一文搞懂車規(guī)級(jí)碳化硅模塊

平頭叔

2022年1月7日 09:43

來源：中信證券、馭勢資本研究所

文章大綱

核心觀點(diǎn)
動(dòng)因：為什么是800V
整車：會(huì)戰(zhàn)高端化，800V車樁并舉
零部件與元器件：SiC和負(fù)極受益最大，其他部件平滑升級(jí)

核心觀點(diǎn)

800V架構(gòu)是全級(jí)別車型實(shí)現(xiàn)快充的主流選擇。對(duì)于電池端，快充實(shí)質(zhì)上是提升各電芯所在支路的充電電流，而隨著單車帶電量超100kWh以上的車型持續(xù)推出，電芯數(shù)量增加，若仍繼續(xù)維持400V母線電壓規(guī)格，電芯并聯(lián)數(shù)量增加，導(dǎo)致母線電流增加，對(duì)銅線規(guī)格、熱管理帶來巨大挑戰(zhàn)。

因此需要改變電池包內(nèi)電芯串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，減少并聯(lián)而增加串聯(lián)，方能在提升支路電流的同時(shí)維持母線電流在合理水平。由于串聯(lián)數(shù)量增加，母線端電壓將提升。而100kWh電池包實(shí)現(xiàn)4C快充所要求的母線電壓即為800V左右。為了兼容全級(jí)別車型快充功能，800V電氣架構(gòu)成為實(shí)現(xiàn)快充的主流選擇。

整車：會(huì)戰(zhàn)高端化，800V車樁并舉。2019年豪車品牌保時(shí)捷推出全球首款800V車型Taycan 。2020年比亞迪漢采用了 800V架構(gòu)，2021年上海車展發(fā)布的e平臺(tái)3.0亦搭載800V架構(gòu)。隨后華為、吉利、廣汽、小鵬、嵐圖等Tier1和整車廠/品牌推出了車樁兩端的解決方案，以保障快充使用體驗(yàn)。

我們認(rèn)為未來兩年高端化是整車廠主戰(zhàn)場，軍備競賽開啟。補(bǔ)能時(shí)間是電動(dòng)車面臨的核心短板之一，升級(jí)800V結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)快充，在短期內(nèi)形成對(duì)中低端車型的差異化競爭力。長期看快充對(duì)于中低端車型亦是剛需，800V架構(gòu)升級(jí)具備長期趨勢。

零部件與元器件：SiC和負(fù)極受益最大，其他部件平滑升級(jí)。從目前400V升級(jí)至800V ，變化最大的零部件和元器件主要是功率半導(dǎo)體和電池負(fù)極。其中SiC基功率半導(dǎo)體由于耐壓高、損耗低、開關(guān)頻率高等優(yōu)異性能，預(yù)計(jì)將全面替代Si基功率半導(dǎo)體。

由于快充瓶頸在于負(fù)極，如要將目前的1C倍充電率提升至2C ，再提升至4C ，主流技術(shù)包括石墨包覆/摻雜硬碳、硅碳負(fù)極。其余部件則需要重新選型，提升耐壓等級(jí)，但整體來看成本變化平滑。短期來看高壓方案比目前方案整車成本增加2%左右，長期看有望低于目前成本，為整車廠推廣建立了良好基礎(chǔ)。

風(fēng)險(xiǎn)因素： 新能源車銷量不及預(yù)期，快充電池技術(shù)開發(fā)不及預(yù)期，快充充電樁鋪設(shè)不及預(yù)期，電網(wǎng)擴(kuò)容不及預(yù)期，快充導(dǎo)致電池安全問題。

投資建議： 未來兩年是整車廠品牌向上最佳時(shí)間窗口，高端車型有望密集推出，軍備競賽開啟。縮短補(bǔ)能時(shí)間是目前電動(dòng)車升級(jí)的核心訴求之一，國內(nèi)外整車廠爭相布局800V快充，率先在高端車上配置，在短期內(nèi)形成對(duì)中低端車型的差異化競爭力。長期看，中低端車型亦有快充需求，800V電氣架構(gòu)升級(jí)具備長期趨勢。

我們推薦：

目前具備成熟800V技術(shù)以助力品牌升級(jí)的自主整車廠；

國內(nèi)SiC功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)先的供應(yīng)商；

硅碳負(fù)極供應(yīng)商。建議關(guān)注高壓系統(tǒng) 中零部件和元器件供應(yīng)商。

動(dòng)因：為什么是800V

汽車電壓平臺(tái)演變

燃油車時(shí)代，6V-12V-48V：

1912年汽車開始裝蓄電池，電壓為6V。隨著汽車電器如車燈、照明、ISG等用電器件增加，用電功率需求增加，1950年升級(jí)為12V，并延續(xù)至今。

期間還出現(xiàn)過42V，主要由美國發(fā)起，因零部件升級(jí)電壓規(guī)格成本高而未能實(shí)現(xiàn)。2010年信息娛樂、混動(dòng)等需求出現(xiàn)，由歐洲發(fā)起48V升級(jí)，與12V并存。

