圖源:adobestock/sdecoret

 

在可持續發展情景下,電動汽車(EV)在減少碳排放以及應對氣候變化方面發揮著關鍵作用。來自國際能源署的數據,2019年,所有電動汽車加起來,全球每天將避免消耗近60萬桶石油。目前,全球電動汽車庫存(不包括兩輪/三輪)以每年36%的速度增長,預計2030年將達到2.45億輛,是目前的30多倍。依照既定政策,到2030年,電動汽車的溫室氣體排放量比同等數量的燃油汽車減少了近一半。

 

從市場方面來看,中國一直是全球Z大的電動汽車市場,約占2019年全球電動汽車銷量的一半,超過了100萬輛。根據工信部數據,2021年1月,中國新能源汽車發展明顯提速,產銷分別完成19.4萬輛和17.9萬輛,同比分別增長285.8%和238.5%。分車型看,純電動汽車產銷分別完成16.6萬輛和15.1萬輛,同比分別增長366.6%和287.8%。

 

 

 

圖1:2017--2021年月度新能源汽車銷量及同比變化情況(圖源:工信部)

 

在這些亮眼的市場數據背后,我們也注意到:Z近兩年,相比之前的大踏步前進,全球電動汽車市場的增速下滑明顯。比如2019年,全球電動汽車銷量為210萬輛,同比增長僅為6%,低于2016年以來至少30%以上的增速。仔細分析后我們認為主要有以下三個原因:

 

1、汽車市場整體萎縮

2019年,許多主要國家的乘用車總銷量都很低迷,中國和印度等快速增長的各類汽車市場在2019年的銷量均低于2018年。在此背景下,雖然電動汽車對汽車市場的增長起到了刺激作用,但在銷量上還是受到了較大影響。

 

2、重點市場采購補貼大幅減少

中國在2019年削減了大約一半的電動汽車購買補貼。美國聯邦稅收抵免計劃對通用汽車和特斯拉(Tesla)等主要電動汽車制造商的稅收抵免額度也已達到規定的20萬輛。

 

這個因素致使2019年下半年中國電動汽車銷量大幅下降,美國全年銷量也下降了10%。由于全球90%的電動汽車銷售集中在中國、歐洲和美國,必然拖累了全球電動汽車的總銷量。

 

3、消費者對車輛技術改進以及新車型的期望值顯著增加

如今,電動汽車市場的消費者正在從早期的“嘗鮮”轉變為普通的使用者,他們對電動汽車技術和車輛性能有了更加深刻的理解,在車輛的選型上也更加理智,功能設計成為差異化競爭的關鍵。那些采用突破性技術的全新電動汽車車型,更能刺激消費者的購買欲。

 

如果一款電動汽車在電池性能、駕乘體驗等方面沒有出色的表現,將很難贏得消費者的青睞。相比車型豐富的傳統燃油車,在各方面表現均非常出色的電動汽車在市場上并不多見,拉低了消費者的購買欲望。

 

Part 1 電動汽車中的關鍵技術

在眾多的電動汽車話題中,為什么今天我們要重點討論這個問題呢?從上述第三個原因可以看出,現今的電動汽車要想取得市場突破,在性能和駕乘體驗方面一D要有亮點。因此,OEM和Tier1必須在車輛的技術領先性上下足功夫。綜合來看,在車輛三級模塊體系和平臺架構中,電動汽車中存在三大核心技術,即整車控制器(Vehicle Control Unit,VCU)、電機控制器(Motor Control Unit,MCU)和電池管理系統(Battery Management System,BMS),它們的性能對整車的動力性、經濟性、可靠性和安全性等方面有著重要影響。

 

整車控制器(VCU)

VCU是電動汽車控制系統Z核心的部件,承擔了數據交換、安全管理、駕駛員意圖解釋、能量流管理等任務,這個模塊只有電動汽車才會配備,燃油車并不需要該裝置。VCU由外殼、硬件電路、底層軟件和應用軟件構成,其中,硬件電路、底層軟件和應用軟件是VCU的關鍵核心技術。VCU的硬件電路涉及16/32位主處理器、電源、存儲器、CAN等標準化產品,另有VCU專用電路如各種傳感器等。隨著車規級處理器技術的進步,VCU逐步從16位向32位處理器過渡。

