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特斯拉“画饼日”两大行业躺枪,碳化硅成最大的悬念

日期: 来源:电力电子网收集编辑:电力电子产业网

北京时间3月2日,美国电动汽车巨头特斯拉首届投资者大会在得州超级工厂举行。不按照套路出牌,总是让人出乎意料,要“改变世界”的特斯拉这次又让人大跌了眼镜。万众瞩目的投资者大会活动上,几句话就让碳化硅、稀土两大行业躺枪,美股、A股相关股票应声而下,引发一片哗然。
至于其他方面,网友称就像一场“画饼”大会,外界超高期待的“宏图第三章”并没有什么出彩之处,特别是消费者关注的电动汽车技术的细节。大会后,从资本市场的反应不难看出,这场活动让一众投资者们失望了。

马斯克的故事了讲不动了,特斯拉提出的愿景变得更加宏大,马斯克的阐释并没有让人感到热血沸腾,反而让人对于特斯拉下一阶段要达成的目标有些失焦,投资者也失去了“充值”信心。

Master Plan 3虚无缥缈,缺乏量化

特斯拉投资者大会未能兑现其预热宣传,股票为此付出了代价:收盘大跌5.85%,市值蒸发500亿美元,马斯克再次失去世界首富宝座。这源于特斯拉在投资者大会大谈清洁能源转型、公司总体设计和开发汽车的方法,主要内容覆盖机器人、汽车、电池、可持续能源等几个方面,却缺乏追踪其进展的具体或可量化的指标和能够立竿见影的新产品和新技术,就连业内极受期待的平价新车、HW4.0等内容都没有提及。

回顾一下特斯拉宏图计划(Master Plan)的三个篇章。

2006年宏图第一篇章:第一步:生产跑车;第二步:用挣到的钱生产价格实惠的车;第三步:再用挣到的钱,生产价格更实惠的车;第四步:在做到上述各项的同时,还提供零排放发电选项。

2016年宏图第二篇章:第一步:创造惊人高效的、配备集成储电功能的、美观的太阳能板;第二步:扩充电动汽车产品线,满足各细分市场需求;第三步:通过大量的车队学习功能,开发出比人类手动驾驶安全10倍的自动驾驶技术;第四步:通过分享闲置车辆,产生收益。

目前,除了第二篇章的第三步和第四步还未实现其他完成度都很高。

2023年宏图第三篇章:全面转向电动汽车;在家用、商用和工业领域使用热泵;在工业领域使用高温储能及绿色氢能;在飞机和船舶上应用可持续能源;用可再生能源驱动现有电网。

碳化硅、稀土双双重挫

特斯拉投资者大会后相关股票一片狼藉,众多上市公司躺枪,主要是其关于功率密度和碳化硅用量的说法令人费解。
“下一代汽车平台”是特斯拉投资者大会的一大热点话题,特斯拉在会上透露,电动汽车的大规模渗透需要更便宜的车辆,该公司正在重新思考生产制造。2022年Model 3成本已降低30%,下一代汽车平台将使车辆的保有成本更低或减少50%,而降低驱动单元造价是降低汽车生产成本的关键一环。
特斯拉汽车设计的所有控制器将减少碳化硅的使用,且下一代永磁电机将不使用稀土材料,它们将在紧凑高效的工厂里进行制造,实现更低的成本和更高的效率。为此,通过碳化硅器件、电池等多个方面的优化,下一代动力驱动单元的单位成本将降低1000美元。
“在我们的下一代动力系统中,作为关键部件的碳化硅晶体管价格昂贵,但我们找到了一种方法,可以在不影响汽车性能或效率的情况下减少75%的使用量,但不会损害汽车的性能或效率。”特斯拉动力总成副总裁Colin Campbell表示。
此话一出,美股立马做出了反应。除了特斯拉,其主要碳化硅功率模块合作伙伴意法半导体跌2.39%,与意法半导体有多年碳化硅晶圆供应协议的全球最大碳化硅衬底制造商Wolfspeed跌6.86%;罗姆跌4.42%,英飞凌跌0.11%。
中国的一些碳化硅上市公司股票也未能幸免,专注于碳化硅单晶衬底材料研发、生产和销售的“碳化硅第一股”天岳先进跌10.13%,天科合达控股的天富能源跌7.86%,纳芯微跌7.07%,露笑科技跌3.36%,有研新材跌2.20%,东莞天域跌2.45%。
股价跳水的稀土板块触及跌停,华宏科技跌7.63%,金力永磁跌7.36%,中科三环跌7.18%,广晟有色跌6.73%,中国稀土跌6.40%。

