師傅,汽車半導體的發展機會在前方嗎?

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汽車半導體市場是近年來最有潛力的半導體應用市場,特斯拉帶動新能源汽車的投資熱情,電動汽車滲透率將持續快速提升,汽車內部結構變化帶來電子零部件價值量增加,其帶來的不僅僅是電機、電控及電池領域的增長,從內部零部件角度來說,汽車半導體升級空間廣闊:半導體(包括MCU、功率半導體和傳感器)以功率半導體為例,電源驅動模塊大量應用功率半導體,且應用於高壓領域的IGBT用量顯著提升,預計單車價值量由70美金上升至300美金+功率半導體正加速向國內轉移,國內電子企業有望享受這一輪市場增長+市場轉移帶來的高業績增長預期。

我們假設2016-2020年全球燃油車年產量由6963萬輛增長至7478萬輛,年均增速2%;新能源汽車(包括純電動和混動)由77萬輛增長至299萬輛,年均增速47%,考慮內部零部件電子化帶來的價值增量,我們判斷車用半導體增速遠快於2%的汽車市場平均增速。我們認為汽車新能源化帶來的價值和量同步升級,汽車半導體企業將深度受益於相關產業擴張所帶來的市場機遇。

我們建議重點關注功率半導體在國內的產業鏈變革。我們看好國內企業通過已收購回來的海外優質汽車半導體資產,並進行國產替代打開成長空間的邏輯。從目前的進度看,國內的聞泰科技有望憑借成功的資本運作和成本管理能力率先獲得成功,預計未來國內將出現自己的優秀汽車功率半導體企業。

核心觀點:

我們假設2016-2020年全球燃油車年產量由6963萬輛增長至7478萬輛,年均增速2%;新能源汽車(包括純電動和混動)由77萬輛增長至299萬輛,計算年均增速為47%,考慮內部零部件電子化帶來的價值增量,我們判斷車用半導體增速遠快於2%的汽車市場平均增速(見下表)。我們認為汽車新能源化帶來的價值和量同步升級,汽車半導體企業將深度受益於相關產業擴張所帶來的市場機遇。

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1. 新能源汽車驅動汽車半導體發展

1.1. 汽車半導體的定義及前景

我們深度看好新能源汽車電子裝置中半導體成分的增長,包括電機結合的電子控制裝置和獨立於動力系統以外的車載電子裝備。電子控制裝置主要是汽車動力、駕駛控制等系統組成,後者通常與通信、娛樂設備相關,汽車電子根據功能可分為車身控制系統(ECU)、安全系統、娛樂設備、底盤控制、高級駕駛輔助系統(ADAS)等,每個系統需要通過半導體器件做到相關功能,包括存儲器、傳感器、光電器件、射頻器件、功率器件等。

我們認為,汽車半導體市場將是近年來發展最快的IC晶片應用市場之一。而其中受益於新能源汽車的滲透率提升,價值量和出貨量的雙重疊加增長驅動將格外顯著。

1.1.1. 汽車半導體的市場競爭特點

車用半導體對產品性能和可靠性要求很高,汽車的使用環境更接近於工業產品,汽車半導體通常工作在高溫、高濕、嚴寒等惡劣極端環境下,加上汽車對安全事故的零容忍,對半導體產品的抗干擾能力、可靠性及穩定性要求極高,這與一兩年就更新換代的智慧型手機不同,汽車產品更新頻率較低,每年的升級幅度很小,多集中於外觀或動力組件,一手汽車加上二手使用年限通常能達到10年,說明汽車電子供應商較為固定,同時IDM廠家對比IC設計企業更有優勢。

產品開發周期比較長,加之對汽車電子產品的高要求及定制化需求,使得半導體廠商通常必須在商用前4-5年即和汽車製造廠商共同啟動研發,同時產品認證的周期漫長,國際標準組織要求汽車電子半導體廠商建立相應開發生產流程後,並獲得相應的認證方可進入汽車產業鏈,導致新進企業進入產業鏈難度很高,以上諸多特點使得汽車電子整個上下遊供應鏈關係比較穩定,有很強的行業壁壘。

1.1.2. 汽車半導體的企業特徵

全球汽車半導體廠商主要有英飛凌、NXP、瑞薩電子、ST意法半導體、TI等龍頭企業,根據Semicast Research的研究顯示,2017年NXP全球市場份額達14%,領先第二名英飛凌3個百分點,前十名總份額達到67.1%,顯示集中度進一步增加。

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1.1.3. 受環保驅動的新能源汽車市場是剛需

汽車行業一直致力於節能減排。這里一部分原因是受到更加嚴格的二氧化碳減排規則限制:比如新的歐盟委員會規則要求到2021年將平均車輛排放量減少到95g CO2/公里等。同時越來越多的中產階級也充分意識到減少燃料消耗可以節省資金,減少對健康和環境的影響,有助於提高生活質量,這都直接增加了對新能源汽車的需求。

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1.1.4. 新能源汽車半導體投資前景探討

我們描述一個簡單的技術路線圖,我們認為汽車相關行業有兩種主要的投資路徑:(1)信息系統技術的進步(2)控制系統技術的改良。這兩種技術都將發展並融入一個緊密集成的技術平台,以滿足最終無人駕駛的需求。

信息系統技術主要涉及汽車收音機和汽車視聽系統。傳統路線圖中的舊式手動導航已經演變成汽車自動導航系統。電子製造商的數據通信技術使得智能交通系統可以用於路、車和車到車之間的無線通信。