 

現在,32位處理器是電動汽車行業的主流產品。底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式系統架構為標準,支持電動汽車不同的控制系統。駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式切換、轉矩分配以及故障診斷策略等是應用層的關鍵技術,它們對車輛動力性、經濟性和可靠性等均有重要影響。

 

電機控制器(MCU)

MCU是電動汽車特有的核心功率電子單元,通過接收VCU的車輛行駛控制指令,控制電機輸出指定的扭矩和轉速,驅動車輛行駛。此外,MCU還具有電機系統故障診斷保護和存儲功能。

 

MCU由外殼及冷卻系統、功率電子單元、控制電路、底層軟件和控制算法軟件組成。MCU硬件電路的核心模塊與VCU共享平臺,其關鍵技術包括32位高性能雙核主處理器、車規級IGBT模塊、定制薄膜母線電容等。軟件系統同樣是基于AutoSAR架構平臺軟件。

 

電池管理系統(BMS)

電池包及電池管理系統(BMS)。提到電動汽車,就不得不討論電池技術。電池包為整車提供驅動電能,電池的容量對電動汽車的續航里程而言非常重要。然而,近幾年電池技術的進步極其緩慢,鋰離子技術似乎出現了停滯。不過,在電池化學、陰極和陽極材料以及制備工藝等方面均有一D進步,這些對降低電池的成本是有利的。另外,在鋰離子的替代材料方面也取得了較大進展,鋁石墨、石墨烯聚合物、微型電容器、小型固體氧化物燃料電池和鈉基替代品等解決方案有望取代鋰離子成為新的電芯材料。在電池系統中,BMS主要用于對電芯的管理以及與整車的信息交換,是電池包中Z關鍵的零部件。BMS的關鍵技術涉及電池電壓測量、數據采樣同步、電池狀態估計、電池均勻性和均衡以及電池故障診斷等,其中,電池狀態估計存在極高的技術門檻。

 

在上述三大核心技術之外,Z近兩年,充電技術和自動駕駛技術在電動汽車中的重要性與日俱增。首先,盡管電動汽車更加環保,但頻繁的充電是駕駛員很難接受的現實,充電容量的限制是電動汽車發展的主要障礙之一。為了解決這個問題,汽車制造商必須不斷改善充電基礎設施的性能,盡可能安全地縮短電池充電時間。根據一項消費者調查,續航里程和充電時間是當前電動汽車行業面臨的兩大挑戰。

 

在全球范圍內,許多電動汽車公司已經在車輛的自動駕駛方面邁出了一大步。雖說自動駕駛不是電動汽車的專屬技術,但確是其密不可分的話題。一是因為自動駕駛技術不僅能使長途駕駛更加舒適,還能提高車輛的安全性,比如它能減少因駕駛員分心而導致的道路交通事故、減少交通擁堵,并為老年人和殘疾人提供駕駛車輛的可能。二是電動汽車大多采用了全新的E/E架構,非常有助于自動駕駛方案的實施。

 

隨著5G網絡的廣泛采用和部署,電動車廠商已經將其投資重心轉移到自主駕駛上,特斯拉、豐田、寶馬、標致等電動汽車行業中的大企業已經在努力使自主駕駛成為現實。沃爾沃正在與百度合作,在中國大規模發展自主駕駛。特斯拉是電動汽車行業的領軍企業,同時也是自動駕駛技術的強力推動者,甚至曾高調宣布將在2021年推出L5級自動駕駛技術,攝像頭+超聲波雷達+毫米波雷達是特斯拉目前采用的自動駕駛感知系統,這個方案實現成本相對較低,真正的效果還有待市場的進一步檢驗。

 

