超级电容卡位AIDC电源中毫秒级-秒级大功率脉冲空档,同时具备备电功能,随着800VDC架构落地逐步成为标配,机柜单瓦超容搭载量通胀,渗透率快速抬升。由于技术/认证壁垒较高,供给侧名义产能虽然看起来较多,但大容量有效产能紧缺,我们预期27-28年行业有望迎来供给紧缺周期
Abstract
摘要
配置原理决定单瓦通胀,单路冗余及秒级备电共同抬升单柜用量。800VDC架构落地,超级电容逐步由选配走向标配。超级电容既承担毫秒级大功率脉冲的快速响应,也提供秒级短时备电:毫秒级需求主要由峰值功率缺口、耐流、压降等共同决定;秒级备电进一步受能量缺口与补偿时长约束。随着AI机柜功率提升、波动幅度加大及备电冗余要求提高,串联数与并联数同步增加,推动单瓦搭载量持续通胀。我们测算GB300至Vera Rubin单千瓦对应超级电容颗数由1.52提升至4.36颗,2026-2028年AIDC超容需求量约2,177/10,796/24,481万颗,对应市场空间43.54/194.34/396.59亿元。
有效供给受技术/认证/产能三重约束,供给紧缺周期开启。超级电容名义产能与有效产能存在明显差异,大容量产品在低内阻、高温寿命、一致性及长期可靠性等方面门槛较高,同时客户认证、产线建设及良率爬坡均限制供给释放。LIC短期新增产能有限,EDLC虽具备扩产弹性,但大容量产品仍存在较长生产及验证周期,我们判断需求快速增长下,27-28年大容量超级电容有效产能将趋于紧缺,需求中性情况下供给缺口约为5,096/12,981万颗,具备产能和客户壁垒的龙头有望实现量价齐升。
风险
AI资本开支及机柜出货节奏不及预期,技术变动风险,关键上游材料价格波动,贸易政策风险。
Text
正文
超级电容:介于传统电容与锂离子电池之间的功率型储能器件,AIDC打开行业新增量
百毫秒至秒级瞬态功率缺口凸显:超级电容为大功率缓冲首选
单一器件难以适配全部场景,电容分层配置实现不同功能。AIDC负荷侧变化使电源系统面对从纳秒级到分钟级的梯度功率波动。从响应时间由快到慢看,AIDC供电链路大致可分为五类功率缺口,每一层缺口都有其特定的频段特征和器件适配要求,单一器件难以覆盖全部场景,电源系统需按照响应时间进行分层配置。
► 毫秒级至秒级机柜大功率同步脉冲缺口:超级电容可填补功率空档。GPU集群同步运行时,整柜乃至多柜负载集中跃升,形成毫秒级至秒级大功率脉冲需求。受控制环路响应速度限制,PSU、HVDC及上游供电无法瞬时跟随负载,母线表现为电流骤增与电压下探,要求器件在极短时间内快速吞吐大功率并耐受频繁循环。超级电容响应快、功率密度高、循环寿命长,可部署于机柜或直流母线侧:负载上升时快速放电、补充瞬时功率并稳定母线电压,负载回落时吸收多余能量,再由上游电源完成补能,从而填补传统电容与电池之间的毫秒级至秒级高功率缓冲空档。
图表1:AIDC供电链路多时间尺度功率扰动及对应关键器件[1]

资料来源:TDK官网,AICtech官网,施耐德电气博客,中金公司研究部
图表2:平滑AI机柜毫秒级功率波动的硬件方案对比

资料来源:Oxford Academic,ODE技术报告,中金公司研究部
超级电容工程落地主要分为CBU 机柜内置、Sidecar 独立边柜两类形态,二者同属机柜级储能。核心承担 GPU 毫秒秒级功率削峰,同时具备秒级短时桥接备电能力;系统内锂电池 BBU(电池备份单元)作为配套储能单元,和超级电容形成分工配合,二者配套解决方案逻辑清晰:CBU 柜内 BBU 适合中高功率机柜,架构简单、布线改动小;Sidecar(集成超级电容 BBU)面向 600kW 以上超高功率机柜,完成电源、储能整体外移。超级电容只做瞬时缓冲,不替代 BBU 的长时间备电功能。场站级超级电容集中部署于机房 UPS 侧,仅实现整站桥接,无法响应机柜内部GPU毫秒级功率扰动,新一代AIDC少采用。
► CBU(机柜内置):为英伟达 800V DC 架构原生方案,超级电容储能托盘部署在 AI 算力机柜内部,供电路径短、阻抗低、响应速度最优,但会占用机柜 U 位空间,发热留存于算力柜内。与之配套的 BBU 模块同样可内置在算力机柜内部,锂电池 BBU 负责秒分钟级断电备电,市电中断时支撑数据保存与服务器安全关机;CBU 与 BBU 柜内并联协同,超级电容承接高频瞬时尖峰,减少锂电池频繁脉冲充放电,延长 BBU 使用寿命。
► Sidecar (边柜方案):将整流配电、超级电容模块统一集成至算力机柜旁的独立电源边柜,实现算力负载与储能单元热解耦,释放 IT 机柜内部空间,适配超高功率 AI 机柜;BBU 电池单元也可一并部署在 Sidecar 边柜内部,不再占用算力机柜空间。该方案需要配套设计 800V 高压直流互联线缆、直流保护器件,当前处于样机与小批量试点,属于下一代演进路线。
图表3:AIDC供配电链路中各类电容器的部署位置与功能分工[2]