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隨著移動技術的快速發展和互聯網的進一步深化,最終能做到人、車、道路、雲空間之間數據共享互通,並最終做到智能交通、智能汽車、智能駕駛等功能。我們認為隨著數據通信技術的進步,電子產品製造商將發揮更大的作用,車用半導體前景空間廣闊。

控制系統技術已經從單純節油發展到節約能源和提高效率相結合的技術。電子製造商通過動力傳動系統,動力轉向系統和電子制動系統為這一領域做出了很大貢獻,而且這種趨勢可能會持續下去。

但展望未來三五年的投資機會,我們認為傳統的汽車節油業務增速相對較為緩慢,難以出現大幅發展,僅僅是替代現有部件不太可能導致更高的市場需求,雖然龍頭公司可以通過擴張銷售管道,占領新興國家市場獲得一定的營收增長,但基本可以認定這些技術只能產生較穩定的現金流,不足以給予較高的利潤增長預期。

值得關注的是,我們看到車用連接器,ADAS和無人駕駛有關的技術有望引發資本的追逐,有較強的增長前景,是提振業績的核心組件所在,這將吸引大量新的零部件生產和解決方案的出現。ADAS能夠有效解決乘客在汽車的舒適安全旅行中的相關痛點,我們認為ADAS具有較強的市場需求,各種系統解決方案也處於大規模商業化的前期,這個領域充滿了對司機和乘客有明顯益處的解決方案,如自主緊急制動(AEB)系統、自動泊車系統和駕駛員疲勞探測等。我們了解到,國內外大多數領先的汽車製造商已經在開發ADAS,考慮到平衡成本和性能方面仍處於試錯階段,我們認為ADAS將成為汽車零部件供應商的主要戰場之一。

無人駕駛技術是當前電氣技術、車用連接技術和ADAS組合的最高階段,但短期內我們認為無人駕駛的商機較為有限,主要停留在實驗階段,而ADAS和車聯網中積累的技術和專業知識對於無人駕駛是必不可少的基礎,這也是無人駕駛中人工智能難以獨立解決的模塊。

1.2. 特斯拉點燃汽車半導體行業投資熱情

特斯拉帶動新能源汽車投資熱情

2018年11月,特斯拉在最新季的財報中披露,3季度Model 3的銷售環比2季度增長100%以上,公司業績也超出華爾街的一致預期,公司股價也隨著財報披露表現良好。

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特斯拉Model 3的發布意味著特斯拉正式邁向大眾領域,3.5萬美元的「親民」價格使其成為一款普通消費者「買得起」的特斯拉。

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特斯拉受到市場的追捧的重要意義不僅僅是一個品牌效應,我們認為特斯拉和蘋果都是推出了革命性的產品,同時受到消費者的追捧。正如蘋果推動了智慧型手機的快速滲透,我們認為特斯拉或帶來智能汽車&新能源汽車的快速普及,競爭對手會受特斯拉產品的影響重新考慮產品方案。本文將著重關注在新能源汽車普及後,汽車內部半導體發生的變化。

1.3. 全球新能源汽車邁入高增長軌道

近年來大陸新能源汽車產銷量大幅增長,滲透率不斷提高。根據中國乘聯會數據顯示,大陸新能源乘用車銷售量由2013年的1.5萬輛,快速增長至2016年的32.9萬輛,3年復合增速79%。

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2. 新能源汽車電子化顯性增量——電機電控&電池新能源汽車電子化的顯性增量——電機+電控+電池和燃油發動機的汽車相比,純電動汽車使用電動機代替了燃油車的柴油/汽油發動機;以電池組代替了燃油,為電動機提供動力;其中還有一個最主要的部件就是電控系統,電控系統由電池管理系統和控制系統構成,管理電池組和控制電池的能量輸出以及調節電動機的轉速等,是連接新能源電池和電機的重要中間載體。從電子產品價值量上來看,電機和電控系統也是新能源汽車相對傳統汽車而言最大的成本增量,目前乘用車電機價值量大約在1000美元,控制器價值大約在1000美元。考慮電機和控制器,再加上其他的電子配件,電動汽車成本較傳統汽車的價值增量超過2000美元。

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2.1. 汽車核心驅動部件-電機新能源汽車電機主要是由定子、轉子和機械結構三大部分組成。定子和轉子是其中的核心,主要原理是轉子繞組通過切割定子旋轉磁場產生感應電動勢及電流,並形成電磁轉矩而使電動機旋轉。

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從類型上看,目前新能源汽車電機主要分為4類:直流電機、異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機。

  • 直流電機:新能源汽車直流電機有兩組繞組,一組在轉子上,一組在定子上,這兩組繞組能提供兩組磁通量,因此,磁動勢可以相互作用從而產生轉矩。主要是看中了直流電機的產品成熟,控制方式容易,調速優良的特點。但由於直流電動機本身的短板非常突出,其自身複雜的機械結構(電刷和機械換向器等),制約了它的瞬時過載能力和電機轉速的進一步提高;並且在長時間工作的情況下,電機的機械結構會產生損耗,提高了維護成本。此外,電動機運轉時的電刷火花會使轉子發熱,浪費能量,散熱困難,還會造成高頻電磁干擾,這些因素都會影響到整車性能。

