碳化硅革命與800V純電的真?zhèn)巍傲_生門”

市場缺口大,參與者眾多,但目前全球碳化硅的整體年產能也不過40-50萬

路特斯怎么也沒想到,Eletre因為碳化硅“斷供”出現的交付震蕩,卻意外將電動汽車“真、偽800V平臺”的羅生門給推開了?!竸e的車不斷供,你們的零部件為什么斷供?」

路特斯的車主APP中,車主們的「質疑聲」一個接一個。先是車主“皮特徐”自發(fā)帖:自己訂購的ELETRE出現交付期延長。被官方工作人員告知:由于排產原因導致產品無法如期交付。再是有車主挖到斷供的原因:ELETRE 800V架構中的核心組件“碳化硅”在上游產能不足導致產品無法如期下線。盡管路特斯的客服與技術專家一再努力回答群里眾車主不斷拋出的問題,卻還是無法對車主如泉水拋出的質疑面面俱到。直到在看到那條「比亞迪、小鵬、阿維塔都是800V的車,給人家供貨,不給路特斯供貨,分不清貴賤的供應商真是說不過去」的評論,路特斯售后客服李科簡直要被懟哭了。從4月開始,在路特斯的車主群里,因為交付問題,時有人喊著“要退款”,也有人喊著“再等等”。面對訂單如今也提示延期,皮特徐的手指在路特斯車主APP界面上徘徊了一遭,但還是選擇關掉了界面,盡管還有些疑問,但他還是想再等等看,因為律師出身的皮特徐是個“邏輯控”,在關注800V和碳化硅以后,他還有些問題沒有搞懂。從2019年,自保時捷推出首臺采用800V高壓平臺的純電動車Taycan后,電動車800V概念似雨后春筍般在電動車市場涌現。這讓從開始下訂ELETRE的皮特徐一直不解,原來以為可能要上百萬產品的技術亮點,怎么這么快就在幾十萬的電動車上普及了?為了確認自己選擇產品具有“技術優(yōu)先性”的皮特徐在訂車后的2個月里,一直關注社交群里看別人有關800V高壓平臺的討論,聽很多已經購買不同產品的車主探討有關800v平臺充電速度與實際加速快慢的問題。這期間。皮特徐了解到,電動車企業(yè)青睞800V高壓平臺的核心好處主要有兩個:

1、可以降低電動車的能耗,增加續(xù)航能力;


(資料圖)

2、配合大功率充電樁,縮短充電時間,讓車更快充滿電。同時也明白了800V高壓平臺與碳化硅的關系即:800V架構通過搭載碳化硅功率元件,可以讓電機實現更強的動力輸出,同時保持更持久的大功率輸出。順藤摸瓜皮特徐還得知,自2年前電動車市場進入800V平臺的市場元年,碳化硅的應用和發(fā)展已經進入革命性時代,只不過碳化硅功率元器件市場需求的爆發(fā)其實更早,尤其是碳化硅供應鏈出現全球性短缺,并非今天才面臨的問題。這些信息也讓他更疑惑:上游原材料市場緊張情況很早,且路特斯已經出現斷供,為什么其他電動車品牌卻能交付?這些品牌難道不知道碳化硅產量有限?眼下大多數800V產品的碳化硅是從哪來的?同樣都是800V,各家的產品到底有什么不一樣?只是求知心切的皮特徐沒想到,自己對斷供事件的盤根問底卻意外挖出一個不被人知的行業(yè)亂象。

1碳化硅短缺是常規(guī)現象「在沒做足功課之前,還以為碳化硅是因為電動汽車熱才熱起來的。」皮特徐開玩笑說道:如果早兩年知道碳化硅的趨勢,我的自選股里一定要加幾只相關行業(yè)的股票,那樣的話用不了1年,我買車的錢早賺回來了。有統(tǒng)計數據顯示,2025年全球電動車市場對碳化硅晶圓需求會達到169萬片,市場規(guī)模將達 15億美元,2019-2025 年間的復合年增率 (CAGR) 為 38%。是資本市場眼中名副其實的高增長行業(yè)。作為硬度僅次于金剛石,且耐高壓、高溫的極具發(fā)展?jié)摿Φ母哂泊嘈园雽w材料「碳化硅」其實無需新能源汽車的催化,在光伏、風電、軌交電網等領域也早就火出邊界了。

考慮不同的特點屬性,碳化硅在不同市場領域中的用途也不盡相同。在航空航天、軍工、醫(yī)療、數字集成電路等領域,碳化硅都有獨特的用途。例如性能剎車片、發(fā)動機葉片、著陸齒輪箱和機身結構的材料里都離不開碳化硅材料。在新能源汽車領域,目前行業(yè)所提的碳化硅主要是碳化硅芯片,主要包括MOSFET芯片、Schottky Barrier Diode芯片、IGBT芯片三種。在800V高壓平臺中涉及的主要是碳化硅基 MOSFET也是目前行業(yè)中相對稀缺的碳化硅。2018 年,當特斯拉率先在 Model3 上應用碳化硅材料后?!禛aN 世界》的一篇報道曾指出一個問題:按照平均2輛Tesla的純電動車就需要一片6英寸碳化硅晶圓的速度計算,2022年特斯拉需要46萬片。

