1、电容器及薄膜电容器行业概述
(1)电容器简介
电容器是三大被动电子元器件之一,是电子线路中必不可少的基础元件。电容器通过静电的形式储存和释放电能,在两极导电物质间以介质隔离,并将电能储存其间。电容器的主要作用为电荷储存、交流滤波或者旁路、切断或阻止直流电压、提供调谐及振荡等,广泛应用于电路中的隔直通交、耦合、旁路、滤波、 调谐回路、能量转换、控制等方面。
电容器根据电介质的不同主要分为陶瓷电容器、铝电解电容器、钽电解电容 器、薄膜电容器四大类。
相较于陶瓷电容和电解电容,薄膜电容器在高性能、安全性、自愈性等方面具有优势,具体如下:
1、高性能方面:更低的频率损耗,介质吸收效应更小,更高的电容精度,无直流偏压损耗,无压电效应;
2、安全性能方面:受外加电压、频率及环境温度变化的影响较小、稳定性较高、耐机械应力冲击,不易被外部热和机械应力而损坏;
3、自愈性方面:金属化薄膜电容器由于其真空金属镀层是通过真空蒸发的方法将金属沉积在薄膜上,在高压环境下发生电击穿时,电容器电器性能可瞬间局部开路并恢复电路正常,而其他电容等则会发生短路。
上述优势使得薄膜电容器得以广泛应用于高频率、高电压的转换电路中,例如:整流器、逆变器、变频器,在新能源车、光伏、储能等新兴领域广泛应用并逐步替代电解电容器。
(2)薄膜电容器简介
① 薄膜电容器分类
薄膜电容器是以金属箔或金属化薄膜当电极,以塑料薄膜为电介质,通过卷绕工艺制成的电容器。
根据电极形成方式的不同,薄膜电容器可以分为箔式薄膜电容器和金属化薄膜电容器。箔式薄膜电容器以金属箔作为电极,而金属化薄膜电容器是在聚酯薄膜的表面蒸镀一层金属膜代替金属箔作为电极。由于金属化膜层的厚度远小于金属箔的厚度,新能源汽车和风/光发电、储能逆变器的电容器薄膜厚度一般在 3 微米左右,约为头发丝直径的二十分之一,因此卷绕后体积也比金属箔式电容体积小很多。
根据塑料薄膜材质的不同,薄膜电容器可分为聚乙酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。以前通常使用小型、廉价的聚乙酯(PET) 作为通用材料,但聚丙烯(PP)电介质具有高频特性(低 ESR)、高安全性和耐高温高湿的特点,随着薄膜电容小型化技术的发展,聚丙烯(PP)越来越被广泛使用。
2、薄膜电容器行业发展概况
(1)薄膜电容器市场规模
近年来,随着电力电子技术的不断发展,薄膜电容器的应用领域逐渐从工控、照明和家电等领域,向新能源汽车、风/光发电、储能等新能源应用领域扩展。随着光伏发电和新能源汽车产业的持续壮大,预计未来新能源应用领域将成为薄膜电容器需求的主要推动因素,也将带动上游薄膜电容器设备需求继续增加。
根据 ResearchandMarkets 及西南证券研究数据,全球薄膜电容器 2020 年市场规模为146.37亿元,预计到2025年可达263亿元,复合年均增长率为12.43%。
(2)薄膜电容器的主要应用领域
①新能源汽车领域
薄膜电容器广泛应用于新能源车电驱系统和电源系统(DC/DC、OBC、电源总成)中。电驱系统是新能源汽车行驶中的主要执行机构,其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标,是新能源汽车的核心部件,薄膜电容器在电驱系统中最主要的应用是驱动用逆变器。
薄膜电容器是驱动逆变器首选。逆变器将电池的直流电通过转换器转换成变动较小的电压,再通过 IGBT 开关元件转换成近似于交流电的矩形波,由此产生的浪涌电压很大,需要采用平滑电容器消除。
由于薄膜电容相比铝电解电容器在安全性、耐压能力、使用寿命等特点上明显优于铝电解电容器,同时超薄膜的技术应用以及安全膜蒸镀技术、高速卷绕技术的出现,使得薄膜电容器的体积越来越小,安全性能逐步提升,成本也越来越低,从而使得薄膜电容成为新能源汽车驱动电路中电容的首选。
DC/DC 变换器是将动力电池输出的高压直流电转化成 12V、24V、48V 等低压直流电,为车灯、空调、音响等车载低压用电设备和各类控制器提供电能。OBC 车载充电机是安装在新能源汽车上的充电机,将交流电转化为动力电池可以使用的直流电压,对新能源汽车的动力电池进行充电,或者将新能源汽车的电池对外供电。