電動(dòng)車時(shí)代，出現(xiàn)>400V高壓：

純電動(dòng)汽車中由于成百上千個(gè)電池串并聯(lián)，整個(gè)電池包電壓超百伏，與燃油車上共有的12/48V用電器形成高、低壓兩套電氣系統(tǒng)。

純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、配電盒、OBC、DCDC、電驅(qū)、PTC、空調(diào)、充電口等構(gòu)成。

目前純電動(dòng)乘用車由于帶電量不同，電壓等級(jí)在250-450V范疇，公交車/物流車由于帶電量高，電芯串聯(lián)之后電池包電壓范圍在450-700V。

未來乘用車有望升級(jí)至800V。

痛點(diǎn)：補(bǔ)能速度，兩種方案——換電和快充。

電動(dòng)車在動(dòng)力性能、智能化方面超越燃油車，續(xù)航里程也隨著電池能量密度提升、電耗降低而提升到400km以上水平。但整體仍面臨著補(bǔ)能焦慮的問題，燃油車加一次油時(shí)間為5分鐘，而目前快充至少要60分鐘。在高峰期充電排隊(duì)等候的時(shí)間亦進(jìn)一步拉長。
解決補(bǔ)能速度的兩條路線包括換電和快充，換電目前還面臨盈利模式、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等挑戰(zhàn)。
目前車企更多選擇快充路線，一方面快充與CTC趨勢一致，另一方面技術(shù)升級(jí)路徑清晰。

快充：兩種技術(shù)方向：根據(jù)P=UI，提升快充功率有2種方案。

提升U，代表是保時(shí)捷的800V方案，350A電流，實(shí)現(xiàn)300kW充電功率。

提升I，特斯拉超級(jí)快充方案，對(duì)熱管理有巨大挑戰(zhàn)，600A電流，實(shí)現(xiàn)250kW充電功率。

快充：為什么至少是800V？

為了向上兼容電池容量大的高端車。電池充電速度以電流倍率（C）衡量。實(shí)際應(yīng)用中的限制條件是：

充電q有最大充電電流限制；

不同EV有不同的電池容量，均要實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)目斐鋾r(shí)間。

做一個(gè)簡單的算術(shù)：假設(shè)忽略電池包內(nèi)部電芯連接方式，容量75/100kWh的電池包，要求同樣要實(shí)現(xiàn)7.5min充滿（<4min30%-80%SOC），即4C的最高倍率，最大電流為500A充電q下，根據(jù)容量=電流*電壓*充電時(shí)間，75/100kWh電池包母線電壓將達(dá)到600/800V。

因此，為了向上兼容電池容量大高端車快充性能，在設(shè)計(jì)之初就將整車電壓水平定在800V，電池包內(nèi)部電芯亦以800V為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)串并聯(lián)拓?fù)洌詈蟠_定電芯容量。

例如，400V體系下，如果是三元電芯，需要400/3.6=112個(gè)串聯(lián)節(jié)點(diǎn)；若4個(gè)電芯并聯(lián)，則一共需要448個(gè)電芯。電池包容量是100kWh，則單個(gè)NCM電芯容量為62Ah，對(duì)應(yīng)電芯連接方式是4并112串。800V體系下，若電芯規(guī)格不變，電芯連接方式則變?yōu)?并224串。

400V升級(jí)800V還有何益處？

高壓線束規(guī)格下降，用量減少，降本減重，在電壓翻倍、充電功率增幅不翻倍的情形下，串聯(lián)增加，高壓線束電流變小。

SiC逆變器使得電源頻率增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，相同功率下轉(zhuǎn)矩減小，體積減小。電機(jī)電壓翻倍，相同功率下電流減半，因此銅線細(xì)（但匝數(shù)增加，因此用銅量未減小），電流密度小，轉(zhuǎn)矩變小。若需提升功率，額定電流僅需從400V電機(jī)額定電流的一半開始增加。

整車：會(huì)戰(zhàn)高端化，

800V車樁并舉

第一階段：車端800V系統(tǒng)