  • 交流異步電機:又稱感應電動機,即轉子在交流電產生的旋轉磁場的作用下,獲得一個轉動力矩,因而使轉子轉動。轉子總是在「追趕」定子電磁場的旋轉速度,並且為了能夠切割磁感應線而產生感應電流,轉子的轉速總要比定子電磁場的轉速慢一點點(約為2%~5%),也就是異步運行,故而稱為交流異步電動機。與直流電機相比,交流異步電機效率較高,體積較小、質量輕,而且交流異步電機無電刷和換向器,不存在換向火花問題,因而工作可靠性較高,使用壽命也較長。因此,對於車載能量有限的電動汽車來說,其性能明顯優於直流電機。但也存在以下不足:由於轉子的轉速與定子的轉速存在差異,因而調速性能較差;交流異步電機的控制相對較為複雜,配用的控制器成本較高。

  • 永磁同步電機:不同於直流電機是通過繞組內通電流產生磁場,永磁同步電機採用永磁體產生磁場,即定子產生旋轉磁場,轉子用永磁材料制成。其存在諸多優勢:首先,因轉子屬於永磁材料,不僅避免了電阻損耗及產生的熱量損失,而且結構上大大簡化,既做到了高效節能又使得可靠性大為增強,壽命增加。另外,永磁電機氣隙磁密度可大大提高,使得電機體積縮小、重量可相對減輕30%左右。永磁驅動電機起動轉矩大,在汽車啟動時能提供有效地啟動轉矩,滿足汽車的運行需求。最後,力能指標好,當電機只有20%負荷時,其力能指標仍為滿負荷的80%以上。且永磁無刷同步電機的恒轉矩區比較長,一直延伸到電機最高轉速的50%左右,這對提高汽車的低速動力性能有很大幫助。不過,永磁同步電機也存在一定缺陷,如電機整體造價較高、永磁材料性能受外部環境影響變化、控制系統成本偏高等。

  • 開關磁阻電機:結構比其它任何一種電動機都要簡單,在電動機的轉子上沒有滑環、繞組和永磁體等,只是在定子上有簡單的集中繞組,繞組的端部較短,沒有相間跨接線,維護修理容易。因而可靠性好,轉速可達15000r/min。損耗主要在定子,電機易於冷卻;轉子無永磁體,易於做到各種特殊要求的轉矩速度特性,而且在很廣的範圍內保持高效率。開關磁阻電機還具有在較寬轉速和轉矩範圍內高效運行、控制靈活、可四象運行、響應速度快等優點。但開關磁阻電機也存在轉矩波動大、噪聲大等缺陷。目前在乘用車上永磁同步電機和交流異步電機是應用最廣泛的電機形式:當前美國車企和部分歐洲車企偏愛交流異步電機,主要存在三方面原因:第一,交流異步電機價格低廉,從成本上考慮具有優勢;第二,美國汽車的車型相對較大,這恰與交流異步電機體積不發生衝突;第三,美國高速路網發達,這使得交流電機的高速區間效率性能表現得尤為突出。相反,在中國、日本等其他國家永磁同步電機在新能源汽車上使用最為廣泛。這最主要是出於對本國路況的考慮,永磁同步電機在反復啟停、加減速時仍能保持較高性能。此外,永磁材料需要大量稀土等原材料,大陸儲量豐富,日本則具有比較先進的永磁製造產業,這就為永磁同步電機的推廣創造了得天獨厚的客觀條件。從電機裝機數量上來看,永磁同步電機裝機量更高,從綜合性能上看,永磁同步電機最具優勢,故而永磁電機裝機量占比較高。相信隨著稀土開采量的持續供應和電機工藝水平的不斷提高,預計永磁電機將在較長時間內占據中國新能源汽車的電機市場。

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2.2. 汽車電控系統介紹新能源汽車控制系統部分則包括電池管理系統(BMS)、發動機電子控制單元(ECU)、發電機控制器(GCU)、離合器控制單元(CCU)、電機控制器(MCU)、變速器控制系統(TCU)和整車控制器(VCU)。其中核心是BMS\VCU和MCU。

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2.2.1. 整車控制系統(VCU)整車控制系統是做到整車控制決策的核心電子控制單元,一般僅新能源汽車配備、傳統燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、剎車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖;通過監測車輛狀態(車速、溫度等)信息,由VCU判斷處理後,向動力系統、動力電池系統發送車輛的運行狀態控制指令,同時控制車載附件電力系統的工作模式;VCU具有整車系統故障診斷保護與存儲功能。2.2.2. 電機控制器(MCU)電機控制器(MCU)通過接收VCU的車輛行駛控制指令,控制電動機輸出指定的扭矩和轉速,驅動車輛行駛。做到把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、並驅動電機本體輸出機械能。車用MCU在汽車中的應用呈現出多樣性,從簡單的車燈控制到複雜的發動機控制、汽車遠程通信做到,高、中、低端MCU在汽車中都可以發揮作用。不同汽車電子系統對MCU的要求是不同的,也就決定了車用MCU的多樣性。一輛汽車至多需要50顆MCU,應用領域遍及安全應用、車體控制、動力能源相關等,其中電動汽車分別在EV主反相器、EV輔助反相器、EV HV/LV DC/DC、EV AC/DC充電部件比傳統汽車多需要4顆MCU,其中32位MCU單價在3-15美元,16位MCU單價在3-5美元,8位單價在1-3美元。總體而言,單車MCU價值在102-484美元。