Part 2 行業大咖的EV解決方案

半導體已經成為當之無愧的實現數字化和信息化社會的基石,更是支撐汽車行業“三化”升級的基礎和原動力。在電動化方面,電動汽車中的功率芯片使用量比傳統汽車高出4倍。在網聯化方面,汽車的互聯互通需要搭載通信芯片,對5G基帶芯片、WiFi、藍牙以及各類射頻通信芯片的需求大幅增加。在智能化方面,存儲芯片容量和計算芯片速度均持續提升,為汽車智能化提供了技術保證,接下來,千萬級別像素的圖像傳感器將成為汽車的主流配置。

 

汽車行業的半導體元器件產品準入門檻很高,除了技術領先性之外,一系列嚴苛的車規級測試和驗證就把很多半導體企業擋在了門外。目前,全球汽車半導體總成的前十大供應商包括:NXP、Renesas、Infineon、STMicroelectronics、Bosch、TI、ON Semiconductor、ROHM、Toshiba、ADI,這十家企業幾乎掌控了全球車載半導體市場80%以上的市場份額。

 

恩智浦BMS和VCU解決方案 

關鍵詞:靈活性、可擴展性

根據2019年四季度投資者報告,NXP來自汽車的收入約占公司總收入的47%,汽車市場是公司Z主要的收入來源。在去年的NXP Connects開發者峰會上,NXP宣布了與大眾汽車圍繞電動汽車電子產品展開合作的消息,大眾汽車在創新的MEB平臺中采用了NXP的電池管理系統(BMS)。MEB平臺是一個跨品牌、跨車型的平臺,大眾將基于該平臺在未來向市場推出多達75種全電動車型。

 


圖2:MPC5775B BMS和VCU參考設計方框圖(圖源:NXP)

 

如今,新能源汽車的研發和迭代周期已從傳統汽車的4年左右縮短到2年,在這個過程中,系統性解決方案顯得尤為重要。RDVCU5775EVM是NXP提供的一款開箱即用、概念經過驗證和高性價比的參考設計,它集成了BMS和VCU的高電壓功能,并有動力系統直接連接到域控制器,支持ISO 26262 ASIL D級汽車應用。在提升車輛續航里程,延長電池壽命,增強安全性方面擁有出色的表現,同時還能有效縮短系統開發時間。RDVCU5775EVM集成了32位Power Architecture MPC5775B MCU、FS6523功能安全電源SBC和MC33664高速轉換物理層(TPL)網絡,支持MC3377x電池控制器EVB菊花鏈和CD1030 33通道多開關檢測接口(MSDI),電流可設置。

 

ST公司VCU和BMS解決方案 

關鍵詞:高性能、生態系統

新能源汽車(NEV)包括純電動汽車(BEV)、插電式混動汽車(PHEV)和燃料電池汽車(FCEV),它的發展正在改變著汽車行業,中國無疑處于這場汽車革命的Z前沿。面對火爆的市場需求,ST中國團隊在去年推出了L9788和L9963兩款新產品。L9788是一款多功能的車輛控制單元(VCU)控制芯片,為了縮短設計人員的產品研發周期,ST還同步推出了EVAL-L9788 評估板,并提供原理圖和物料清單。VCU Reference Kit V10就是ST提供的一個車輛控制單元的參考設計,它充分考慮了企業的全方位需求。

 

L9963屬于汽車動力電池管理芯片,可監測由多達14個電池單元組成的高達800 V的汽車級聯拓撲電池組,意味著該器件可以輕松支持主流電動汽車甚至更大的電動汽車。這款產品是ST發布的首個車規級BMS解決方案,其Z大特點在于,擁有±2 mV的測量精確度以及采樣間隔無失步延遲,從而使采樣速度更快,設計變得更簡單。

 

圖3:ST提供的一款多功能VCU控制芯片(圖源:ST)

 

TI多合一動力總成系統及BMS解決方案 

關鍵詞:組件共享、高集成度

為了以優化的成本提高功率密度,同時增加車輛的可靠性,EV和HEV通常會采用多合一動力總成系統。市場上的多合一動力總成系統雖然實現方法有所差別,但基本上都會整合諸如車載充電器(OBC)、高電壓DC/DC(HV DCDC)、逆變器和配電單元(PDU)等動力系統終端器件。

