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在可持續發(fā)展情景下，電動(dòng)汽車(chē)（EV）在減少碳排放以及應對氣候變化方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。來(lái)自國際能源署的數據，2019年，所有電動(dòng)汽車(chē)加起來(lái)，全球每天將避免消耗近60萬(wàn)桶石油。 目前，全球電動(dòng)汽車(chē)庫存（不包括兩輪/三輪）以每年36%的速度增長(cháng)，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(dòng)汽車(chē)的溫室氣體排放量比同等數量的燃油汽車(chē)減少了近一半。 從市場(chǎng)方面來(lái)看，中國一直是全球最大的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，約占2019年全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的一半，超過(guò)了100萬(wàn)輛。根據工信部數據，2021年1月，中國新能源汽車(chē)發(fā)展明顯提速，產(chǎn)銷(xiāo)分別完成19.4萬(wàn)輛和17.9萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)285.8%和238.5%。分車(chē)型看，純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成16.6萬(wàn)輛和15.1萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)366.6%和287.8%。 
圖1：2017--2021年月度新能源汽車(chē)銷(xiāo)量及同比變化情況（圖源：工信部） 在這些亮眼的市場(chǎng)數據背后，我們也注意到：最近兩年，相比之前的大踏步前進(jìn)，全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的增速下滑明顯。比如2019年，全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量為210萬(wàn)輛，同比增長(cháng)僅為6%，低于2016年以來(lái)至少30%以上的增速。仔細分析后我們認為主要有以下三個(gè)原因： 1. 汽車(chē)市場(chǎng)整體萎縮 2019年，許多主要國家的乘用車(chē)總銷(xiāo)量都很低迷，中國和印度等快速增長(cháng)的各類(lèi)汽車(chē)市場(chǎng)在2019年的銷(xiāo)量均低于2018年。在此背景下，雖然電動(dòng)汽車(chē)對汽車(chē)市場(chǎng)的增長(cháng)起到了刺激作用，但在銷(xiāo)量上還是受到了較大影響。 2. 重點(diǎn)市場(chǎng)采購補貼大幅減少 中國在2019年削減了大約一半的電動(dòng)汽車(chē)購買(mǎi)補貼。美國聯(lián)邦稅收抵免計劃對通用汽車(chē)和特斯拉（Tesla）等主要電動(dòng)汽車(chē)制造商的稅收抵免額度也已達到規定的20萬(wàn)輛。 這個(gè)因素致使2019年下半年中國電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量大幅下降，美國全年銷(xiāo)量也下降了10%。由于全球90%的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售集中在中國、歐洲和美國，必然拖累了全球電動(dòng)汽車(chē)的總銷(xiāo)量。 3. 消費者對車(chē)輛技術(shù)改進(jìn)以及新車(chē)型的期望值顯著(zhù)增加 如今，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的消費者正在從早期的“嘗鮮”轉變?yōu)槠胀ǖ氖褂谜�，他們對電�?dòng)汽車(chē)技術(shù)和車(chē)輛性能有了更加深刻的理解，在車(chē)輛的選型上也更加理智，功能設計成為差異化競爭的關(guān)鍵。那些采用突破性技術(shù)的全新電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型，更能刺激消費者的購買(mǎi)欲。 如果一款電動(dòng)汽車(chē)在電池性能、駕乘體驗等方面沒(méi)有出色的表現，將很難贏(yíng)得消費者的青睞。相比車(chē)型豐富的傳統燃油車(chē)，在各方面表現均非常出色的電動(dòng)汽車(chē)在市場(chǎng)上并不多見(jiàn)，拉低了消費者的購買(mǎi)欲望。 Part 1 電動(dòng)汽車(chē)中的關(guān)鍵技術(shù) 在眾多的電動(dòng)汽車(chē)話(huà)題中，為什么今天我們要重點(diǎn)討論這個(gè)問(wèn)題呢？從上述第三個(gè)原因可以看出，現今的電動(dòng)汽車(chē)要想取得市場(chǎng)突破，在性能和駕乘體驗方面一定要有亮點(diǎn)。因此，OEM和Tier1必須在車(chē)輛的技術(shù)領(lǐng)先性上下足功夫。 