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2.2.3. 電池管理系統(BMS)電池管理系統(BMS)作為保護動力鋰離子電池使用安全的控制系統,時刻監控電池的使用狀態,通過必要措施緩解電池組的不一致性,為新能源車輛的使用安全提供保障。電動汽車動力電池是由幾千個小電芯組成的,電池包的組成主要包括電芯、模塊、電氣系統、熱管理系統、箱體和BMS。電池管理系統(Battery Management System,縮寫BMS)是對電池進行管理的系統,主要負責監測和管理整個電池組的政策工作:主要功能包括估測電流的電荷狀態、檢測電池的使用狀態、管控電池的循環壽命、在充電過程中對電池進行熱管理、啟停鋰電池冷卻系統,同時也管理單體電池間的均衡,防止單體電池過充過放產生的危險。

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國內參與BMS企業有3類1)動力電池企業:目前國內第一梯隊動力電池企業均涉足,且大多是「BMS+PACK」模式,掌握了動力電池電芯到電池包的整套核心技術,具有較強的競爭實力。代表企業有BYD、(寧德)CATL、中航鋰電、國軒高科等。2)整車企業:整車企業對電芯的參與較少,一般通過兼並購、戰略合作等方面進入,而BMS則為大的企業重點考慮的領域。國內如長安、北汽、吉利等車企均有專門的研發團隊進行BMS的研發,除了核心技術的掌握外,在成本和效率方面較其他企業有較強的競爭力。3)第三方BMS企業:目前國內第三方BMS企業仍占據主要位置。一部分由動力電池BMS企業,另一部分是傳統數位電池及BMS企業轉型而來。相對來講,作為專業的第三方BMS企業,技術積累有天然的優勢。目前這類企業參與者眾多,但技術相差較大,國內處於競爭前列的企業主要有科列技術、億能電子、冠拓、力高新能源、華霆動力、上海妙益等。BMS價格與電芯的類型、電量、電壓等有關,通常來講,不計算PACK,每輛車BMS價格在3000-20000元,客車電池容量大,電壓等級高,BMS較貴。乘用車和專用車電壓等級較低,價格也相對便宜。

2.3. 新能源汽車的限制性技術-電池電池作為電動汽車的動力源,一直以來被視為電動汽車發展的重要標誌性技術,也是制約電動汽車發展的重要瓶頸,其性能好壞直接影響到驅動電動機的性能,進而影響整車的行駛性能和排放性能。考慮到新能源汽車電池工作環境的複雜多變性,並需保持穩定持久的電能來源,電池性能要滿足以下要求。

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從新能源汽車電池類型上來看,新能源汽車中的電池包括酸鉛電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。目前,鋰離子電池(鋰離子電池和鋰聚合物電池)除在價格和安全性方面處於劣勢以外,其他方面均處於領先地位,目前已經逐漸成為主流的新能源汽車電池形式。而創新性鋰聚合物電池將會是未來研發重點。此外鎳氫電池則主要存在於混動車型中,鉛酸電池則作為傳統燃油汽車設備供電裝置中。

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大型企業技術資金方面優勢明顯,大規模出貨量有利於帶來規模經濟效應,而且獲取政府資金補助這一塊也有優勢。未來,行業整合趨勢日益明顯,中國鋰動力電池市場將進一步向優勢企業和龍頭企業集中。

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從價格上看,電池成本是整車正本最高的部分,占整車成本的10%-15%以上。也是新能源汽車價值量最高的部件之一。以特斯拉為例,特斯拉的動力電池由7000多顆18650電芯構成的電池總成,按照單顆電芯價值2-3美元計算,特斯拉電池成本高達1.5萬-2萬美金。而國內新能源車電池價格也普遍在5-10萬元左右。

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3. 新能源汽車內部器件價值增長核心邏輯——電池電壓提升

3.1. 新能源車按照動力來源的分類新能源汽車按照動力來源可分為純電動車和混動車。純電動車顧名思義是完全由電機驅動,而混動車是由發動機和電機共同驅動,根據二者動力比例不同又可以分為微混、中混和強混,這一比例根據劃分標準不同而異,其中一種劃分為:電機功率/總功率小於10%的為微混;10%-25%為中混;大於25%為強混。相對於純電動車完全靠電機驅動,混合動力車的驅動系統主要由電動機、動力電池、發動機組成。車輛在正常行駛時,發動機通過發電機將電能傳遞給功率轉換器,進而驅動車輪;在啟動或低速行駛時,通過蓄電池將電能傳遞給功率轉換器;在遇到坡道或急加速時,發動機和蓄電池共同傳遞能量驅動車輛行駛。混動車只需用到一種燃料而不需外部充電,蓄電池的能量來自於發電機輸出的多餘電能以及減速/制動模式下驅動輪的動能。

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  • 強混車採用大功率電機,電壓都在幾百伏水平,無論在啟停還是正常行駛時都以電力驅動,只有在特定複雜情況才會啟動發動機進行輔助。強混車可以做到自動啟停+回饋制動+電動輔助+純電驅動。

  • 中混車的功率小於強混車,電壓超過100伏,在正常行駛起步階段使用電力驅動,速度到達一定界限後啟動發動機行駛。中混車至少可以做到自動啟停+回饋制動+電動輔助。

  • 微混車所需功率較小,正常行駛時是以發動機驅動,只有在啟停時才會啟動電動機。弱混車至少可以做到自動啟停+回饋制動。

3.2. 48V微混車發展空間廣闊微混車相較於其他類型混合動力車及純電動車,新增的成本較少,越來越廣泛的被整個歐洲和中國市場所接受。微混車在傳統發動機車的基礎上,僅加入了啟停系統,對於發動機的改動很小,因此新增的成本較小;相反,中混或強混車雖然能夠帶來30-50%的節油效果,但其研發、製造帶來的成本更高,經濟效應不強。微混車節能效果優良,可以滿足2020年的油耗標準。工信部出台的第四階段油耗限值標準要求乘用車生產企業的平均油耗必須從2015年的6.9L/100km下降至2020年的5.0L/100km。以6.9L/100km為平均耗油量,以15%為微混車的節油率來計算,目前微混車的耗油量可以縮減為5.2L/100km,隨著技術的近一步提高,未來微混車有望達到5.0L/km的油耗標準。微混車受到各大主流車企的追捧:微混車很好的解決了節能減排和轉型成本之間的難題,具有廣闊的應用前景,世界各大知名車企紛紛推出48V微混車型:2016年,奧迪SQ7配備了48V電池;2017年,BMW全新5系搭載48V電動系統;2018年,賓士將推出S級M256,這是賓士首款搭載48V微混系統的車型。

