图源:adobestock/sdecoret

 

在可持续发展情景下,电动汽车(EV)在减少碳排放以及应对气候变化方面发挥着关键作用。来自国际能源署的数据,2019年,所有电动汽车加起来,全球每天将避免消耗近60万桶石油。目前,全球电动汽车库存(不包括两轮/三轮)以每年36%的速度增长,预计2030年将达到2.45亿辆,是目前的30多倍。依照既定政策,到2030年,电动汽车的温室气体排放量比同等数量的燃油汽车减少了近一半。

 

从市场方面来看,中国一直是全球最大的电动汽车市场,约占2019年全球电动汽车销量的一半,超过了100万辆。根据工信部数据,2021年1月,中国新能源汽车发展明显提速,产销分别完成19.4万辆和17.9万辆,同比分别增长285.8%和238.5%。分车型看,纯电动汽车产销分别完成16.6万辆和15.1万辆,同比分别增长366.6%和287.8%。

 

 

 

图1:2017--2021年月度新能源汽车销量及同比变化情况(图源:工信部)

 

在这些亮眼的市场数据背后,我们也注意到:最近两年,相比之前的大踏步前进,全球电动汽车市场的增速下滑明显。比如2019年,全球电动汽车销量为210万辆,同比增长仅为6%,低于2016年以来至少30%以上的增速。仔细分析后我们认为主要有以下三个原因:

 

1、汽车市场整体萎缩

2019年,许多主要国家的乘用车总销量都很低迷,中国和印度等快速增长的各类汽车市场在2019年的销量均低于2018年。在此背景下,虽然电动汽车对汽车市场的增长起到了刺激作用,但在销量上还是受到了较大影响。

 

2、重点市场采购补贴大幅减少

中国在2019年削减了大约一半的电动汽车购买补贴。美国联邦税收抵免计划对通用汽车和特斯拉(Tesla)等主要电动汽车制造商的税收抵免额度也已达到规定的20万辆。

 

这个因素致使2019年下半年中国电动汽车销量大幅下降,美国全年销量也下降了10%。由于全球90%的电动汽车销售集中在中国、欧洲和美国,必然拖累了全球电动汽车的总销量。

 

3、消费者对车辆技术改进以及新车型的期望值显著增加

如今,电动汽车市场的消费者正在从早期的“尝鲜”转变为普通的使用者,他们对电动汽车技术和车辆性能有了更加深刻的理解,在车辆的选型上也更加理智,功能设计成为差异化竞争的关键。那些采用突破性技术的全新电动汽车车型,更能刺激消费者的购买欲。

 

如果一款电动汽车在电池性能、驾乘体验等方面没有出色的表现,将很难赢得消费者的青睐。相比车型丰富的传统燃油车,在各方面表现均非常出色的电动汽车在市场上并不多见,拉低了消费者的购买欲望。

 

Part 1 电动汽车中的关键技术

在众多的电动汽车话题中,为什么今天我们要重点讨论这个问题呢?从上述第三个原因可以看出,现今的电动汽车要想取得市场突破,在性能和驾乘体验方面一定要有亮点。因此,OEM和Tier1必须在车辆的技术领先性上下足功夫。综合来看,在车辆三级模块体系和平台架构中,电动汽车中存在三大核心技术,即整车控制器(Vehicle Control Unit,VCU)、电机控制器(Motor Control Unit,MCU)和电池管理系统(Battery Management System,BMS),它们的性能对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等方面有着重要影响。

 

整车控制器(VCU)

VCU是电动汽车控制系统最核心的部件,承担了数据交换、安全管理、驾驶员意图解释、能量流管理等任务,这个模块只有电动汽车才会配备,燃油车并不需要该装置。VCU由外壳、硬件电路、底层软件和应用软件构成,其中,硬件电路、底层软件和应用软件是VCU的关键核心技术。VCU的硬件电路涉及16/32位主处理器、电源、存储器、CAN等标准化产品,另有VCU专用电路如各种传感器等。随着车规级处理器技术的进步,VCU逐步从16位向32位处理器过渡。

 

现在,32位处理器是电动汽车行业的主流产品。底层软件以AUTOSAR汽车软件开放式系统架构为标准,支持电动汽车不同的控制系统。驾驶员转矩解析、换挡规律、模式切换、转矩分配以及故障诊断策略等是应用层的关键技术,它们对车辆动力性、经济性和可靠性等均有重要影响。

 

电机控制器(MCU)

MCU是电动汽车特有的核心功率电子单元,通过接收VCU的车辆行驶控制指令,控制电机输出指定的扭矩和转速,驱动车辆行驶。此外,MCU还具有电机系统故障诊断保护和存储功能。

 

MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成。MCU硬件电路的核心模块与VCU共享平台,其关键技术包括32位高性能双核主处理器、车规级IGBT模块、定制薄膜母线电容等。软件系统同样是基于AutoSAR架构平台软件。

 

电池管理系统(BMS)