 

圖4:多合一動力總成系統中的電源開關和電磁共享(圖源:TI)

 

TI的方案是具有電源開關共享和磁性整合功能的多合一動力總成系統,OBC和高壓DC/DC轉換器都連接到高壓電池,使得車載充電器和高壓DC/DC的全橋共享電源開關成為可能。此外,因在高壓側具有相同的額定電壓,如果將圖4中兩個變壓器整合在一起還能實現磁性整合,Z終變成一個三端變壓器,模塊的集成度得到進一步提高。

 

在TI的方案中,他們還盡量嘗試著實現組件共享。方案不僅實現了與兩個終端器件組件共享三個半橋共享電源開關,還通過在OBC中共享繞組作為功率因數校正電感器來實現磁性整合,非常有利于降低設計成本并提高功率密度。

 

面向EV應用,TI的產品線非常豐富,公司推出的下一代電池監控器——BQ76942和BQ76952,這兩款產品專為使用鋰離子、鋰聚合物或磷酸鋰電池的應用設計。支持從3s到10s(BQ76942)和16s(BQ76952)的串聯電池組,可以測量電池電壓、電流和溫度,并與其他電路共享數據。

 

BQ76942和BQ76952還可以使用數據自動觸發電池保護,禁用電池組在使用中超出制造商規范運行,并在條件允許時重新啟用電池組。

 

現在,純電動汽車單車的半導體總價值量相比傳統汽車提升70%以上。從產品種類上看,傳統燃料汽車中MCU含量Z高,約為23%,新能源汽車中功率半導體的含量Z高,達到55%。相比燃油汽車,電動汽車新增的功率器件主要在三個方面:一是逆變器中的IGBT模塊,二是OBC、DC/DC中的高壓MOSFET,三是輔助電器中的IGBT分立器件。從單車價值量來看,混動和純電動汽車的半導體單車價值在735~750美元,遠高于燃油車的450美元。

 

Part 3 “缺芯”之痛EVZ受傷

“缺芯”是全球汽車行業當前面臨的Z大挑戰,對比上面的數字,不難想象,混動和純電動汽車應該是“缺芯”的重災區。在此背景下,工信部指導中國汽車芯片產業創新戰略聯盟等機構推出了《汽車半導體供需對接手冊》。該《手冊》收錄了59家半導體企業的568款產品,覆蓋計算芯片、控制芯片、功率芯片、通信芯片、傳感芯片、信息安全芯片、電源芯片、驅動芯片、存儲芯片、模擬芯片等10大類,53小類產品,占汽車半導體66個小類的80%,其中已上車應用的產品合計246款,占收錄產品總數的43%。

 

根據IHS Markit的預測,芯片短缺將導致Z大的汽車市場中國在第一季度減產25萬輛,歐洲將減產10萬輛,而北美、日本、印度的汽車產量也將受到不同程度的影響,F在這場缺芯大戰仍將延續,我們從另一個側面可以感覺到,半導體行業與汽車行業的結合越發緊密。

 

Part 4 結語

在德勤發布的中國新能源汽車市場五大趨勢報告中提到,純電動汽車和燃料電池汽車將共同主導中國新能源汽車市場的發展。純電動車型將會是乘用車市場的主流產品,混動車型只是過渡。在技術快速提升下,續航里程和充電便利性將不再是用戶購買的阻礙因素,而智能化、網聯化、人性化的功能設計將成為新能源汽車產品差異化競爭的關鍵。

 

隨著電動汽車的發展勢頭越來越強勁,未來幾年將是電動汽車領域技術創新的激動人心的一年。德勤估計,到2024年,電動汽車將占汽車市場總份額的10%。電動汽車的興起讓人無法回頭。目前,電動汽車可能還不是一項完美的技術,而圍繞VCU、MCU、BMS以及充電方案等關鍵技術的創新仍將進一步延續。