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3.3. 高電壓下電池零部件的潛在變化純電動車的動力電池電壓普遍大於300V,如特斯拉Model S的電池電壓為400V、比亞迪唐的為500V。就已經做到量產的混動車而言,電池電壓普遍大於100V。而微混車的電池電壓在48V(以48V微混車為例)。一般而言傳統汽車的電池電壓為12V。無論是純電動車還是混動車,汽車的電池電壓相對傳統汽車發生大變化,由此帶來汽車內部核心零部件的變化:更多的DC-DC變換電路:汽車上傳統負載,如空調、雨刮器等,採用12V電壓,而電池輸出為48V甚至更高的電壓,需要大量的電壓轉化模塊(DC-DC)模塊進行電壓轉換。這其中就用到了更多的功率半導體和被動器件(變壓器等)。對電性能更高的要求:汽車內部電壓、電流大幅提高,需要耐大電壓、大電流的繼電器、連接器、線纜和被動器件,同時在防止漏電、短路等性能上也需要大幅提升。汽車電池電壓的變化帶來更多的電子零部件需求(功率半導體、被動器件);同時催生既有零部件升級更新的需求(繼電器、連接器、線纜、被動器件等),將有效打開汽車電子企業成長天花板。我們下一節將針對這些變化作詳細闡述:4. 新能源汽車電子化隱性增量——功率半導體量價齊升我們假設2016-2020年全球燃油車年產量由6963萬輛增長至7478萬輛,年均增速2%;新能源汽車(包括純電動和混動)由77萬輛增長至299萬輛,年均增速47%,考慮內部零部件電子化帶來的價值增量,我們判斷車用半導體、PCB、繼電器、連接器、被動器件、LED車燈的復合增速遠快於2%的汽車市場平均增速(見下表)。其中我們重點考慮車用半導體部分,以功率半導體增量最為顯著。我們認為傳統電子製造企業將深度受益於汽車新能源化帶來的電子零部件升級機遇。

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4.1. 功率半導體

4.1.1. 汽車用功率半導體——汽車電能轉換和控制的核心部件分立器件是重要的電子元器件,廣泛應用在計算機、通信、消費電子、汽車電子、工控等領域。目前全球分立器件的市場規模在200億美元左右,其中汽車領域占比約為42%,是最大的應用市場。分立器件按照產品類型來分,包括半導體二極管、三極管、MOS、整流器、以及保護和濾波器件等。功率半導體器件是電能轉換和控制的核心部件,設計成本小,通用性強,應用領域廣,發展空間大。隨著汽車電子、電信通訊等市場的飛速發展,分立器件仍有廣泛的應用前景和發展潛力。新的器件理論、新的器件結構將推動各種新型分立器件的發展。國際大型半導體公司仍在市場上處於優勢穩定地位,業務穩定。同時中國半導體產業保持著持續、快速、穩定的發展。

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汽車電子用分立器件主要集中在1)前裝汽車動力總成和驅動。汽車作為封閉系統,內部的電力輸出,需要通過功率器件的轉化做到,和車上機械系統進行配合使用,做到所謂「機電結合」。尤其在以電力驅動馬達的新能源汽車和混合動力汽車中,功率器件的重要性更為顯著突出2)後裝車載信息系統,是在汽車環境下能夠獨立使用的電子裝置,和汽車本身的性能並無直接關係,這類電子產品具體包括汽車信息系統(行車電腦)、導航系統、汽車音響及電視娛樂系統、車載通信系統、上網設備等。按產品分類,動力總成里的分立器件主要是MOS管,功率二極管,功率三極管等功率半導體器件,主要廠家包括英飛凌,Onsemi等。後裝用到的分立器件,以邏輯器件為主,還有接口部分的TVS管。前裝用到的功率半導體售價從幾美金到十幾美金不等,用量大概在幾十片的數量級。隨著新能源電動車電池動力模塊使用大量的電力設備,而電力設備中都含有功率半導體器件。因此新能源電動汽車中的功率半導體器件使用量大大增加。從傳統汽車跨越到新能源汽車,價值量增長最快的是功率半導體器件,以下我們將重點討論。

4.1.2. 新能源汽車帶來的功率半導體應用變化新能源汽車帶來的功率半導體量的變化汽車電子可分為動力控制系統、車載車身電子以及安全控制系統。車載電子包括車載信息系統、導航系統、上網設備和汽車音響等;車身電子包括汽車座椅系統、安全氣囊、車窗升降系統、雨刮器系統、車燈照明、汽車空調系統以及防盜系統;安全控制系統可分為主動安全系統和被動安全系統。新能源汽車和傳統汽車電子方面主要區別在於動力控制系統。傳統的燃油汽車動力控制系統包括電子點火系統、電子燃油噴射系統等;而新能源電動汽車則包括動力電池系統、驅動電機和電控系統。新能源電動汽車出現了重大變化,簡而言之,汽車將不再需要汽油發動機,油箱或變速器。決定電動汽車性能的關鍵部件是電動機,PCU(即逆變器,DC / DC轉換器)以及其他核心電氣部件。車內電氣部件的平均比例將會大幅上升。

