一文搞懂車(chē)規級碳化硅模塊
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核心觀(guān)點(diǎn)
動(dòng)因：為什么是800V
整車(chē)：會(huì )戰高端化，800V車(chē)樁并舉
零部件與元器件：SiC和負極受益最大，其他部件平滑升級
800V架構是全級別車(chē)型實(shí)現快充的主流選擇。對于電池端，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(zhù)單車(chē) 帶電量超100kWh以上的車(chē)型持續推出，電芯數量增加，若仍繼續維持400V母線(xiàn)電壓規格，電芯并聯(lián)數量增加，導致母 線(xiàn)電流增加，對銅線(xiàn)規格、熱管理帶來(lái)巨大挑戰。
因此需要改變電池包內電芯串并聯(lián)結構，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(xiàn)電流在合理水平。由于串聯(lián)數量增加，母線(xiàn)端電壓將提升。而100kWh電池包實(shí)現4C快 充所要求的母線(xiàn)電壓即為800V左右。為了兼容全級別車(chē)型快充功能，800V電氣架構成為實(shí)現快充的主流選擇。
整車(chē)： 會(huì )戰高端化，800V車(chē)樁并舉。2019年豪車(chē)品牌保時(shí)捷推出全球首款800V車(chē)型Taycan 。2020年比亞迪漢采用了 800V架構，2021年上海車(chē)展發(fā)布的e平臺3.0亦搭載800V架構。隨后華為、吉利、廣汽、小鵬、嵐圖等Tier1和整車(chē)廠(chǎng)/品 牌推出了車(chē)樁兩端的解決方案，以保障快充使用體驗。
我們認為未來(lái)兩年高端化是整車(chē)廠(chǎng)主戰場(chǎng)，軍備競賽開(kāi)啟。補能 時(shí)間是電動(dòng)車(chē)面臨的核心短板之一，升級800V結構有利于實(shí)現快充，在短期內形成對中低端車(chē)型的差異化競爭力。長(cháng)期 看快充對于中低端車(chē)型亦是剛需，800V架構升級具備長(cháng)期趨勢。
零部件與元器件：SiC和負極受益最大，其他部件平滑升級。從目前400V升級至800V ，變化最大的零部件和元器件主要 是功率半導體和電池負極。其中SiC基功率半導體由于耐壓高、損耗低、開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)異性能，預計將全面替代Si基功 率半導體。
由于快充瓶頸在于負極，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、硅碳負極。其余部件則需要重新選型，提升耐壓等級，但整體來(lái)看成本變化平滑。短期來(lái)看高壓方案比目前方案整 車(chē)成本增加2%左右，長(cháng)期看有望低于目前成本，為整車(chē)廠(chǎng)推廣建立了良好基礎。
風(fēng)險因素： 新能源車(chē)銷(xiāo)量不及預期，快充電池技術(shù)開(kāi)發(fā)不及預期，快充充電樁鋪設不及預期，電網(wǎng)擴容不及預期，快充 導致電池安全問(wèn)題。
投資建議： 未來(lái)兩年是整車(chē)廠(chǎng)品牌向上最佳時(shí)間窗口，高端車(chē)型有望密集推出，軍備競賽開(kāi)啟?？s短補能時(shí)間是目前電 動(dòng)車(chē)升級的核心訴求之一，國內外整車(chē)廠(chǎng)爭相布局800V快充，率先在高端車(chē)上配置，在短期內形成對中低端車(chē)型的差異 化競爭力。長(cháng)期看，中低端車(chē)型亦有快充需求，800V電氣架構升級具備長(cháng)期趨勢。
我們推薦：
- 目前具備成熟800V技 術(shù)以助力品牌升級的自主整車(chē)廠(chǎng)；
- 國內SiC功率半導體技術(shù)領(lǐng)先的供應商；
- 硅碳負極供應商。建議關(guān)注高壓系統 中零部件和元器件供應商。
01動(dòng)因：為什么是800V
汽車(chē)電壓平臺演變
燃油車(chē)時(shí)代，6V-12V-48V：
- 1912年汽車(chē)開(kāi)始裝蓄電池，電壓為6V。隨著(zhù)汽車(chē)電器如車(chē)燈、照明、ISG等用電器件增加，用電功率需求增加，1950年升級為12V，并延續至今。