開始應(yīng)用

保時(shí)捷Taycan的TurboS引領(lǐng)800V浪潮，自主品牌、海外合資以及造車新勢力，紛紛跟進(jìn)布局800V。

第二階段：800V車樁并舉，成為

品牌升級(jí)的標(biāo)配

廣州車展各車企會(huì)戰(zhàn)高端化，消費(fèi)者對(duì)電車接受度迎來清晰拐點(diǎn)，未來兩年料將是做品牌向上最好的階段。

高端車比短處，低端車比長處。各家高端化升級(jí)過程中堆配置，補(bǔ)能是各車企共同面臨的痛點(diǎn)，長期看快充料將成為標(biāo)配。另外，快速補(bǔ)能對(duì)低端車亦是剛需，在換電路線發(fā)展速度比較慢的前提下，快充具備下沉潛力。

快充的完全體驗(yàn)，需要車樁兩端同時(shí)配合。短期來看，800V快充樁普及速度有限，因此車企選擇在車樁兩端同時(shí)推廣800V（小鵬、嵐圖等），亦有例如華為的零部件供應(yīng)商提供完整的快充解決方案。

800V高電壓平臺(tái)難在哪里？—

—技術(shù)+基礎(chǔ)設(shè)施共同推進(jìn)

800V高電壓平臺(tái)面臨多個(gè)難點(diǎn)，包括相關(guān)元器件的重新開發(fā)，電池模組安全性的提升以及半導(dǎo)體器件路線的改變。

原有的大部分元器件都要重新開發(fā)、設(shè)計(jì)，從而來匹配高電壓平臺(tái)。這對(duì)車企和供應(yīng)商提出了新的要求。

800V快充對(duì)現(xiàn)有電池構(gòu)成挑戰(zhàn)，4C以上充電倍率以及電壓和電流的增大會(huì)極大的影響電池的穩(wěn)定性。仍需在BMS和電池材料電導(dǎo)率上進(jìn)一步改善。

半導(dǎo)體器件方面，在500V電壓平臺(tái)上常用的是IGBT，而在800V電壓平臺(tái)上SiC的性價(jià)比優(yōu)于IGBT。

800V快充性能實(shí)現(xiàn)需要車樁兩端同時(shí)具備800V能力，同時(shí)還要電網(wǎng)配合增容。

零部件與元器件：SiC和負(fù)極受益最大，

其他部件平滑升級(jí)

400V->800V哪些零部件和元器件需要升級(jí)？

電控

800V下SiC性能優(yōu)異，替代Si基功率半導(dǎo)體趨勢明確：

SiC基功率半導(dǎo)體相比Si基具備更高耐壓等級(jí)和開關(guān)損耗，以Si-IGBT為例，450V下其耐壓為650V，若汽車電氣架構(gòu)升級(jí)至800V，考慮開關(guān)電壓開關(guān)過載等因素，對(duì)應(yīng)功率半導(dǎo)體耐壓等級(jí)需達(dá)1200V，而高電壓下Si-IGBT的開關(guān)/導(dǎo)通損耗急劇升高，面臨成本上升而能效下降的問題。

800V下SiC的耐壓、開關(guān)頻率、損耗表現(xiàn)優(yōu)異，是800V趨勢下最大受益元器件。

薄膜電容提升耐壓等級(jí)，短期內(nèi)單車價(jià)值提升：

薄膜電容的作用是作為直流支撐電容器，從DC-link端吸收高脈沖電流，保護(hù)功率半導(dǎo)體。一般一個(gè)功率半導(dǎo)體配一個(gè)薄膜電容，新能源車上主要用于電機(jī)控制器、OBC上，若多電機(jī)車型，薄膜電容用量亦會(huì)隨之增加。另外，在直流快充樁上亦需要一個(gè)薄膜電容。

目前薄膜電容ASP為200元，800V趨勢下，薄膜電容的ASP需提升約20%。另外短期看，800V會(huì)在高端車率先應(yīng)用，高端車一般采用多電驅(qū)配置，提升薄膜電容用量。

電池

負(fù)極快充性能要求提升。動(dòng)力電池快充性能的掣肘在于負(fù)極：

一方面石墨材料的層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鋰離子只能從端面進(jìn)入，導(dǎo)致離子傳輸路徑長；

另一方面石墨電極電位低，高倍率快充下石墨電極極化大，電位容易降到0V以下而析鋰。

解決方法主要有兩類：

石墨改性：表面包覆、混合無定型碳，無定型碳內(nèi)部為高度無序的碳層結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)Li+的快速嵌入。

硅負(fù)極：理論容量高（4200mAh/g，遠(yuǎn)大于碳材料的372mAh/g），適合快充的本征原因是嵌鋰電位高——析鋰風(fēng)險(xiǎn)小——可以容忍更大的充電電流。

電機(jī)