近年来,随着相关技术日臻成熟、各国政策大力支持以及配套设施的不断完善,全球新能源车市场持续增长。根据 EVVOLUMES 数据,2021 年全球新能源车销量为 675 万辆,2015 年到 2021 年年均复合增长率为 52.03%。
新能源汽车产业作为国家战略性新兴产业,我国政府一直大力推动其发展,2015 年以来,我国新能源汽车产销量、保有量一直居于世界前列。根据中国汽车工业协会统计,2022 年我国新能源汽车销量为 688.7 万辆,2015 年到 2022 年年均复合增长率为 54.28%。全球新能源汽车产业正迎来新一轮的技术革命和产业变革,未来新能源汽车需求预计将持续增长。
据国信证券预测,到 2025 年,中国新能源汽车销量将达到约 1,300 万辆,2020-2025 年复合增长率将达 56.90%。薄膜电容器作为新能源汽车电驱系统中的重要组成部分,将依托新能源汽车市场的高速发展迎来新的增长点。
②新能源发电领域
光伏发电主要由太阳能电池组件、控制器和逆变器三大部分组成,薄膜电容器主要应用在光伏逆变器中;风能发电中,薄膜电容器主要应用于风电变流器。薄膜电容器通过吸收光伏逆变器和风力变流器 DC-Link 端的高脉冲电流,使逆变器和变流器端的电压维持在稳定范围内。
在碳中和的背景下,全球各个国家逐步加大对新能源发电的研究和应用,光伏和风电的装机量持续提升。
根据历年国民经济和社会发展统计公报的数据,全国光伏累计装机容量由2015 年的 43.18GW 增加至 2022 年的 392.61GW,复合增长率为 37.07%;根据IEA PVPS 的数据,全球光伏累计装机容量由 2015 年的 228GW 增加至 2022 年的 1,182GW,复合增长率为 26.50%。从全球光伏市场来看,未来 5 年全球光伏市场将进入快速攀升通道,并迎来较长时间的持续发展机遇。
根据历年国民经济和社会发展统计公报的数据,全国风电累计装机容量由2015 年的 129.34GW 增加至 2022 年的 365.44GW,复合增长率为 16.00%;根据GWEC 的数据,全球风电累计装机容量由 2015 年的 433GW 增加至 2022 年的906GW,复合增长率为 11.12%。
随着光伏及风电新增装机量需求的持续增长以及运营阶段对光伏逆变器和风电变流器的更换需求,薄膜电容器的需求量将持续增长。
③储能领域
受自然环境的影响,光伏、风电等新能源发电会呈现间歇性、随机性和波动性等特点,增大了电网调峰难度,给电网稳定性带来了冲击,因此,需要储能系统来平抑、消纳和平滑新能源的发电输出。薄膜电容器主要应用于储能变流器中,储能装机量的持续提升将有效推进储能变流器的需求扩张,并进一步推动薄膜电容器的需求。
④输变电行业
输变电行业关系到国计民生,属于我国国民经济的基础行业,受到国家产业政策的大力支持。近年来,中央有关部门相继出台了一系列配套政策支持电力电网建设,如《2021 年能源工作指导意见》《国家电网有限公司 2020 年重点工作任务》《关于加快推进一批输变电重点工程规划建设工作的通知》《中国智造 2025能源装备实施方案》等产业政策,有力地推进了配电网建设和智能电网的快速发展。
根据 WIND 数据库统计,近年来,我国电网投资额持续保持高位,2022 年,我国电力投资达到 5,012 亿元,同比增长 5.96%。“十四五”期间国家电网年均投资金额有望保持在 5,000 亿元。
⑤家电及工业控制领域
家电市场方面,空调、冰箱等家电变频率提升推动薄膜电容需求稳定增长。以空调为例,空调中薄膜电容主要应用于电机启动和其它电路控制部分,变频空调渗透率提升将有效带动单机薄膜电容用量增加,根据奥维云网数据,空调线上、线下市场中,变频空调市场份额均已超过 90%。家电产量方面,2022 年我国冰箱、空调产量稳定在 8,500 万台、22,000 万台左右,市场需求稳定。
工控市场方面,“新基建”建设升级将为薄膜电容带来稳定市场需求。由于薄膜电容器能承受较大的纹波电流,耐温高,有自愈性,因此在交流电力系统和工业企业中广泛用于无功补偿、谐波滤波和串联补偿,在直流输电换流站中大量用于滤波和补偿,具有减少输电线路能量损耗、改善电能质量和提高设备利用率的重要作用。未来 5G 基站、轨道交通、新能源汽车充电桩等“新基建”的升级建设也将为薄膜电容带来稳定的市场需求。