但從當時實際數據看,2021年全球碳化硅晶圓總年產能僅在40萬-60萬片,結合業(yè)內良率平均約50%估算,當年碳化硅晶圓全球有效產能僅20萬-30萬片。意味著全世界的產能,都滿足不了特斯拉一家電動汽車的使用量??墒窃谔厮估膸酉?,很多電動汽車廠商紛紛盯上了碳化硅 MOS的應用。這其中不乏很多國內車企,包括比亞迪的漢EV的搭載;小鵬G9的800V高壓碳化硅平臺;吉利旗下威睿電動汽車技術有限公司發(fā)布600kw超充技術,也在使用碳化硅相關器件……于是2020年前后,新能源對碳化硅的追捧迎來高潮。但有一個現實情況,到2022年時,特斯拉的全球銷量超過了100萬輛,意味著全球碳化硅晶圓總年產能如果不出現爆發(fā)式增長,原則上是根本無法滿足更多跟進使用碳化硅的車企需求的。在預判這樣的訴求后,包括Wolfspeed、天科合達在內的多家碳化硅龍頭大廠紛紛宣布擴產,但即便如此,到2025年,碳化硅產能也只是有望在先前的基礎上再提升2倍。且僅限于上游的碳化硅晶片,如果落到下游的碳化硅功率器件上,這個數字還會再減少。可見碳化硅在高壓純電平臺產能不足的問題根本無法回避。最關鍵的是,國內碳化硅的良率很低,目前國際龍頭企業(yè)Cree、Ⅱ-Ⅵ 的良品率大約在60%~70%,而國內企業(yè)的良品率只有40%左右。而且主要集中在2-4 寸或許比較容易的晶體,對于6寸的切割會出現翹曲度等系列問題,目前國內整個碳化硅產業(yè)仍處在起步階段。

盡管國內芯片廠商包括東尼電子、天岳先進、天富能源、宇晶股份、甘化科工等國內“碳化硅材料”龍頭企業(yè)也在進行相關布局,但國內碳化硅的長晶速度慢,與硅基長晶差幾十倍,生長效率低,溫度也高,技術門檻高,國內碳化硅芯片在實際產品質量上相比國際產品在產能和質量都有巨大的提升空間。有資料顯示:英飛凌、意法、安森美、羅姆、狼速、三菱六家外企就占據全球99%碳化硅的市場份額。市場缺口大,參與者眾多,但目前全球碳化硅的整體年產能也不過40-50萬片,覆蓋產品總量不超過100萬臺,這就決定了在未來三年乃至十年的時間中,碳化硅短缺都是一個常規(guī)現象。也正因如此,馬斯克才表示下一代平臺會減少75%的碳化硅使用,以降低成本方面的使用。

2真假800V的技術之爭在第三代半導體產業(yè)中,碳化硅可謂一片難求。為何在需求量不斷增大的國內新能源汽車市場中,在已經布局800V架構的企業(yè)口中卻很難聽到碳化硅“短缺”的消息。對于一輛新能源汽車來說,碳化硅的應用集中在充電樁、車載充電機、電驅系統(tǒng)三部分。作為一款功率器件,碳化硅比起傳統(tǒng)的半導體硅材料,可以在更高的電壓、頻率和溫度下工作。因此在高壓快充之下,碳化硅原則上更適合650伏以上電壓充電。

但目前在行業(yè)的約定俗成中,800V高壓平臺卻不是嚴格意義上的數字標尺,尤其是在新能源汽車充電領域中,800V高壓系統(tǒng)通指整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達到550至930V的系統(tǒng),統(tǒng)稱800V系統(tǒng)。因此很多車企,在宣揚自己800V產品的時候,實際上都只是鉆了800V產品的空子。(這里不提名批評)目前,市場中有很大一部分標榜著800V架構平臺的電動汽車,雖然頂著800V高壓系統(tǒng)的名號,但只是通過線路改變,元器件的增加進行電壓轉換,并沒有基于800V高壓系統(tǒng)進行整體的研發(fā)設計,因此也就沒有用碳化硅明確代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅基材料的必要。例如目前業(yè)內某量產產品在整車不同區(qū)域進行了包括800V(動力電池)、400V、48V和12V(LFP電池)的模塊化應用,這種情況下,雖然是名義上800v架構,但卻可以極大省略碳化硅的應用。也就是目前內普遍所稱的“偽800V產品”。此外,從量產時間來看,目前各大車企基于800V系統(tǒng)的新車將于明后年陸續(xù)上市,真正800V的產品大年預計要到2024年才問世,因此,終端市場實際對800V的接受程度,遠未到實際交付,所謂眾多800V產品尚處在“吆喝”階段。不久前,在騰勢新品上市,比亞迪就意識到行業(yè)中有企業(yè)存在“偽800v”的這個問題,品牌代表及發(fā)言人甚至現場表示“有些企業(yè)聲稱采用800V充電技術,但實際上只能在峰值時刻達到高功率充電,持續(xù)時間很短,真正達到800V電壓可能只有5至10分鐘”。