特斯拉欲取故予的套路

特斯拉引发碳化硅股票强震,好比股市中的洗盘。马斯克欲将碳化硅玩弄于股掌之间,这次的牌是模块功率密度。作为碳化硅应用领域第一个吃螃蟹的人,是特斯拉让碳化硅成为了“明星”技术,它不可能自毁前程。
早在2018年,特斯拉就在Model 3中首次将IGBT模块换成碳化硅模块,采用了基于全碳化硅MOSFET模块的逆变器。此后,全球车企纷纷加速碳化硅MOSFET在汽车上的应用落地。
近年来,比亚迪、奥迪、吉利、小鹏等众多车企纷纷开始布局800V高电压平台+碳化硅MOSFET的平台,各大车企800V高压平台方案也将在2023年之后陆续上市。
800V与1200V碳化硅MOSFET的组合被业界誉为平替传统燃油车的“黄金组合”。目前,特斯拉Model 3用的还是400V母线电压架构,下一代车型将向800V母线电压转变。
采用800V母线电压后,使用1200V碳化硅MOSFET可以避免IGBT的拖尾电流效应,降低关断损耗,使主驱满载效率提升5%以上。因为母线电压翻了一倍,在电机功率不变的情况下,碳化硅MOSFET电流减半,将缩小碳化硅MOSFET裸片面积,使单片晶圆的芯片产量更高,单车碳化硅成本随之下降。
特斯拉下一代低价车型约20万人民币,为了控制成本,特斯拉会要求芯片供应商采用新工艺提高器件性能,模块供应商优化模块集成方案,可能导致碳化硅用量有所降低,至于75%是怎么算出来的,只有特斯拉自己知道。伴随业界向8英寸晶圆过渡,芯片总成本也会降低,但这要看8英寸产能何时能够上来。
为此,特斯拉此刻放出风声,也是在促使供应商降价,市场反馈如何还需静观其变。
现在,降本是特斯拉第一要务,为此将加大核心零部件垂直自研力度。据介绍,特斯拉为下一代汽车自研的控制器将提升一体化程度,以降低电子设备的复杂性和成本。目前,在特斯拉车型中,控制器自研比例最高的是今年即将上市的Cybertruck,自研率为85%,下一代车型的自研比例将达到100%。
说到跳票三年的Cybertruck,大家耳朵都听起老茧了,到现在还是即将上市的状态。还有毫米波雷达和激光雷达,以及实现自动驾驶的时间预期,资本市场早就习以为常了,再指着噱头拉涨也是难上加难了,能够早点实现的故事真的不好讲。

碳化硅产能紧缺依然

随着800V时代到来并日渐成为主流趋势,电动汽车中除了主驱、车载充电器、空调压缩机驱动、DC-DC和充电桩都对碳化硅也有强劲的需求。根据预测,碳化硅功率器件市场将从2021年约10亿美元增长到2027年的60多亿美元。

未来几年,碳化硅功率器件应用仍以以电动汽车为主,2030年有望达到8成,理由是电动汽车,不管是纯电动汽车还是插电式混合动力车渗透率届时将超过5成;电动汽车各部件碳化硅导入量将相应增加。

因电动汽车对碳化硅需求大增,导致6英寸碳化硅晶圆供应吃紧。为此碳化硅大厂都在积极布局,旨在缓解供货紧张。不过,6英寸碳化硅晶圆价格欲降不易,为提供更多碳化硅产能及进一步降低成本,使用8英寸将有利于单位器件成本降低17%。
统计表明,特斯拉一年大约需要50万片6英寸碳化硅,而目前全球碳化硅晶圆总年产能在40-60万片,特斯拉一家企业就能消耗掉当下全球碳化硅的总产能。
从整个碳化硅行业发展情况来看,尽管全球碳化硅器件市场已初具规模,但在碳化硅功率器件领域仍然存在一些共性问题亟待突破,比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下,目前6英寸碳化硅衬底零售价为750-900美元,8英寸售价为1,300-1,800美元;材料缺陷问题仍未完全解决;碳化硅器件制造工艺难度较高,高压碳化硅器件工艺不够成熟;器件封装无法满足高频、高温应用需求等。
此外,碳化硅技术和商业化距成熟还有一定的差距,这些都在很大程度上制约了碳化硅器件市场规模上量的步伐。材料成本过高也导致器件成本居高不下,目前碳化硅芯片的工艺不如硅成熟,国际上主要使用的6英寸晶圆材料利用率不高。具体而言,相同规格的产品,碳化硅器件的整体价格是硅器件的5-6倍。行业专家指出,相对于6英寸平台生产,8英寸衬底的引入预计将使整体器件成本降低20-35%。
总之,现阶段碳化硅产能还是严重不足,特斯拉并不做芯片,而芯片厂家巴不得成为特粉供应链的一员。供应是否紧张要市场说了算,特斯拉的“少用”碳化硅对芯片厂商负面影响有限。就像马斯克骂激光雷达一样,也没有让激光雷达价格降低很多。