- 期間還出現過(guò)42V，主要由美國發(fā)起，因零部件升級電壓規格成本高而未能實(shí)現。2010年信息娛樂(lè )、混動(dòng)等需求出現，由歐洲發(fā)起48V升級，與12V并存。
電動(dòng)車(chē)時(shí)代，出現>400V高壓：
- 純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)上共有的12/48V用電器形成高、低壓兩套電氣系統。
- 純電動(dòng)汽車(chē)高壓系統主要由動(dòng)力電池、配電盒、OBC、DCDC、電驅、PTC、空調、充電口等構成。
- 目前純電動(dòng)乘用車(chē)由于帶電量不同，電壓等級在250-450V范疇，公交車(chē)/物流車(chē)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(lái)乘用車(chē)有望升級至800V。
痛點(diǎn)：補能速度，兩種方案——換電和快充。
- 電動(dòng)車(chē)在動(dòng)力性能、智能化方面超越燃油車(chē)，續航里程也隨著(zhù)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(zhù)補能焦慮的問(wèn)題，燃油車(chē)加一次油時(shí)間為5分鐘，而目前快充至少要60分鐘。在高峰期充電排隊等候的時(shí)間亦進(jìn)一步拉長(cháng)。
- 解決補能速度的兩條路線(xiàn)包括換電和快充，換電目前還面臨盈利模式、標準統一等挑戰。
- 目前車(chē)企更多選擇快充路線(xiàn)，一方面快充與CTC趨勢一致，另一方面技術(shù)升級路徑清晰。
快充：兩種技術(shù)方向：根據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300kW充電功率。
- 提升I，特斯拉超級快充方案，對熱管理有巨大挑戰，600A電流，實(shí)現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(chē)。電池充電速度以電流倍率（C）衡量。實(shí)際應用中的限制條件是：
- 充電槍有最大充電電流限制；
- 不同EV有不同的電池容量，均要實(shí)現相當的快充時(shí)間。
做一個(gè)簡(jiǎn)單的算術(shù)：假設忽略電池包內部電芯連接方式，容量75/100kWh的電池包，要求同樣要實(shí)現7.5min充滿(mǎn)（<4min30%-80%SOC），即4C的最高倍率，最大電流為500A充電槍下，根據容量=電流*電壓*充電時(shí)間，75/100kWh電池包母線(xiàn)電壓將達到600/800V。
因此，為了向上兼容電池容量大高端車(chē)快充性能，在設計之初就將整車(chē)電壓水平定在800V，電池包內部電芯亦以800V為標準設計串并聯(lián)拓撲，最后確定電芯容量。
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，對應電芯連接方式是4并112串。800V體系下，若電芯規格不變，電芯連接方式則變?yōu)?并224串。
400V升級800V還有何益處？
- 高壓線(xiàn)束規格下降，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(xiàn)束電流變小。
- SiC逆變器使得電源頻率增加，電機轉速增加，相同功率下轉矩減小，體積減小。電機電壓翻倍，相同功率下電流減半，因此銅線(xiàn)細（但匝數增加，因此用銅量未減?。?，電流密度小，轉矩變小。若需提升功率，額定電流僅需從400V電機額定電流的一半開(kāi)始增加。
02整車(chē)：會(huì )戰高端化，800V車(chē)樁并舉
第一階段：車(chē)端800V系統開(kāi)始應用
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(chē)新勢力，紛紛跟進(jìn)布局800V。
第二階段：800V車(chē)樁并舉，成為品牌升級的標配
廣州車(chē)展各車(chē)企會(huì )戰高端化，消費者對電車(chē)接受度迎來(lái)清晰拐點(diǎn)，未來(lái)兩年料將是做品牌向上最好的階段。