电池包及电池管理系统(BMS)。提到电动汽车,就不得不讨论电池技术。电池包为整车提供驱动电能,电池的容量对电动汽车的续航里程而言非常重要。然而,近几年电池技术的进步极其缓慢,锂离子技术似乎出现了停滞。不过,在电池化学、阴极和阳极材料以及制备工艺等方面均有一定进步,这些对降低电池的成本是有利的。另外,在锂离子的替代材料方面也取得了较大进展,铝石墨、石墨烯聚合物、微型电容器、小型固体氧化物燃料电池和钠基替代品等解决方案有望取代锂离子成为新的电芯材料。在电池系统中,BMS主要用于对电芯的管理以及与整车的信息交换,是电池包中最关键的零部件。BMS的关键技术涉及电池电压测量、数据采样同步、电池状态估计、电池均匀性和均衡以及电池故障诊断等,其中,电池状态估计存在极高的技术门槛。

 

在上述三大核心技术之外,最近两年,充电技术和自动驾驶技术在电动汽车中的重要性与日俱增。首先,尽管电动汽车更加环保,但频繁的充电是驾驶员很难接受的现实,充电容量的限制是电动汽车发展的主要障碍之一。为了解决这个问题,汽车制造商必须不断改善充电基础设施的性能,尽可能安全地缩短电池充电时间。根据一项消费者调查,续航里程和充电时间是当前电动汽车行业面临的两大挑战。

 

在全球范围内,许多电动汽车公司已经在车辆的自动驾驶方面迈出了一大步。虽说自动驾驶不是电动汽车的专属技术,但确是其密不可分的话题。一是因为自动驾驶技术不仅能使长途驾驶更加舒适,还能提高车辆的安全性,比如它能减少因驾驶员分心而导致的道路交通事故、减少交通拥堵,并为老年人和残疾人提供驾驶车辆的可能。二是电动汽车大多采用了全新的E/E架构,非常有助于自动驾驶方案的实施。

 

随着5G网络的广泛采用和部署,电动车厂商已经将其投资重心转移到自主驾驶上,特斯拉、丰田、宝马、标致等电动汽车行业中的大企业已经在努力使自主驾驶成为现实。沃尔沃正在与百度合作,在中国大规模发展自主驾驶。特斯拉是电动汽车行业的领军企业,同时也是自动驾驶技术的强力推动者,甚至曾高调宣布将在2021年推出L5级自动驾驶技术,摄像头+超声波雷达+毫米波雷达是特斯拉目前采用的自动驾驶感知系统,这个方案实现成本相对较低,真正的效果还有待市场的进一步检验。

 

Part 2 行业大咖的EV解决方案

半导体已经成为当之无愧的实现数字化和信息化社会的基石,更是支撑汽车行业“三化”升级的基础和原动力。在电动化方面,电动汽车中的功率芯片使用量比传统汽车高出4倍。在网联化方面,汽车的互联互通需要搭载通信芯片,对5G基带芯片、WiFi、蓝牙以及各类射频通信芯片的需求大幅增加。在智能化方面,存储芯片容量和计算芯片速度均持续提升,为汽车智能化提供了技术保证,接下来,千万级别像素的图像传感器将成为汽车的主流配置。

 

汽车行业的半导体元器件产品准入门槛很高,除了技术领先性之外,一系列严苛的车规级测试和验证就把很多半导体企业挡在了门外。目前,全球汽车半导体总成的前十大供应商包括:NXP、Renesas、Infineon、STMicroelectronics、Bosch、TI、ON Semiconductor、ROHM、Toshiba、ADI,这十家企业几乎掌控了全球车载半导体市场80%以上的市场份额。

 

恩智浦BMS和VCU解决方案 

关键词:灵活性、可扩展性

根据2019年四季度投资者报告,NXP来自汽车的收入约占公司总收入的47%,汽车市场是公司最主要的收入来源。在去年的NXP Connects开发者峰会上,NXP宣布了与大众汽车围绕电动汽车电子产品展开合作的消息,大众汽车在创新的MEB平台中采用了NXP的电池管理系统(BMS)。MEB平台是一个跨品牌、跨车型的平台,大众将基于该平台在未来向市场推出多达75种全电动车型。

 


图2:MPC5775B BMS和VCU参考设计方框图(图源:NXP)

 

如今,新能源汽车的研发和迭代周期已从传统汽车的4年左右缩短到2年,在这个过程中,系统性解决方案显得尤为重要。RDVCU5775EVM是NXP提供的一款开箱即用、概念经过验证和高性价比的参考设计,它集成了BMS和VCU的高电压功能,并有动力系统直接连接到域控制器,支持ISO 26262 ASIL D级汽车应用。在提升车辆续航里程,延长电池寿命,增强安全性方面拥有出色的表现,同时还能有效缩短系统开发时间。RDVCU5775EVM集成了32位Power Architecture MPC5775B MCU、FS6523功能安全电源SBC和MC33664高速转换物理层(TPL)网络,支持MC3377x电池控制器EVB菊花链和CD1030 33通道多开关检测接口(MSDI),电流可设置。

 