軸承防腐蝕、絕緣要求增加。軸電壓的產(chǎn)生：

電機(jī)控制器供電為變頻電源，含有高次諧波分量，逆變器、定子繞組、機(jī)殼形成回路，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，稱為共模電壓，在此回路上產(chǎn)生高頻電流。由于電磁感應(yīng)原理，電機(jī)軸兩端形成感應(yīng)電壓，成為軸電壓，一般來說無法避免。

轉(zhuǎn)子、電機(jī)軸、軸承形成閉合回路，軸承滾珠與滾道內(nèi)表面為點(diǎn)接觸，若軸電壓過高，容易擊穿油膜后形成回路，軸電流出現(xiàn)導(dǎo)致軸承腐蝕；

800V的逆變器應(yīng)用SiC，導(dǎo)致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加；

同時(shí)，由于電壓/開關(guān)頻率增加，800V電機(jī)內(nèi)部的絕緣/EMC防護(hù)等級(jí)要求提升。

高壓直流繼電器：高性能要求驅(qū)動(dòng)附加值，

單車價(jià)值量提升

需求具有高確定性，800V下產(chǎn)品性能要求提高，附加值提升：

高壓直流繼電器作為自動(dòng)控制開關(guān)元件，起到高壓電路控制和安全保護(hù)作用，新能源車對(duì)高壓直流繼電器具有剛性需求；

800V平臺(tái)電壓電流更高、電弧更嚴(yán)重，對(duì)高壓直流繼電器耐壓等級(jí)、載流能力、滅弧、使用壽命等性能要求提高，產(chǎn)品需要在觸點(diǎn)材料、滅弧技術(shù)等多方面改進(jìn)，附加值提高。

預(yù)計(jì)單車價(jià)值量將提高40%，乘用車配置數(shù)量以4-5個(gè)為主，充電樁多為2個(gè)：

目前A級(jí)車高壓繼電器單車價(jià)值量為800元左右，預(yù)計(jì)800V電壓平臺(tái)單車價(jià)值量將提升40%。數(shù)量配置取決于車型類別和電路設(shè)計(jì)，乘用車多采用主回路2只、快充回路1-2只、預(yù)充回路1只方案；

商用車功率更高，配置約4-8只；直流充電樁常規(guī)配2只。

熔斷器：激勵(lì)熔斷器滲透率提高，

單車價(jià)值量提升

具備需求剛性，電路保護(hù)要求提高驅(qū)動(dòng)激勵(lì)熔斷器、智能熔斷器等產(chǎn)品創(chuàng)新，價(jià)值提升：

熔斷器是電路過電流保護(hù)器件，800V要求熔斷器在絕緣、耐壓等級(jí)等方面進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整；

新型激勵(lì)熔斷器通過接收控制信號(hào)激發(fā)保護(hù)動(dòng)作，當(dāng)前已逐步應(yīng)用于新能源汽車，平均售價(jià)是傳統(tǒng)電力熔斷器3.6x；

智能熔斷器自動(dòng)檢測回路信號(hào)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，尚處于開發(fā)應(yīng)用前期。

預(yù)計(jì)單車價(jià)值量將提升約20%，激勵(lì)熔斷器滲透率提高：當(dāng)前熔斷器單車價(jià)值量約200-250元，800V平臺(tái)下保守方案采用熱熔絲和激勵(lì)熔絲，激進(jìn)方案只采用激勵(lì)熔絲，隨著激勵(lì)熔斷器市場滲透率的不斷提升，預(yù)計(jì)單車價(jià)值量將達(dá)到250-300元。

高壓連接器：電流減小降規(guī)格，

迎國產(chǎn)替代機(jī)遇

性能升級(jí)，優(yōu)勢廠商優(yōu)勢明顯：作為新能源車高壓電流回路的橋梁，升壓對(duì)連接器的可靠性、體積和電氣性能的要求增加，其在機(jī)械性能、電氣性能、環(huán)境性能三方面均將持續(xù)提升。

作為中高端產(chǎn)品，電動(dòng)汽車高壓連接器有較高的技術(shù)與工藝壁壘。傳統(tǒng)燃油車的低壓連接器被海外供應(yīng)商壟斷。電動(dòng)車快速增長打開高壓連接器新增量，技術(shù)變化要求快速響應(yīng)，整車平臺(tái)高壓化將進(jìn)一步提高行業(yè)壁壘，國產(chǎn)供應(yīng)商迎來國產(chǎn)替代機(jī)遇。

數(shù)量增加，單車價(jià)值量有望提升：目前單輛電動(dòng)車配置15-20個(gè)高壓連接器，單價(jià)在100-250元之間，雙電機(jī)或大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)車型需求量更多。從400V增至800V后，高壓連接器將重新選型，增加大功率快充接口及400V到800V的轉(zhuǎn)化接口，帶動(dòng)高壓連接器單車價(jià)值量上升。