资料来源:Analog Devices《MT-101 Decoupling Techniques》,AICtech官网,中金公司研究部
官方标配信号逐步清晰:800VDC明确超级电容使用
AIDC产业链各环节围绕机架级平抑功率尖峰的需求信号正逐层强化,超级电容作为潜在核心方案定位逐步清晰。
(1)英伟达:800VDC开始明确超级电容使用。从GB200未明确用电容,到GB300、VeraRubin明确引入更大容量电容以削峰填谷。作为未来趋势的800VDC架构下明确了超级电容部署,负责短时储能,需求趋势明确向上[3]。
(2)CSP:潜在需求广泛,路径处于规划与备选阶段。谷歌、微软、Meta、甲骨文、亚马逊均已在官方报道中确认AI数据中心单机架功耗抬升[4],以及电源系统升级的相关规划,但未明确使用超级电容。其中微软和Meta早期补充电源类专利中应用过超级电容,证明超级电容可能作为重要备选方案[5]。
(3)电源厂:新品端落地信号逐步清晰。伟创力、台达电子、麦格米特在其新一代电源架产品中,明确包含超级电容组件,具体路径包括LIC/HSC等[6];光宝科技和维谛提到未来电源系统中高负载功率波动问题,显示超级电容的潜在应用场景,光宝在其800V新方案中明确了大容量电容[7]。
(4)ODM:提到大容量电容落地。ODM厂商对电源系统的相关表述较少,和硕和英业达在VeraRubin中采用额外的大容量电容,未明确超级电容[8]。
图表4:各官方大厂对超级电容的需求和定义情况

资料来源:各公司官网,中金公司研究部
从单机柜配置原理讲需求测算:超级电容功能不仅在于功率响应,还提供了一部分备电
从原理讲单机柜用量测算:单支串联颗数×最小并联支数
从底层原理角度讲,进行超级电容配置需要考虑四个方面:1、电压需求;2、支路电流需求;3、压降校验;4、检测校核。
基于百毫秒级别补偿缺口测算显示,GB300之后新架构的超级电容单机柜用量显著抬升
(1)第一步计算单支路所需串联数。根据英伟达GTC,GB300/VeraRubin两架构额定电压均为54V[9],英伟达AI时代的电源架构相关文章披露,RubinUltra将明确引入800VDC[10]。结合主流EDLC厂商代表性产品参数,超级电容单个电容电压为3V[11],因此在三架构相应母线电压下,单支路需要串联18/267/267颗。
(2)第二步进行硬件耐流测算。需要用峰值时的功率缺口,计算此时超级电容模组需要流出的总电流,除以单个电容电流上限,得到最小并联支路数。计算功率缺口需要单机柜额定功率与瞬时波动幅度。除了单机柜额定功率带来的基数提高,峰值功率与稳态功率相比的峰值倍数也有所差异,导致新一代RubinUltra的瞬时功率波动幅度显著提高。计算得到三架构功率缺口分别为,除以三架构的最低压,计算出最大峰值电流。同样参考Maxwell产品参数,得到其电流上限为140A[12],得到其最少并联支路数为10/1/2个。
(3)第三步进行压降校核。结合电容参数和单支路串联数,计算出极端老化情况下的单支路总电阻,结合机柜电压变化计算出阻性压降,得到最少并联支路数为3/1/2个。
(4)第四步进行能量校核。根据电容储能差公式,由单支路电容量和母线压差,可计算出单支路的可用储能。而整机柜峰值时的能量缺口,由功率缺口和补偿最大时长乘积得到。因此,用计算出的能量缺口除以单支路可用储能,得到最少并联支路数为1/1/1个。
理论测算显示,GB300之后新架构的超级电容单机柜与单千瓦用量显著抬升。并联支路数取最大下限,乘以单支路串联数,最终得GB300/VeraRubin/RubinUltra三架构整机超级电容的最小理论颗数分别为180/267/533颗;用各机柜的稳态功率除以理论最小超级电容数,得到每千瓦用量为1.27/1.21/0.89颗。
图表5:超级电容四代平台需求量测算(仅补偿毫秒级缺口)

