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高压快充陆续“上车”,碳化硅器件成香饽饽,成本下降打开市场渗透率
2023-02-15 来源:科创板日报
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关键词: 新能源汽车 碳化硅 芯片

进入2021年后高压快充路线受到越来越多主机厂的青睐,先是现代、起亚等国际巨头发布800V平台,之后比亚迪、长城、广汽、小鹏等国内主机厂也相继推出或计划推出800V平台,高压快充体验将会成为电动车市场差异化体验的重要标准。


方正电机、金田股份、蓝海华腾也在800V方面有所布局。方正电机基于800V碳化硅平台等驱动电机,目前已有客户项目定点,正在开发之中,预计将于2022年第三季度量产。此外,金田股份研发生产的800V高压电磁扁线产品已通过部分车企认证,是国内极少数具备800V高压平台电磁扁线量产能力的厂家。另外,蓝海华腾与国内大型主机厂已经在规划高压800V系统,SIC项目正在进行预研,目前已开发800V高压的IGBT。

从不同的实践来看,高压快充能够在更宽范围内实现最大功率充电,更能匹配未来快充需求。高压快充能够有效解决电动车里程焦虑、快速充电问题,已成为未来补能技术演进新趋势,相应的800V高电压平台车型及高压大功率超充网络正处于加速布局阶段。



根据测算,2025年,国内搭载800V架构的新能源汽车99.9万辆,3年CAGR=270.9%,全球搭载800V架构的新能源汽车215.3万辆,3年CAGR=189.2%。


“上车”高压需要“系统工程”

与新能源车未来主流的技术路线到底是纯电,还是混动一样,在纯电动汽车补能领域里,也一直存在着技术路线之争——究竟是800V高压平台“超充”还是换电模式。

有消费者为了“赌未来”选择了可以换电,也可以充电的纯电动汽车,那为何不能有人购买既可实现800V“充电5分钟、续航200公里”,同时兼容400V平台充电的高压平台车型呢?

一旦三五年后,大部分充电桩都支持 800V 高压、高功率充电,此时选购的所谓“期货”产品,无异于是走在大部分用户的前列。怕只怕,在短短的三五年内,新能源汽车行业有新的技术诞生,让用户购买的“期货”成了落后产品。

“之前,纯电动汽车的高压系统,几乎都是400V,只因为电控的核心元件,硅基 IGBT 普遍承受不了太高的电压,同时考虑其它元器件的耐受程度而定。”张羽强调,车辆从400V转向800V高压平台是一项“系统工程”。

尽管目前,硅基 IGBT已经可承受超过1000V的高电压,但考虑到耗损低、高频好等特性,800V高压平台车型普遍以SiC(碳化硅) MOS代替硅基 IGBT,“要知道,SiC元件要比普通的硅基IGBT贵上至少3倍。”

他打趣说道,即便800V高压平台能让整车工作电流减半,有利于节省线材、铜料。但节省的线材、铜料价钱,甚至不足以填上SiC 相比 IGBT高出的差价,“800V高压平台能让车辆轻量化,但降本增效还得打个问号。”

除此之外,车辆电池包高压系统迭代为800V时,整车匹配的电机、电控、空调系统等等,都需要相应匹配到800V电压下工作,以获得最高的工作效率、能量转换效率。

因此,对整车零部件供应链而言都是一大挑战,大量新的元器件、电气设备需要与新的技术平台磨合,稳定性有待验证。同时,在短期内造成供应链成本上涨,最终将体现在售价上。


800V高压快充激活SiC市场

800V高压平台加速落地,2022-2023年快速上量有望激活SiC一池春水。800V高压快充平台为解决里程焦虑的破局者,国内外车企从2021年起掀起一轮800V平台车型发布潮,国内造车新势力及传统汽车厂商旗下的智能电动品牌纷纷入场,以抢攻大功率快充高地。伴随高压平台逐渐落地,具有耐高压、低阻抗、无拖尾电流等优势的SiC有望成为首选。

原料降价叠加优异性能,SiC有望突破成本藩篱,SiC MOSFET或将于2023H2达到价格甜蜜点,带动更多车端逆变器应用。

基于碳化硅电驱动系统可降低4.43%的典型城市工况行驶电耗的假设,由于Si方案提高续航需增加电池容 量并在一定程度上增加电耗,因此若等效SiC方案的续航,Si方案需明显提高电池容量,从这一方面来看SiC方案可以节约电池容量扩大所带来的成本提升。若SiC晶圆价格年降10%左右,则有望在2023H2获得正的成本节约值,SiC MOSFET 6寸晶圆价格3518美元/片时整体效益达到平衡。