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從電動動力系統的應用看汽車零部件的變化,我們注意到傳統的汽油車輛具有冷卻系統,燃料供應系統和冷卻/加熱系統的發動機布局。混合動力汽車具有汽油發動機車輛和混合動力車專用系統的組合,整個系統較為複雜。隨著這些車輛演變成電動車輛,則不再需要與發動機相關的部件。新能源電動汽車比汽油車和混合動力汽車具有更簡單的結構。4.1.3. 從「質」和「量」兩方面看新能源汽車為功率器件帶來的價值增量1)新能源汽車帶來的功率半導體量的變化新能源純電動汽車(EV)的動力系統需要使用可充電的電池驅動電機。電源模塊包含車載充電器、變頻器、轉換器等電力設備,而這些設備中全都包含功率半導體,例如:

  • 逆變器

    電動汽車配備有大容量可充電電池,其利用儲存的能量來驅動電動機並為汽車供電。 可充電電池不能直接連接到電機,它們通常通過電機逆變器連接,簡稱為逆變器。逆變器通常將DC12V的直流電轉換為和市電相同的AC220V交流電。

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  • 車載充電器

交流充電樁提供的是交流電(AC 100V-240V),而高壓鋰離子電池(LIB)需要用直流(DC)充電,因此充電器必須要有直流轉換器。車載充電器電壓範圍一般在85V-265V,這樣使得車輛可以在世界任何地方充電。在車載充電器中有大量的功率三極管作為功率開關器件使用。功率三極管包括了雙極型管,MOS管以及IGBT。

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2) 新能源汽車帶來的功率半導體質的變化不同新能源汽車電力系統的主要作用不同,中微混汽車的電力系統主要在空擋滑行時提供電動助力,而全混或者純電動汽車的電力系統主要功能則是提供電力驅動。一方面,由於電力系統的主要功能不同,不同新能源汽車電力系統的運行電壓功率的範圍差異巨大。中混汽車的電壓一般在150V以下,而全混合純電動汽車的電壓超過400V甚至更高。另一方面,不同功率半導體的工作電壓不同,IGBT適合高壓工作,而MOSFET適合低壓工作。在電力驅動系統中,IGBT用於逆變器模塊,該模塊將蓄電池的直流電轉換交流電驅動電機。在電源系統中,IGBT用於各種交流/直流與直流/直流變換器中,做到為蓄電池充電與完成所需電壓等級的電源變換等功能。同時,新能源汽車充電樁中也需要大量使用IGBT。因此,新能源汽車導致了汽車功率半導體種中IGBT/MOSFET的使用量越來越大,種類也越來越多。

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我們通過測算認為IGBT在新能源車中的價值量居功率器件之首。表征IGBT的參數和性能指標詳細列舉如下IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),又稱為絕緣柵雙極型晶體管,兼有傳統的金屬氧化物場效晶體管(MOSFET)與半導體三極管(BJT)的優點,輸入阻抗高,電流承載能力較強。而廣泛應用於高壓變流系統,如交流電機、電力傳輸、照明電路、牽引傳動等等。第五、六代部件是在IGBT經歷了多次技術革新後出現的先進產品,各項綜合指標提升十分明顯,尤其是第六代IGBT矽片用薄化晶片工藝將非穿通結構改為穿通型,承受工作電壓水平直接提高到6500V,在性能上出現了極大飛躍(實際產品中,第六代優值系數可高於第五代30%)。IGBT 器件在工作頻率在中壓、中電流的功率半導體器件的應用範圍內占據了主導地位,輸出功率可達到兆瓦級。近年來電動汽車產業的快速發展為電機控制器、輔助電源(DC/AC、DC/DC、充電機)等關鍵零部件行業提供了強大的市場需求,同時下遊產業鏈中核心器件——IGBT也迎來了良好的發展機遇。在車載零部件中,電機控制器將儲能系統的直流電逆變為三相交流電,並根據車輛需求控制驅動電機,為新能源汽車提供基本驅動力;同時在車輛制動時將動能轉換為電能至儲能系統,是主要的能量轉換器件。其不僅負荷較重、控制精度要求高,而且還要兼顧電動汽車的電壓等級、功率等級、極限環境、功率密度、使用壽命、控制成本等要求。針對電動汽車運行情況的需求,電動汽車的IGBT晶片正朝著小型化、抗震動、低損耗、耐高溫、更高安全性以及智能化方向發展。

國外先進企業如英飛凌、富士、三菱等均開發了新一代電動汽車 IGBT 晶片,目前IGBT產品汽車市場國產占有率仍然較低。株洲中車時代電氣已開發1700V~6500V系列IGBT產品,並在軌道交通、智能電網等領域做到商用,在此基礎上開發了T5代適合電動汽車應用的750V/200A、1200V/200A以及750V/300A規格雙面可焊的高性能IGBT晶片,目前處於國內領先水平。華虹宏力基於6英寸和8英寸的平面型和溝槽型1700V 、2500V 和3300V 的IGBT晶片已進入量產。國內IGBT的主要市場份額均被美、日、歐洲等海外企業所壟斷,總部位於浙江嘉興的斯達半導體(starpower)是大陸目前國內最大的IGBT模塊生產廠家,2016年斯達半導體在IGBT模塊領域的全球市場占有率為2.5%,排全球第9位。