资料来源:各公司官网,HPE Quick Specs,Texas Instrument,KYOCERA,中金公司研究部
实际应用中超级电容系统可同时承担瞬时功率波动补偿与短时过渡备用储能职能,设计阶段需充分预留冗余,单柜使用数量可达2倍以上。上述容量理论测算建立在已确定采用超级电容方案的前提之上,在额定电压、电流约束下完成定量计算,但方案选型的核心前提是系统整体能量需求:该能量需求既包含毫秒级瞬时功率补偿所需能量,同时覆盖短时应急过渡储能的能量供给需求。仅依靠峰值功率指标无法判定是否适合采用超级电容,需综合全部工况下总能量需求完成取舍;确定选用超级电容后,再开展模组容量、串并联结构的定量计算。基于VeraRubin800V架构,我们针对超容配置量开展峰值倍率冗余、最大补偿时长敏感性测算,结果显示超容实际装机规模对两项指标均具备较高敏感度;在工程落地中,冗余余量、短时备电支撑时长,均是界定超级电容需求规模的关键要素。
图表6:补偿最大时长/峰值倍率对VeraRubin800V架构整机用量的敏感性分析

资料来源:中金公司研究部
从GB300到RubinUltra平台迭代,机柜单位IT功耗对应的超级电容搭载量大概率上行
800V高压直流架构是超容用量上行的底层核心驱动。传统低压供电架构下,超级电容多为选配备电部件,应用场景有限;RubinUltra全面切换800V高压母线,超容直接并联母线,为匹配800V额定电压,超容单体串联数量从低压时代的十余颗跃升至三百颗量级,叠加耐压冗余、均压管理、故障备份支路,BMS、绝缘、结构件等配套系统价值量同步抬升,共同推高单瓦对应的超容系统投入。
新一代平台供电与备电冗余标准全面升级,进一步拉高配置阈值。相较于GB300,RubinUltra高密度AI机柜负载特性更趋极端:多卡同步训练产生毫秒级大幅功率尖峰,大模型海量缓存对断电数据安全要求更高。加码冗余后一是峰值功率冗余倍率显著高于行业最低规范,预留更大尖峰缓冲空间;二是断电hold-up补偿时长标准上调,保障数据安全落盘与设备有序关机。双重冗余升级直接推高超容所需总储能容量。另外超容长期在高温和高电压下运行时,容量会逐步衰减、ESR逐步上升,散热设计也会显著影响最终颗数。
图表7:超级电容需求量测算(兼具一定备电储能功能)

资料来源:各公司官网,HPE Quick Specs,Texas Instrument,KYOCERA,中金公司研究部
市场空间:中性预期27/28年3.0V/142A/3000F超级电容需求在10,796/24,481万颗,对应市场空间为194.34/396.59亿元
我们采用自下而上的机柜口径测算超级电容在AI数据中心的需求,核心公式为:需求量=新增机柜总功耗×单瓦所需超级电容颗数×渗透率×单价。其中,新增机柜功耗分CSP厂商和型号,拆为AI机柜出货量×单机柜功耗。
图表8:AIDC超级电容总需求量测算