此外,我们也进行了行驶电耗降低4.43%情况下不同电池容量及续航里程情况下碳化硅方案成本节约测算。在2022年的SiC和Si的单车成本差距水平下,电池容量在70kWh以上的车型如果系统效率提升可达6%以上,SiC方案会更具有成本优势;2023年叠加原材料价格下降的趋势,系统效率提升4%以上即可使得提效节约的成本覆盖SiC器件成本。



需求测算假设:由于行业对800V渗透率意见不一,我们参考NE时代给出的800V渗透率并给予一定浮动,后文我们将在其他应用测算的市场空间合计基础上,给予各车型800V渗透率±15%的弹性测算,提供国内碳化硅器件整体区间指引。


碳化硅坐上新能源快车

早在2022年初,派恩杰创始人黄兴黄总就在公开采访时表示,因为整个新能源和光伏风电储能市场的爆发,功率半导体供应短缺严重,不仅是体现在IGBT上的短缺,也体现在碳化硅功率器件上。

IGBT缺货对于碳化硅来说是个机会,更多客户愿意更早更快的去导入碳化硅。也预测2022年,是碳化硅行业是上量爬坡的一年。

特别是在汽车应用这个领域,目前根据一些车厂的做法,基本上2-3辆车就会用一片6寸碳化硅晶圆,如果一家车厂的年销量是20来万辆,就需要10万片晶圆,平均月需求8000-9000片,而目前来,全球最大的碳化硅代工厂也没有这样的产能。

近期,特斯拉上海超级工厂扩建的事件也成为行业人士重点关注的话题。此前,有不少消息传出,由于销量不断增长,特斯拉将在中国建设第二工厂,但最新消息称从特斯拉内部相关人士处获得的准确消息是“是扩产,非第二工厂”。

即便如此,据多个信息交叉显示,特斯拉已明确计划上海工厂扩产,今年将增加45万辆的年产能。

据报道,2021年特斯拉在全球的交付量为93.6万辆,上海超级工厂共交付车辆48.413万辆,担负了特斯拉全球销量的一半以上。4月底,特斯拉发布了2022年1季度财报。数据显示一季度交付新车310048辆。特斯拉CEO埃隆·马斯克曾多次强调扩大产能是公司的核心决策。特斯拉计划尽快提高产能,在未来几年,预计汽车交付量将实现50%的年均增长。

近日,又有媒体爆料,“特斯拉不仅会扩建二期工厂,还有三期工厂计划,将特斯拉上海总产能提高到200万辆”。



对于特斯拉扩产的情况,化合物半导体杂志的主编陆敏先生在朋友圈写到:如特斯拉总产能从当前50万辆提升到200万辆,对应碳化硅衬底需求接近100万片/年。

虽然对于200万辆的预期,特斯拉内部相关人士表示说“我们目前离100万辆产能都差一截,200万辆哪有那么容易”。但目前可见的二期扩产带来的碳化硅需求增长将超过15-20万片。

国内汽车市场今年来碳化硅车型也开始集中上市,除了已量产的比亚迪汉外,蔚来ET7已推出市场,小鹏G9将于今年年内上市,吉利与梅赛德斯合作的smart精灵#1也已经开始预售。

与此同时,光伏、风电及消费电源等市场也进入需求旺盛期。

虽然目前全球碳化硅衬底及晶圆都已进入快速扩产周期,不久前wolfspeed位于美国纽约州莫霍克谷(Mohawk Valley)的8英寸 SiC 制造工厂也已正式开业,但也有业内人士对记者表示,“根据之前负责的多个产品迁移到大尺寸晶圆生产线的经历来看,新的晶圆生产线磨合时间大多超过预期,良率和成本往往也需要更长的时间来达到前期规划”。

国内市场,目前可以看到国内SiC行业发展还是略慢于国外,而且SiC产业链本身也没有Si的成熟,加工制造和设计开发的难度也比Si基的大,目前国内能提供高质量SiC MOS芯片的企业还屈指可数。

目前,国内衬底端仍处于6英寸衬底良率、产能爬升阶段,其次从芯片厂商角度,设计公司还要看代工产能情况,受限于能分到的代工产能,芯片IDM厂家实际可实现稳定批量生产的企业也寥寥,此外SiC MOSFET 和二极管通过车规级验证也是一个较高门槛。上述种种因素累加,可以预见未来较长一段时间内碳化硅芯片也将出现较大缺口。

如此看来,当前情况对国产碳化硅产业链来说,是危也是机。国内企业已经步入扩产快车道,需抓住时间窗口期,不断提升技术能力,沉淀内力。快速实现国产器件上车,提高国产替代能力!