綜合來(lái)看，在車(chē)輛三級模塊體系和平臺架構中，電動(dòng)汽車(chē)中存在三大核心技術(shù)，即整車(chē)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(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性和安全性等方面有著(zhù)重要影響。 整車(chē)控制器（VCU） VCU是電動(dòng)汽車(chē)控制系統最核心的部件，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(wù)，這個(gè)模塊只有電動(dòng)汽車(chē)才會(huì )配備，燃油車(chē)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(guān)鍵核心技術(shù)。 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(chǎn)品，另有VCU專(zhuān)用電路如各種傳感器等。隨著(zhù)車(chē)規級處理器技術(shù)的進(jìn)步，VCU逐步從16位向32位處理器過(guò)渡。 現在，32位處理器是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的主流產(chǎn)品。底層軟件以AUTOSAR汽車(chē)軟件開(kāi)放式系統架構為標準，支持電動(dòng)汽車(chē)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(guān)鍵技術(shù)，它們對車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟性和可靠性等均有重要影響。 電機控制器（MCU） MCU是電動(dòng)汽車(chē)特有的核心功率電子單元，通過(guò)接收VCU的車(chē)輛行駛控制指令，控制電機輸出指定的扭矩和轉速，驅動(dòng)車(chē)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(guān)鍵技術(shù)包括32位高性能雙核主處理器、車(chē)規級IGBT模塊、定制薄膜母線(xiàn)電容等。軟件系統同樣是基于A(yíng)utoSAR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(dòng)汽車(chē)，就不得不討論電池技術(shù)。電池包為整車(chē)提供驅動(dòng)電能，電池的容量對電動(dòng)汽車(chē)的續航里程而言非常重要。然而，近幾年電池技術(shù)的進(jìn)步極其緩慢，鋰離子技術(shù)似乎出現了停滯。不過(guò)，在電池化學(xué)、陰極和陽(yáng)極材料以及制備工藝等方面均有一定進(jìn)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(jìn)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(chē)的信息交換，是電池包中最關(guān)鍵的零部件。BMS的關(guān)鍵技術(shù)涉及電池電壓測量、數據采樣同步、電池狀態(tài)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(tài)估計存在極高的技術(shù)門(mén)檻。 在上述三大核心技術(shù)之外，最近兩年，充電技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)中的重要性與日俱增。首先，盡管電動(dòng)汽車(chē)更加環(huán)保，但頻繁的充電是駕駛員很難接受的現實(shí)，充電容量的限制是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要障礙之一。為了解決這個(gè)問(wèn)題，汽車(chē)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(shí)間。根據一項消費者調查，續航里程和充電時(shí)間是當前電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)面臨的兩大挑戰。 在全球范圍內，許多電動(dòng)汽車(chē)公司已經(jīng)在車(chē)輛的自動(dòng)駕駛方面邁出了一大步。雖說(shuō)自動(dòng)駕駛不是電動(dòng)汽車(chē)的專(zhuān)屬技術(shù)，但確是其密不可分的話(huà)題。一是因為自動(dòng)駕駛技術(shù)不僅能使長(cháng)途駕駛更加舒適，還能提高車(chē)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(chē)輛的可能。二是電動(dòng)汽車(chē)大多采用了全新的E/E架構，非常有助于自動(dòng)駕駛方案的實(shí)施。 隨著(zhù)5G網(wǎng)絡(luò )的廣泛采用和部署，電動(dòng)車(chē)廠(chǎng)商已經(jīng)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(dòng)汽車(chē)行業(yè)中的大企業(yè)已經(jīng)在努力使自主駕駛成為現實(shí)。沃爾沃正在與百度合作，在中國大規模發(fā)展自主駕駛。特斯拉是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，同時(shí)也是自動(dòng)駕駛技術(shù)的強力推動(dòng)者，甚至曾高調宣布將在2021年推出L5級自動(dòng)駕駛技術(shù)，攝像頭+超聲波雷達+毫米波雷達是特斯拉目前采用的自動(dòng)駕駛感知系統，這個(gè)方案實(shí)現成本相對較低，真正的效果還有待市場(chǎng)的進(jìn)一步檢驗。 