाहन के पार्क होने या चलते समय भी निर्बाध चार्जिंग के लिए सार्वजनिक बुनियादी ढांचे में शामिल होने की क्षमता है।

‘बैक रूम’ सड़क का भविष्य क्यों है?

जैसे-जैसे हम 2031 तक ईवी पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए अनुमानित 66 बिलियन अमेरिकी डॉलर के बाजार की ओर बढ़ रहे हैं, हम ऊर्जा प्रबंधन के तरीके में एक बुनियादी बदलाव देख रहे हैं।

तेज़ चार्जिंग और हाई-टेक सुविधाओं के लिए दबाव पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को मोटर से परे और कार की ऊर्जा प्रणाली के हर हिस्से में ले जा रहा है। ईवी का मुख्यधारा में आना एकीकृत, हाई-वोल्टेज डिज़ाइन की ओर एक स्पष्ट बदलाव से कम नहीं है – एक ऐसा डिज़ाइन जो पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को वाहन प्रदर्शन और विनिर्माण पैमाने की पूर्ण रीढ़ बनाता है।

ईवी बैटरी ऊर्जा घनत्व अगले कुछ वर्षों में उल्लेखनीय रूप से बढ़ने का अनुमान है, अगली पीढ़ी की प्रौद्योगिकियों जैसे सॉलिड-स्टेट बैटरी (एसएसबी) का लक्ष्य 2026-2030 तक वर्तमान ऊर्जा स्तर को दोगुना कर 400-600 Wh/kg से अधिक करना है, जो लंबी दूरी और तेज़ चार्जिंग समय प्रदान करता है। आने वाले वर्षों में बिजली घनत्व दोगुना होने की उम्मीद के साथ, इलेक्ट्रिक ड्राइव का ‘बैक रूम’ आगे आता है।

यह सब स्पष्ट प्रतीत होता है, लेकिन पथ बिना सड़क-कूबड़ के नहीं है। उद्योग वर्तमान में वैश्विक अस्थिरता के कारण उत्पन्न एक जटिल ‘दोधारी तलवार’ से निपट रहा है।

रूस-यूक्रेन जैसे भू-राजनीतिक बाधाओं ने निकल की आपूर्ति को गंभीर रूप से निचोड़ लिया – उच्च प्रदर्शन बैटरी के लिए एक मुख्य घटक, और नियॉन गैस, जो अर्धचालक पावर इलेक्ट्रॉनिक्स पर भरोसा करने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर के लिए आवश्यक है।

दूसरे, लाल सागर और होर्मुज जलडमरूमध्य में मध्य पूर्व के तनाव के कारण शिपिंग लागत बढ़ गई है।

तेल की कीमतें 100 डॉलर प्रति बैरल से ऊपर जाने से वास्तव में ईवी के आर्थिक मामले में सुधार होता है। हालाँकि, जहाजों के वर्तमान पुनर्निर्देशन ने पारगमन समय में 10 से 15+ दिन जोड़ दिए हैं, जिससे महत्वपूर्ण बैटरियों और घटकों के लिए डिलीवरी विंडो काफी बढ़ गई है। एशिया और यूरोप के बीच ये देरी पूरे उद्योग में जस्ट-इन-टाइम (जेआईटी) विनिर्माण मॉडल पर दबाव डाल रही है।

इन चुनौतियों के बावजूद, यह निश्चित है कि वाहन विद्युतीकरण कभी भी धीमा नहीं होगा। वाहन निर्माता उत्पादन के स्थानीयकरण पर ध्यान केंद्रित करके और SiC और GaN जैसी उन्नत सामग्रियों की ओर बढ़ कर अधिक नियंत्रण ले रहे हैं। इनवर्टर और चार्जर जैसी प्रणालियों को अधिक मजबूती से एकीकृत करके, लक्ष्य केवल ‘अधिक निर्माण’ से ‘ऊर्जा को बेहतर ढंग से प्रबंधित’ करने पर केंद्रित हो गया है।

यह कदम न केवल ईवी की रेंज को बढ़ावा देता है, बल्कि यह एक अधिक कठिन, अधिक लचीला पारिस्थितिकी तंत्र बनाता है जो विद्युतीकरण की प्रवृत्ति को जारी रख सकता है। और, यह बदले में, संपूर्ण पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग को एक बिल्कुल नए स्तर पर धकेल देता है।

लेखिका: चंदना पटनायक वरिष्ठ सामग्री विशेषज्ञ हैं स्ट्रैटव्यू रिसर्च

यूरोपीय ईवी अपनाने में व्यापक भिन्नता है