ST公司VCU和BMS解决方案 

关键词:高性能、生态系统

新能源汽车(NEV)包括纯电动汽车(BEV)、插电式混动汽车(PHEV)和燃料电池汽车(FCEV),它的发展正在改变着汽车行业,中国无疑处于这场汽车革命的最前沿。面对火爆的市场需求,ST中国团队在去年推出了L9788和L9963两款新产品。L9788是一款多功能的车辆控制单元(VCU)控制芯片,为了缩短设计人员的产品研发周期,ST还同步推出了EVAL-L9788 评估板,并提供原理图和物料清单。VCU Reference Kit V10就是ST提供的一个车辆控制单元的参考设计,它充分考虑了企业的全方位需求。

 

L9963属于汽车动力电池管理芯片,可监测由多达14个电池单元组成的高达800 V的汽车级联拓扑电池组,意味着该器件可以轻松支持主流电动汽车甚至更大的电动汽车。这款产品是ST发布的首个车规级BMS解决方案,其最大特点在于,拥有±2 mV的测量精确度以及采样间隔无失步延迟,从而使采样速度更快,设计变得更简单。

 

图3:ST提供的一款多功能VCU控制芯片(图源:ST)

 

TI多合一动力总成系统及BMS解决方案 

关键词:组件共享、高集成度

为了以优化的成本提高功率密度,同时增加车辆的可靠性,EV和HEV通常会采用多合一动力总成系统。市场上的多合一动力总成系统虽然实现方法有所差别,但基本上都会整合诸如车载充电器(OBC)、高电压DC/DC(HV DCDC)、逆变器和配电单元(PDU)等动力系统终端器件。

 

图4:多合一动力总成系统中的电源开关和电磁共享(图源:TI)

 

TI的方案是具有电源开关共享和磁性整合功能的多合一动力总成系统,OBC和高压DC/DC转换器都连接到高压电池,使得车载充电器和高压DC/DC的全桥共享电源开关成为可能。此外,因在高压侧具有相同的额定电压,如果将图4中两个变压器整合在一起还能实现磁性整合,最终变成一个三端变压器,模块的集成度得到进一步提高。

 

在TI的方案中,他们还尽量尝试着实现组件共享。方案不仅实现了与两个终端器件组件共享三个半桥共享电源开关,还通过在OBC中共享绕组作为功率因数校正电感器来实现磁性整合,非常有利于降低设计成本并提高功率密度。

 

面向EV应用,TI的产品线非常丰富,公司推出的下一代电池监控器——BQ76942和BQ76952,这两款产品专为使用锂离子、锂聚合物或磷酸锂电池的应用设计。支持从3s到10s(BQ76942)和16s(BQ76952)的串联电池组,可以测量电池电压、电流和温度,并与其他电路共享数据。

 

BQ76942和BQ76952还可以使用数据自动触发电池保护,禁用电池组在使用中超出制造商规范运行,并在条件允许时重新启用电池组。

 

现在,纯电动汽车单车的半导体总价值量相比传统汽车提升70%以上。从产品种类上看,传统燃料汽车中MCU含量最高,约为23%,新能源汽车中功率半导体的含量最高,达到55%。相比燃油汽车,电动汽车新增的功率器件主要在三个方面:一是逆变器中的IGBT模块,二是OBC、DC/DC中的高压MOSFET,三是辅助电器中的IGBT分立器件。从单车价值量来看,混动和纯电动汽车的半导体单车价值在735~750美元,远高于燃油车的450美元。

 

Part 3 “缺芯”之痛EV最受伤

“缺芯”是全球汽车行业当前面临的最大挑战,对比上面的数字,不难想象,混动和纯电动汽车应该是“缺芯”的重灾区。在此背景下,工信部指导中国汽车芯片产业创新战略联盟等机构推出了《汽车半导体供需对接手册》。该《手册》收录了59家半导体企业的568款产品,覆盖计算芯片、控制芯片、功率芯片、通信芯片、传感芯片、信息安全芯片、电源芯片、驱动芯片、存储芯片、模拟芯片等10大类,53小类产品,占汽车半导体66个小类的80%,其中已上车应用的产品合计246款,占收录产品总数的43%。

 

根据IHS Markit的预测,芯片短缺将导致最大的汽车市场中国在第一季度减产25万辆,欧洲将减产10万辆,而北美、日本、印度的汽车产量也将受到不同程度的影响。现在这场缺芯大战仍将延续,我们从另一个侧面可以感觉到,半导体行业与汽车行业的结合越发紧密。

 

Part 4 结语

在德勤发布的中国新能源汽车市场五大趋势报告中提到,纯电动汽车和燃料电池汽车将共同主导中国新能源汽车市场的发展。纯电动车型将会是乘用车市场的主流产品,混动车型只是过渡。在技术快速提升下,续航里程和充电便利性将不再是用户购买的阻碍因素,而智能化、网联化、人性化的功能设计将成为新能源汽车产品差异化竞争的关键。

 

随着电动汽车的发展势头越来越强劲,未来几年将是电动汽车领域技术创新的激动人心的一年。德勤估计,到2024年,电动汽车将占汽车市场总份额的10%。电动汽车的兴起让人无法回头。目前,电动汽车可能还不是一项完美的技术,而围绕VCU、MCU、BMS以及充电方案等关键技术的创新仍将进一步延续。