碳化硅趋势不可逆转

分析表明,特斯拉只是觉得“碳化硅晶体管是关键但昂贵的器件”,而且晶圆尺寸很难扩大,担心碳化硅器件产能供应很难跟上其汽车销售的节奏,所以说减少碳化硅用量“对我们来说是个大问题”。
特斯拉也表示,要通过进一步优化功率模块设计来减少碳化硅器件用量。这表明,特斯拉并不会放弃碳化硅技术,只是我们还不知道它到底有什么样的技术突破。
事实上,用碳化硅取代硅基IGBT是功率器件发展的必然趋势,尤其是在800V架构下,硅基IGBT已经达到性能极限,很难满足主驱逆变器的技术需求,采用碳化硅器件优势非常明显。
归纳一下,采用碳化硅的高效率可以带来多方面的好处。首先,用碳化硅替换硅基IGBT,主驱逆变器效率可提升5%-10%,甚至更高,可以大幅降低电池成本或提升电池续航能力。其次,尽管碳化硅器件成本比硅基IGBT高,但由于节省了无源元件、冷却系统等的成本,主驱逆变器系统综合成本可比硅基系统更低。另外,碳化硅具有高频操作特性,有助于缩小驱动电机尺寸,重量减少约三分之一。碳化硅的多重优势有利于电动汽车轻量化,提升续航和快速充电能力。

怎样才能少用碳化硅?

业内行家的第一反应是:特斯拉碳化硅技术为什么提升的这么快?碳化硅减少75%用量仍然提供同样的功率密度,这正体现了碳化硅的优异特性,如果特斯拉是有备而来,这有可能是又一次技术的腾飞。

现在的Model 3用了24个功率单管,每个单管2颗碳化硅器件,共48颗;如果用量减少75%,那么其下一代主驱逆变器碳化硅器件用量就是12颗。有点难以想象。

猜想一下,特斯拉实现技术的几种可能性,这在特斯拉现场的表述中已有所透露。

Colin Campbell说:“我们开发了定制化模块封装技术,相比现有的碳化硅功率模块产品,这种封装的散热能力提升了两倍左右,这意味着模块封装中的碳化硅晶片小了很多。”

碳化硅导热系数和耐热很高,但受制于现有器件和模块封装技术,绝大多数碳化硅器件的标称结温为175℃,性能并没有充分发挥,很多时候是降额使用。新的封装技术有望发挥碳化硅的耐高温性能。
研究表明,利用邦定缓冲、双面散热等新技术,可以将碳化硅功率模块的导热能力提高10倍,电流能力提高15倍。也就是说,要满足同样导热、电流能力,可以使用更小的芯片,从而减少碳化硅器件用量。
另外,如果转向800V架构,也有可能使碳化硅器件数量减少。比如从Model 3的650V碳化硅MOSFET升级到1200V,理论上器件用量可以减少一半。

杞人忧天大可不必

碳化硅市场前景依然,唯一让大家担心的是特斯拉用量减少那么多会不会造成市场需求下滑。上面说过,一个特斯拉就吃掉了全球碳化硅总产能,供应紧张价格就下不来。尽管单车需求量下降,但根据特斯拉规划,其全球产能将从目前的400万辆提升到2000万辆,绝对需求不断增加。
此外,OBC、慢速充电器、快速充电桩等都可以使用碳化硅。特斯拉的“减量”将使碳化硅器件供应紧张有所缓解,为更多车企提供上车机会,同时有望碳化硅器件价格逐步走低,推动应用落地。
现阶段,绝大部分车企的技术升级并没有那么快,主驱逆变器仍然要使用48颗碳化硅器件,估计特斯拉短期内也是这样。
虽然头部碳化硅企业正在加紧扩大产能,但由于碳化硅晶锭质量不够稳定,良率不高,生产工艺瓶颈尚未完全解决,导致器件成本过高,无法大规模普及应用,产能仍然面临巨大缺口。
碳化硅企业唯一需要做的是产业链协同创新,实现技术升级和成本优化,而不是杞人忧天。


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