高端車(chē)比短處，低端車(chē)比長(cháng)處。各家高端化升級過(guò)程中堆配置，補能是各車(chē)企共同面臨的痛點(diǎn)，長(cháng)期看快充料將成為標配。另外，快速補能對低端車(chē)亦是剛需，在換電路線(xiàn)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，需要車(chē)樁兩端同時(shí)配合。短期來(lái)看，800V快充樁普及速度有限，因此車(chē)企選擇在車(chē)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商提供完整的快充解決方案。
800V高電壓平臺難在哪里？——技術(shù)+基礎設施共同推進(jìn)
800V高電壓平臺面臨多個(gè)難點(diǎn)，包括相關(guān)元器件的重新開(kāi)發(fā)，電池模組安全性的提升以及半導體器件路線(xiàn)的改變。
- 原有的大部分元器件都要重新開(kāi)發(fā)、設計，從而來(lái)匹配高電壓平臺。這對車(chē)企和供應商提出了新的要求。
- 800V快充對現有電池構成挑戰，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定性。仍需在BMS和電池材料電導率上進(jìn)一步改善。
- 半導體器件方面，在500V電壓平臺上常用的是IGBT，而在800V電壓平臺上SiC的性?xún)r(jià)比優(yōu)于IGBT。
- 800V快充性能實(shí)現需要車(chē)樁兩端同時(shí)具備800V能力，同時(shí)還要電網(wǎng)配合增容。
03零部件與元器件：SiC和負極受益最大，其他部件平滑升級
400V->800V哪些零部件和元器件需要升級？
電控
800V下SiC性能優(yōu)異，替代Si基功率半導體趨勢明確：
- SiC基功率半導體相比Si基具備更高耐壓等級和開(kāi)關(guān)損耗，以Si-IGBT為例，450V下其耐壓為650V，若汽車(chē)電氣架構升級至800V，考慮開(kāi)關(guān)電壓開(kāi)關(guān)過(guò)載等因素，對應功率半導體耐壓等級需達1200V，而高電壓下Si-IGBT的開(kāi)關(guān)/導通損耗急劇升高，面臨成本上升而能效下降的問(wèn)題。
- 800V下SiC的耐壓、開(kāi)關(guān)頻率、損耗表現優(yōu)異，是800V趨勢下最大受益元器件。
- 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，保護功率半導體。一般一個(gè)功率半導體配一個(gè)薄膜電容，新能源車(chē)上主要用于電機控制器、OBC上，若多電機車(chē)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(chē)率先應用，高端車(chē)一般采用多電驅配置，提升薄膜電容用量。
電池
負極快充性能要求提升。動(dòng)力電池快充性能的掣肘在于負極：
- 一方面石墨材料的層狀結構，導致鋰離子只能從端面進(jìn)入，導致離子傳輸路徑長(cháng)；
- 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(lèi)：
- 石墨改性：表面包覆、混合無(wú)定型碳，無(wú)定型碳內部為高度無(wú)序的碳層結構，可以實(shí)現Li+的快速嵌入。
- 硅負極：理論容量高（4200mAh/g，遠大于碳材料的372mAh/g），適合快充的本征原因是嵌鋰電位高——析鋰風(fēng)險小——可以容忍更大的充電電流。
電機
軸承防腐蝕、絕緣要求增加。軸電壓的產(chǎn)生：
- 電機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、機殼形成回路，產(chǎn)生感應電壓，稱(chēng)為共模電壓，在此回路上產(chǎn)生高頻電流。由于電磁感應原理，電機軸兩端形成感應電壓，成為軸電壓，一般來(lái)說(shuō)無(wú)法避免。
- 轉子、電機軸、軸承形成閉合回路，軸承滾珠與滾道內表面為點(diǎn)接觸，若軸電壓過(guò)高，容易擊穿油膜后形成回路，軸電流出現導致軸承腐蝕；
- 800V的逆變器應用SiC，導致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加；
- 同時(shí)，由于電壓/開(kāi)關(guān)頻率增加，800V電機內部的絕緣/EMC防護等級要求提升。