资料来源:各公司公告,中金公司研究部
电源侧与负荷侧多重对冲机制能小幅压减超容需求,但整体空间有限。 存在一类潜在对冲逻辑:依托电源侧硬件升级叠加负荷侧调度优化,平滑GPU功率尖峰、减小母线波动,以此降低超级电容配置规模。包括电源侧方案及负荷侧方案,例如可通过GPU功率爬坡管控、集群功率包络限制、芯片DVFS等方式抑制峰值。但各类方案均存在天然约束:主动功率调控存在环路时延,无法应对微秒级突发芯片脉冲负载;算力SLA限制负荷侧的削峰上限;有源电力设备依赖市电输入,市电失电瞬间,母线电压快速跌落的短时缓冲仍需超级电容承担。因此,电源侧与负荷侧的多重对冲机制,仅能边际优化超容配置规模,远不足以抵消800V架构升级、冗余标准加码带来的增量需求。
超容供给端:EDLC成为供给弹性来源,大容量电容有效产能存在较大缺口
当前超级电容的主要技术路线EDLC(双电层电容器)和LIC(锂离子电容器)。从电极结构看,EDLC采用对称式结构,正负极通常均以高比表面积多孔电容炭作为主要活性材料;LIC采用非对称混合结构,正极通常沿用电容炭,负极采用经过预嵌锂处理的石墨、硬碳等可嵌锂碳材料,因此兼具电容型电极和电池型电极的特征[13]。
EDLC与LIC均可满足AIDC短时功率支撑需求,实际应用中综合多种要素进行评估。从器件性能来看:LIC优势在于能量密度与系统集成效率更高;EDLC则功率密度突出、等效内阻更低。参照公开超级电容器参数对比:LIC拥有更高单体工作电压与能量密度。在同等储能指标要求下,所需单体数量更少,能够有效压缩模组整体体积,同时减少接线支路、均压回路与状态监测点位。与之相对,EDLC能量密度偏低,但凭借低内阻、高功率密度特性,更加适配高频次、极短时长大电流削峰应用场景。功能层面,两类器件均可实现快速充放电、高功率输出,均能够承担AIDC负载削峰任务。从成本上看结合我们调研数据分析,武藏LIC单体单价300元以上,大幅高于国产300F等级EDLC单体(30\~40元)。以SkeletonSCA0300EVO(EDLC)[14]和武藏CPQ3300SD(LIC)[15]对标测算:实现同等储能量大约需要12颗SCA0300EVO,电芯总体积0.64L,是单颗CPQ3300SD体积的2.9倍。电芯数量、体积提升会额外增加连接件、均压管理、监测电路与散热设计成本。叠加LIC循环寿命相对更短的短板,系统集成费用与全生命周期运维成本将进一步上行;同时还需要统筹BBU配套适配等工程问题。综上,我们认为在EDLC与LIC之间选型,需要对性能、初始投资、系统集成复杂度、运维成本、配套设备兼容性等多重因素综合评估。
图表9:不同储能器件的能量密度与功率密度对比

注:横轴为功率密度(W/kg),纵轴为能量密度(Wh/kg);FuelCell、LIB、Ni-MH、Lead-Acid、LIC、EDLC分别指燃料电池、锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电容器和双电层电容器。
资料来源:Musashi官网,中金公司研究部
供需缺口:大容量电容产能释放有限,27-28年有效产能紧缺
我们的超级电容供需缺口测算采用总产能—AIDC有效供给—参数折算—需求匹配的测算框架。首先,根据各超容厂商已披露的扩产规划,梳理未来各年份理论产能;其次在理论产能基础上,进一步考虑超级电容在不同下游领域的分配情况,剔除传统工业、电网、轨交等其他应用需求,并结合产线良率、产能爬坡速度以及AIDC客户导入节奏,测算实际可用于AI数据中心场景的有效产量。最后,由于不同厂商电芯规格存在差异,需求端按照3.0V/142A/3000F的大容量超容单体进行测算,并通过供给系数对各厂商不同容量、参数及大规格产品放量速度进行折算。
产能规划:我们预计27-28年超级电容产能约为16,610/18,610万颗。
AIDC有效产量:我们预计27-28年超级电容AIDC有效产能约为10,780/15,360万颗。剔除其他下游所需量、良率及产能爬坡进度综合测算,即便部分厂商可用于AIDC下游的偏少,但依然按照其他产线转移顺利乐观测算。
供给系数:考虑到参数差异及各厂商大容量上量速度进行参数匹配测算,折算得27-28年有效产能为5,700/11,500万颗。需求测算中我们采用3.0V/142A/3000F规格,日本武藏因LIC产品容量较大、规格匹配度较高,按照1.1倍折算;思源电气、江海股份具备成熟大容量EDLC技术,随着AIDC客户导入及产能爬坡,供给系数由0.5逐步提升至1.0;Skeleton虽具备领先超容技术,但受限于AIDC适配及产能释放节奏,按照0.3-0.7逐步提升;其他厂商由于产品规格偏传统、AIDC适配度较低,统一按照相对较低参数测算。
根据我们测算,2027-2028年有效产能预计紧缺,供需缺口较大。基于3.0V/142A/3000F的电容规格下的需求测算,中性情况我们预计2027/2028年供给缺口约为5,096/12,981万颗。
我们预计28年缺口在悲观/中性/乐观预期下为4,949/11,500/24,426万颗。对比三种情形,可以看到三种情形全程紧缺,最保守情境下供需缺口率仍有27%,且缺口在2027年均出现跳升,反映未来紧缺是行业确定性特征而非仅仅情景假设。虽然EDLC国内企业产能扩张的理论时间只有半年到一年,但是有效产能预计仍然短缺的原因:(1)3000F级别大容量电容产能上量速度较慢,需要长时间的研发;(2)超级电容成熟产线调试需要时间,初期良率较低;(3)EDLC生产设备厂商供给短缺。
图表10:全球超级电容需求乐观/悲观情况下供需缺口



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