只不過比亞迪為騰勢N7配備了所謂“雙槍快充技術”,也就是再加一支充電器來彌補。這種五十步笑百步的做法,間接佐證比亞迪自己其實也存在沒有配備高規(guī)格碳化硅的可能。事實上,在真正800V甚至更高水平的平臺上,一輛電動汽車的高壓元器件標準必須提升,這其中包括逆變器、電驅系統(tǒng)、電能轉換等在內的強電鏈路,都需要從傳統(tǒng)的硅基產品均換成碳化硅器件。因此也間接決定,正向800V高壓純電產品及充電設備的碳化硅用量只增不減。此外,碳化硅在新能源汽車中的采購價值要遠比我們想象的大很多。據了解,一輛電動汽車用到的碳化硅半導體器件價值約在1500-2000美元之間,而傳統(tǒng)的硅基材料則只需要500美元左右,成本差距在2-4倍。

為了規(guī)避成本問題,很多新能源汽車產品不得不采用國產或自研的碳化硅材料。例如比亞迪漢 EV就使用了自主研發(fā)并制造的控制模塊,在電機驅動器和快速充電器中,優(yōu)先改善驅動器和充電器的效率問題。小鵬旗下G9則采用了自家投資的上海瞻芯電子科技有限公司旗下的碳化硅器件,受制于技術限制,國產碳化硅芯片相比國際主流芯片,存在問題解決不徹底的同時也暴露出其可靠性與耐久性缺乏有效驗證。這種情況也間接也從另一個層面證實,800V特高壓電車的成本的門檻,不僅眼下,未來很長一段時間都會擋住部分車企無法將高質量碳化硅上車。也間接表明真正打造800V高壓平臺產品,未來只會在高價值產品中小范圍鋪開。

3是技術路特斯 還是“方腦袋”路特斯?不僅是車主,很多人都不解,既然眼下市場中不乏渾水摸魚者,為什么路特斯卻“偏向險種行”不選中庸之道,反而青睞有“斷供風險”的高品質碳化硅?事實上,這與其品牌定位與初期產品設定的邏輯有很大關系。作為超跑品牌,打造性能電動車,路特斯的800V高壓系統(tǒng)不僅要滿足電池快速充放電的需要,還需要包含所有用電零部件的額定工作電壓都可以達到800V左右的水平。這就間接決定Eletre必須作為目前所有量產產品中,做最大程度上適配800V高壓充電,且無需增加多余的元器件的“真800V”產品。

在這套正向800V架構體系下,搭配高性能碳化硅芯片能讓車輛的實現峰值功率230KW,將逆變器峰值電流提升495A,以最大限度保證車輛的強勁動力和優(yōu)異加速性能。而這套采用碳化硅技術的800V逆變器,雖然成本高,但卻能夠充分利用碳化硅自身的特性(例如在高溫和高壓下穩(wěn)定、出色的性能),讓組件更輕、更小、更高效。在配備碳化硅模塊的高功率密度和突出冷卻效果下,模塊本身也擁有是目前業(yè)內相同規(guī)格下最強的電流能力。簡單說,路特斯想做“最速純電SUV”,ELETRE就無法脫離高品質碳化硅做支撐。此外,為了確保最大限度追求“極速”,路特斯對高品質碳化硅的需要還會更旺盛。有知情人透露:路特斯后續(xù)的SIC產品會繼續(xù)往高效率和更優(yōu)異的出流能力方向發(fā)展,其下一代的SIC平臺產品WLTC效率還能在原有基礎上再做3%以上的提升,其總電流超過600A。

上述人士還透露,目前路特斯碳化硅模塊供應來自丹麥,該公司的高質模塊不僅是目前市面上最成熟的產品,也是斯達、BYD、基本半導體、中車等公司學習模仿的“技術范本”,Wolfspeed提供晶元,受成本制約,目前國內尚無一家車企對該型號高質碳化硅有集采訴求。而這款在目前市場中,不僅具有高功率密度、高壽命、高可靠性的碳化硅體,還可實現高散熱效率的供應件,其出流能力超過目前同規(guī)格10%。但由于同品可替代性低,也就間接意味斷供風險更大。但也倒逼路特斯把“追求極致”與“交付效率”這道選擇題上,答成一道成先滿足前者,再快速解決后者的排序題。

作為天生技術與速度“控”,路特斯顯然清楚產品品質與產品力的真實價值到底意味著什么。此前保時捷Taycan在空調壓縮機上,使用400V電壓,配備DCDC轉換器實現切換。就被消費者質疑:只改變線路,元器件的增加進行電壓轉換,不做整體的研發(fā)設計,存在技術欺騙嫌疑。這種對品牌帶來傷害無疑是致命的,面對不得已的延期,只是讓用戶“延遲滿足”的問題下,在堅持長期主義經營邏輯下的路特斯,延期也只能是一種無奈的被迫之舉。只是路特斯怎么也沒想到,原本只是自己對技術的執(zhí)拗與堅守,卻意外將一個行業(yè)亂象公之于眾。

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