高壓直流繼電器：高性能要求驅動(dòng)附加值，單車(chē)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(kāi)關(guān)元件，起到高壓電路控制和安全保護作用，新能源車(chē)對高壓直流繼電器具有剛性需求；
- 800V平臺電壓電流更高、電弧更嚴重，對高壓直流繼電器耐壓等級、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。
預計單車(chē)價(jià)值量將提高40%，乘用車(chē)配置數量以4-5個(gè)為主，充電樁多為2個(gè)：
- 目前A級車(chē)高壓繼電器單車(chē)價(jià)值量為800元左右，預計800V電壓平臺單車(chē)價(jià)值量將提升40%。數量配置取決于車(chē)型類(lèi)別和電路設計，乘用車(chē)多采用主回路2只、快充回路1-2只、預充回路1只方案；
- 商用車(chē)功率更高，配置約4-8只；直流充電樁常規配2只。
熔斷器：激勵熔斷器滲透率提高，單車(chē)價(jià)值量提升
具備需求剛性，電路保護要求提高驅動(dòng)激勵熔斷器、智能熔斷器等產(chǎn)品創(chuàng )新，價(jià)值提升：
- 熔斷器是電路過(guò)電流保護器件，800V要求熔斷器在絕緣、耐壓等級等方面進(jìn)行改進(jìn)調整；
- 新型激勵熔斷器通過(guò)接收控制信號激發(fā)保護動(dòng)作，當前已逐步應用于新能源汽車(chē)，平均售價(jià)是傳統電力熔斷器3.6x；
- 智能熔斷器自動(dòng)檢測回路信號觸發(fā)保護動(dòng)作，尚處于開(kāi)發(fā)應用前期。
預計單車(chē)價(jià)值量將提升約20%，激勵熔斷器滲透率提高：當前熔斷器單車(chē)價(jià)值量約200-250元，800V平臺下保守方案采用熱熔絲和激勵熔絲，激進(jìn)方案只采用激勵熔絲，隨著(zhù)激勵熔斷器市場(chǎng)滲透率的不斷提升，預計單車(chē)價(jià)值量將達到250-300元。
高壓連接器：電流減小降規格，迎國產(chǎn)替代機遇
性能升級，優(yōu)勢廠(chǎng)商優(yōu)勢明顯：作為新能源車(chē)高壓電流回路的橋梁，升壓對連接器的可靠性、體積和電氣性能的要求增加，其在機械性能、電氣性能、環(huán)境性能三方面均將持續提升。
作為中高端產(chǎn)品，電動(dòng)汽車(chē)高壓連接器有較高的技術(shù)與工藝壁壘。傳統燃油車(chē)的低壓連接器被海外供應商壟斷。電動(dòng)車(chē)快速增長(cháng)打開(kāi)高壓連接器新增量，技術(shù)變化要求快速響應，整車(chē)平臺高壓化將進(jìn)一步提高行業(yè)壁壘，國產(chǎn)供應商迎來(lái)國產(chǎn)替代機遇。
數量增加，單車(chē)價(jià)值量有望提升：目前單輛電動(dòng)車(chē)配置15-20個(gè)高壓連接器，單價(jià)在100-250元之間，雙電機或大功率驅動(dòng)電機車(chē)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的轉化接口，帶動(dòng)高壓連接器單車(chē)價(jià)值量上升。
OBC/DCDC：主動(dòng)元件升級，短期內受益升壓增量
高電壓對功率器件提出更高要求，將驅動(dòng)OBC/DCDC成本短期內攀升：
- 為滿(mǎn)足800v高電壓平臺在體積、輕量、耐壓、耐高溫等方面帶來(lái)的更為嚴苛的要求，OBC/DCDC等功率器件集成化趨勢明顯；
- 同時(shí)，預計SiC碳化硅將借助耐高壓、耐高溫、開(kāi)關(guān)損耗低等優(yōu)勢在功率器件領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應用，驅動(dòng)單車(chē)OBC/DCDC價(jià)值量提高約10%-20%。
800v高壓平臺有望為OBC/DCDC帶來(lái)新增量：
- 高壓平臺使車(chē)載充電機升級需求增加，為高壓OBC提供增量；
- 同時(shí)，為能夠適配使用原有400v直流快充樁，搭載800v電壓平臺新車(chē)須配有額外DCDC轉換器進(jìn)行升壓，進(jìn)一步增加對DCDC的需求。
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