Part 2 行業(yè)大咖的EV解決方案 半導體已經(jīng)成為當之無(wú)愧的實(shí)現數字化和信息化社會(huì )的基石，更是支撐汽車(chē)行業(yè)“三化”升級的基礎和原動(dòng)力。在電動(dòng)化方面，電動(dòng)汽車(chē)中的功率芯片使用量比傳統汽車(chē)高出4倍。在網(wǎng)聯(lián)化方面，汽車(chē)的互聯(lián)互通需要搭載通信芯片，對5G基帶芯片、WiFi、藍牙以及各類(lèi)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(chē)智能化提供了技術(shù)保證，接下來(lái)，千萬(wàn)級別像素的圖像傳感器將成為汽車(chē)的主流配置。 汽車(chē)行業(yè)的半導體元器件產(chǎn)品準入門(mén)檻很高，除了技術(shù)領(lǐng)先性之外，一系列嚴苛的車(chē)規級測試和驗證就把很多半導體企業(yè)擋在了門(mén)外。目前，全球汽車(chē)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(yè)幾乎掌控了全球車(chē)載半導體市場(chǎng)80%以上的市場(chǎng)份額。 恩智浦BMS和VCU解決方案 關(guān)鍵詞：靈活性、可擴展性 根據2019年四季度投資者報告，NXP來(lái)自汽車(chē)的收入約占公司總收入的47%，汽車(chē)市場(chǎng)是公司最主要的收入來(lái)源。在去年的NXP Connects開(kāi)發(fā)者峰會(huì )上，NXP宣布了與大眾汽車(chē)圍繞電動(dòng)汽車(chē)電子產(chǎn)品展開(kāi)合作的消息，大眾汽車(chē)在創(chuàng )新的MEB平臺中采用了NXP的電池管理系統（BMS）。MEB平臺是一個(gè)跨品牌、跨車(chē)型的平臺，大眾將基于該平臺在未來(lái)向市場(chǎng)推出多達75種全電動(dòng)車(chē)型。
圖2：MPC5775B BMS和VCU參考設計方框圖（圖源：NXP） 如今，新能源汽車(chē)的研發(fā)和迭代周期已從傳統汽車(chē)的4年左右縮短到2年，在這個(gè)過(guò)程中，系統性解決方案顯得尤為重要。RDVCU5775EVM是NXP提供的一款開(kāi)箱即用、概念經(jīng)過(guò)驗證和高性?xún)r(jià)比的參考設計，它集成了BMS和VCU的高電壓功能，并有動(dòng)力系統直接連接到域控制器，支持ISO 26262 ASIL D級汽車(chē)應用。在提升車(chē)輛續航里程，延長(cháng)電池壽命，增強安全性方面擁有出色的表現，同時(shí)還能有效縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)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(wǎng)絡(luò )，支持MC3377x電池控制器EVB菊花鏈和CD1030 33通道多開(kāi)關(guān)檢測接口（MSDI），電流可設置。 ST公司VCU和BMS解決方案 關(guān)鍵詞：高性能、生態(tài)系統 新能源汽車(chē)（NEV）包括純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）、插電式混動(dòng)汽車(chē)（PHEV）和燃料電池汽車(chē)（FCEV），它的發(fā)展正在改變著(zhù)汽車(chē)行業(yè)，中國無(wú)疑處于這場(chǎng)汽車(chē)革命的最前沿。面對火爆的市場(chǎng)需求，ST中國團隊在去年推出了L9788和L9963兩款新產(chǎn)品。 L9788是一款多功能的車(chē)輛控制單元（VCU）控制芯片，為了縮短設計人員的產(chǎn)品研發(fā)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(gè)車(chē)輛控制單元的參考設計，它充分考慮了企業(yè)的全方位需求。 L9963屬于汽車(chē)動(dòng)力電池管理芯片，可監測由多達14個(gè)電池單元組成的高達800 V的汽車(chē)級聯(lián)拓撲電池組，意味著(zhù)該器件可以輕松支持主流電動(dòng)汽車(chē)甚至更大的電動(dòng)汽車(chē)。這款產(chǎn)品是ST發(fā)布的首個(gè)車(chē)規級BMS解決方案，其最大特點(diǎn)在于，擁有±2 mV的測量精確度以及采樣間隔無(wú)失步延遲，從而使采樣速度更快，設計變得更簡(jiǎn)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(dòng)力總成系統及BMS解決方案 關(guān)鍵詞：組件共享、高集成度 為了以?xún)?yōu)化的成本提高功率密度，同時(shí)增加車(chē)輛的可靠性，EV和HEV通常會(huì )采用多合一動(dòng)力總成系統。市場(chǎng)上的多合一動(dòng)力總成系統雖然實(shí)現方法有所差別，但基本上都會(huì )整合諸如車(chē)載充電器（OBC）、高電壓DC/DC（HV DCDC）、逆變器和配電單元（PDU）等動(dòng)力系統終端器件。