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4.1.4. 汽車功率半導體價值量測算及各元器件空間測算我們根據全球行業數據推導因為新能源汽車帶來的半導體含矽量提升和相應功率半導體所占的比例來推導未來功率半導體在新能源汽車驅動下的市場規模。對比傳統汽車和新能源汽車(以Tesla為例)的含矽量以及功率半導體在車用半導體中所占比例來測算車載功率半導體的單車價值量提升,我們預計單車的價值量從71美元上升至355美元。

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從內燃機車輛到電動車輛的過渡(暫不考慮混合動力汽車)中,驅動系統中功率半導體的需求可增長十多倍。

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從單車的價值量推導新能源汽車帶來的功率半導體器件的市場增量,我們做出如下判斷,新能源汽車每賣出50萬輛,對於功率半導體器件的市場增量為1.5億美元。

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我們通過測算IGBT/MOSFET在新能源車里的單車價值量以及銷量推測未來3年可見範圍內的成長性非常顯著,同時其他分立器件也有穩定的增長,由此我們認為擴大半導體產業邊界的成長動能來之一來自於新能源汽車。

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4.1.5. 功率半導體市場基本被海外壟斷,國內企業替代空間廣闊雖然功率半導體產業極具重要性,且規模龐大,但是主要供應商集中在美國、日本和歐洲。美國是電力電子器件的發源地,在全球電力電子器件市場中占有重要地位,主要器件企業有ON Semi等。從上世紀90年代開始,日本成為國際上電力電子器件產業的發達地區,主要器件企業有東芝、富士和三菱等。歐洲也是全球電力電子器件產業的發達地區,主要企業有英飛凌、ABB、Semikron等。美國汽車製造商通常從日本汽車零部件供應商處採購。通用汽車由日立AMS和TDK供應零部件,而福特汽車則從東芝採購傳動相關零部件。就混合動力汽車而言,日本汽車製造商水平要高於美國,美國企業的策略是短期從日本供應商採購部件,同時在內部開發自己的部件,以逐步進行生產替代,這對國內汽車企業零部件國產替代化起到了良好示範作用。

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在日本的汽車製造商中,豐田汽車的所有這些零部件的內部生產比例都很高。本田汽車的傳動系統相關的部件內部生產比例很高,從外部採購電池和轉換器相關部件。日產汽車內部優先生產電機和逆變器,從日本國內供應商處採購其他部件。三菱汽車和馬自達汽車的核心部件主要從外部採購獲得。在歐洲的汽車製造商中,大眾汽車的外部零件採購比例較高,主要供應商為采埃孚(ZF)和博世(Bosch)。 TDK在為歐洲汽車製造商提供轉換器方面有著悠久的歷史,日本松下也有為其提供鋰離子電池的市場份額。日立AMS向美國和歐洲的汽車製造商提供電機和逆變器。作為混合動力汽車、插電式混合動力汽車和電動汽車的核心,驅動電機由豐田汽車,本田汽車和日產汽車等日本主要汽車製造商內部生產,而馬自達和富士重工從豐田汽車生產汽車。這些電子製造商也有供應日本國外汽車製造商的記錄:日立AMS供應通用汽車,東芝供應福特汽車,日本電產供應戴姆勒。日立和三菱電機作為一家重型電機製造商擁有悠久的電機生產歷史,並且在這一領域擁有出色的技術,但當前電機發展市場擴張速度較為謹慎。逆變器和變頻器有助於控制整個車輛的電壓。它們被稱為功率控制單元(PCU)。豐田汽車為其核心車型生產自己的PCU,對於普銳斯而言,要麼是公司自己生產IGBT、基板、機箱、DC-DC轉換器,要麼就由豐田代工。本田汽車為其混合動力汽車,插入式混合動力汽車和電動汽車的智能功率單元(IPU)組裝PCU,鎳氫電池,鋰離子電池組和電池平衡ECU。本田飛度的IPU包含外部採購的零件,如三菱電機的逆變器和TDK的DC-DC轉換器。本田汽車與三菱電機有很緊密的業務關係。逆變器是PCU和IPU中最重要的部分,由IGBT和其他功率器件組成。豐田、普銳斯使用由富士電機製造的逆變器。本田Insight系列採用三菱電機的逆變器,三菱iMiEV系列採用日立生產的逆變器。在DC-DC轉換器中,豐田工業和電裝供應豐田汽車。電裝和松下為日產汽車供應DC-DC轉換器。TDK,Shindengen Electric,豐田工業和電裝供應本田汽車。在電子產品製造商中,尼吉康為馬自達和三菱汽車提供DC-DC轉換器。除了供應本田汽車和其他日本汽車製造商之外,TDK似乎也有供應通用汽車、福特汽車和大眾汽車的記錄。混合動力汽車,插電式混合動力汽車和電動汽車用電池是由汽車製造商和電池製造商之間形成的多家合資企業採購的,旨在磨練其發展的競爭優勢。中國功率半導體市場在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上,主要份額依賴進口,基本被國外歐美、日本企業壟斷,國內企業替代空間非常廣闊。我們觀察到海外的優質半導體企業被國內資本收購並上市的方式是國內潛在發展功率半導體的一個快速途徑,我們看好聞泰科技收購的安世半導體依托中國市場進行國產替代成長的邏輯。