圖4：多合一動(dòng)力總成系統中的電源開(kāi)關(guān)和電磁共享（圖源：TI） TI的方案是具有電源開(kāi)關(guān)共享和磁性整合功能的多合一動(dòng)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(chē)載充電器和高壓DC/DC的全橋共享電源開(kāi)關(guān)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(gè)變壓器整合在一起還能實(shí)現磁性整合，最終變成一個(gè)三端變壓器，模塊的集成度得到進(jìn)一步提高。 在TI的方案中，他們還盡量嘗試著(zhù)實(shí)現組件共享。方案不僅實(shí)現了與兩個(gè)終端器件組件共享三個(gè)半橋共享電源開(kāi)關(guān)，還通過(guò)在OBC中共享繞組作為功率因數校正電感器來(lái)實(shí)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(chǎn)品線(xiàn)非常豐富，公司推出的下一代電池監控器——BQ76942和BQ76952，這兩款產(chǎn)品專(zhuān)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(lián)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(dòng)觸發(fā)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(shí)重新啟用電池組。 現在，純電動(dòng)汽車(chē)單車(chē)的半導體總價(jià)值量相比傳統汽車(chē)提升70%以上。從產(chǎn)品種類(lèi)上看，傳統燃料汽車(chē)中MCU含量最高，約為23%，新能源汽車(chē)中功率半導體的含量最高，達到55%。相比燃油汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)新增的功率器件主要在三個(gè)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(chē)價(jià)值量來(lái)看，混動(dòng)和純電動(dòng)汽車(chē)的半導體單車(chē)價(jià)值在735~750美元，遠高于燃油車(chē)的450美元。 Part 3 “缺芯”之痛EV最受傷 “缺芯”是全球汽車(chē)行業(yè)當前面臨的最大挑戰，對比上面的數字，不難想象，混動(dòng)和純電動(dòng)汽車(chē)應該是“缺芯”的重災區。在此背景下，工信部指導中國汽車(chē)芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟等機構推出了《汽車(chē)半導體供需對接手冊》。 該《手冊》收錄了59家半導體企業(yè)的568款產(chǎn)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(dòng)芯片、存儲芯片、模擬芯片等10大類(lèi)，53小類(lèi)產(chǎn)品，占汽車(chē)半導體66個(gè)小類(lèi)的80%，其中已上車(chē)應用的產(chǎn)品合計246款，占收錄產(chǎn)品總數的43%。 根據IHS Markit的預測，芯片短缺將導致最大的汽車(chē)市場(chǎng)中國在第一季度減產(chǎn)25萬(wàn)輛，歐洲將減產(chǎn)10萬(wàn)輛，而北美、日本、印度的汽車(chē)產(chǎn)量也將受到不同程度的影響�，F在這場(chǎng)缺芯大戰仍將延續，我們從另一個(gè)側面可以感覺(jué)到，半導體行業(yè)與汽車(chē)行業(yè)的結合越發(fā)緊密。 Part 4 結語(yǔ) 在德勤發(fā)布的中國新能源汽車(chē)市場(chǎng)五大趨勢報告中提到，純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)將共同主導中國新能源汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展。純電動(dòng)車(chē)型將會(huì )是乘用車(chē)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，混動(dòng)車(chē)型只是過(guò)渡。在技術(shù)快速提升下，續航里程和充電便利性將不再是用戶(hù)購買(mǎi)的阻礙因素，而智能化、網(wǎng)聯(lián)化、人性化的功能設計將成為新能源汽車(chē)產(chǎn)品差異化競爭的關(guān)鍵。 隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展勢頭越來(lái)越強勁，未來(lái)幾年將是電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng )新的激動(dòng)人心的一年。德勤估計，到2024年，電動(dòng)汽車(chē)將占汽車(chē)市場(chǎng)總份額的10%。電動(dòng)汽車(chē)的興起讓人無(wú)法回頭。目前，電動(dòng)汽車(chē)可能還不是一項完美的技術(shù)，而圍繞VCU、MCU、BMS以及充電方案等關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng )新仍將進(jìn)一步延續。 來(lái)源：貿澤電子 作者：Doctor M |