4.1.6. 國際領先汽車半導體方案提供商英飛凌英飛凌科技(Infineon Technologies)是汽車,工業晶片市場領先的半導體解決方案供應商之一。英飛凌的前身是西門子集團的半導體部門,於1999年分拆在德國慕尼黑正式成立,並於2000年在德國法蘭克福證券交易所(FSE)IPO上市。英飛凌現在專注於模擬與混合信號半導體的龍頭企業。英飛凌在全球擁有37000多名員工,英飛凌目前是全球汽車半導體組件的龍頭企業,市場占有率居於前三,同時也是全球功率半導體領先供應商。汽車電子業務是英飛凌的核心業務組成,英飛凌的汽車電子事業部(ATV)的產品涵蓋微控制器、射頻IC、傳感器、雷達以及功率半導體等組件。

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大陸市場一直是英飛凌近年來最重要的銷售市場,根據2017年年報顯示,英飛凌中國大陸地區收入為19.67億美元,占英飛凌收入的25%(2016年占比為24%)。隨後排名是德國,營收為12.41億美元,占15%(2016年占比15%),美國為8.1億美元,占10%(2016占比為10%),日本為5.25億美元,7%(2016年占比為6%)。英飛凌近年的股息分配也較為慷慨,一直穩步增長中,2016,2017財年是每股股息分別為22、25美分。

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英飛凌營收分業務占比分別是,汽車電子42%,電源管理及多元化市場31%,工業半導體份額為17%,智能卡晶片占比為10%,平均毛利率為37.1%,對比2016年上漲1.1個百分比。

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作為系統解決方案的領先供應商,英飛凌擁有豐富的產品組合,可用於輔助系統和智能駕駛。英飛凌的AURIX ™ 系列的微控制器確保了系統的可靠性。 在執行器層面,AURIX ™ 負責本地實時計算並發送命令。對於部分和全自動駕駛而言,最重要的要求之一就是系統即使在出現故障時也能可靠地工作。為了做到這一目標,英飛凌為這些應用提供ISO 26262認證的組件,通過與互聯網連接,可以為汽車提供越來越多的功能和服務。NXP恩智浦半導體(NXP)是一家註冊在荷蘭的上市公司,公司註冊地點在荷蘭埃因霍溫。恩智浦公司早年為飛利浦公司的半導體部門,受半導體周期性拖累影響,營收利潤波動較大,飛利浦公司轉型醫療健康後,將半導體部門整體出售給KKR集團,並於2010年8月5號在納斯達克掛牌上市,首次公開發行3400萬普通股。2015年3月,恩智浦宣布公司和飛思卡爾公司合併,合併與15年12月完成,恩智浦視為會計收購方,飛思卡爾每一流通股轉換成0.3521股恩智浦股票及6.25美元現金。2015年,NXP以110多億美元價格收購飛思卡爾公司後,其超越英飛凌、瑞薩等公司,成為全球汽車電子半導體第一大企業,合併公司在汽車電子領域,微控制器和安全半導體解決方案方面一舉成為市場的主管者。恩智浦公司提供全球領先的高性能混合信號(HPMS)和標準產品(SP)解決方案,公司在加密安全、高速接口及射頻領域有著顯著的專利優勢。產品解決方案主要應用於汽車電子、個人安全識別、移動通信、工業、消費電子等行業。根據2017年年報顯示,恩智浦2017年全年營業收入為92.6億美元,受標準產品業務剝離的影響,同比下降3%(2016年營收為94.98億美元),恩智浦在汽車(15%CAGR)和安全(12%CAGR)市場的強勢定位為恩智浦公司提供了長期的可持續增長,從而抵消了通信基礎設施方面的近期擔憂以及智慧型手機市場增長的乏力。

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HPMS主要由以下四條業務線組成:汽車、安全識別、安全連接及安全接口基礎設施。每輛汽車的含矽量的增長帶動了公司產品的需求量的大幅提升,主要包括高級驅動程序輔助系統(ADAS)。車載網路和電動動力系統,信息娛樂等,隨著汽車電子的不斷深入發展,汽車安全功能正從被動安全系統發展到帶有ADAS的主動安全系統,如雷達、視覺、車對基礎設施(V2X)系統等,發達市場和消費者需求能有效推動ADAS,安全連接,電子安全設備等應用的增長。2017年恩智浦HPMS客戶數量超過25000家,第一大客戶份額僅為10%。體現出廣泛的市場影響度。

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在汽車娛樂方面,恩智浦也是市場的領先者,擁有廣泛的產品組合,可滿足音頻和視頻多種類型應用的需求,在車載網路市場,恩智浦參與設定了車載網路標準(包括CAN,LIN和汽車以太網標準等)恩智浦是全球最大的小信號分立器件供應商,銷售居全球首位,恩智浦投入建設的小信號MOSFET產品線,大部分收入也來自於汽車客戶。作為該領域的頭號主管者,我們相信NXP有能力從汽車行業的長期發展機遇中受益。

5. 投資建議我們建議重點功率半導體在國內的產業鏈變革。我們看好國內企業通過已收購回來的海外優質汽車半導體資產並進行國產替代,打開成長空間的邏輯。從目前的進度看,國內的聞泰科技有望憑借成功的資本運作和成本管理能力率先獲得成功,預計未來國內將出現自己的頂級汽車功率半導體企業。

投資建議:汽車功率半導體領域首推聞泰科技(擬收購安世半導體),關注功率器件領域:揚傑科技,捷捷微電,華虹半導體.

本文綜合整理自天風證券、ittbank

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