圖源：adobestock/sdecoret
在可持續(xù)發(fā)展情景下，電動汽車（EV）在減少碳排放以及應(yīng)對氣候變化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。來自國際能源署的數(shù)據(jù)，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(yù)計(jì)2030年將達(dá)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(shù)量的燃油汽車減少了近一半。
從市場方面來看，中國一直是全球最大的電動汽車市場，約占2019年全球電動汽車銷量的一半，超過了100萬輛。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，2021年1月，中國新能源汽車發(fā)展明顯提速，產(chǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(xì)分析后我們認(rèn)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(diǎn)市場采購補(bǔ)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(bǔ)貼。美國聯(lián)邦稅收抵免計(jì)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(dá)到規(guī)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(fèi)者對車輛技術(shù)改進(jìn)以及新車型的期望值顯著增加
如今，電動汽車市場的消費(fèi)者正在從早期的“嘗鮮”轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ氖褂谜撸麄儗﹄妱悠嚰夹g(shù)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(shè)計(jì)成為差異化競爭的關(guān)鍵。那些采用突破性技術(shù)的全新電動汽車車型，更能刺激消費(fèi)者的購買欲。
如果一款電動汽車在電池性能、駕乘體驗(yàn)等方面沒有出色的表現(xiàn)，將很難贏得消費(fèi)者的青睞。相比車型豐富的傳統(tǒng)燃油車，在各方面表現(xiàn)均非常出色的電動汽車在市場上并不多見，拉低了消費(fèi)者的購買欲望。
Part 1 電動汽車中的關(guān)鍵技術(shù)
在眾多的電動汽車話題中，為什么今天我們要重點(diǎn)討論這個問題呢？從上述第三個原因可以看出，現(xiàn)今的電動汽車要想取得市場突破，在性能和駕乘體驗(yàn)方面一定要有亮點(diǎn)。因此，OEM和Tier1必須在車輛的技術(shù)領(lǐng)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(gòu)中，電動汽車中存在三大核心技術(shù)，即整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）、電機(jī)控制器（Motor Control Unit，MCU）和電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），它們的性能對整車的動力性、經(jīng)濟(jì)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(tǒng)最核心的部件，承擔(dān)了數(shù)據(jù)交換、安全管理、駕駛員意圖解釋、能量流管理等任務(wù)，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(yīng)用軟件構(gòu)成，其中，硬件電路、底層軟件和應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，另有VCU專用電路如各種傳感器等。隨著車規(guī)級處理器技術(shù)的進(jìn)步，VCU逐步從16位向32位處理器過渡。
現(xiàn)在，32位處理器是電動汽車行業(yè)的主流產(chǎn)品。底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，支持電動汽車不同的控制系統(tǒng)。駕駛員轉(zhuǎn)矩解析、換擋規(guī)律、模式切換、轉(zhuǎn)矩分配以及故障診斷策略等是應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)，它們對車輛動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等均有重要影響。
電機(jī)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(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動車輛行駛。此外，MCU還具有電機(jī)系統(tǒng)故障診斷保護(hù)和存儲功能。
MCU由外殼及冷卻系統(tǒng)、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、車規(guī)級IGBT模塊、定制薄膜母線電容等。軟件系統(tǒng)同樣是基于AutoSAR架構(gòu)平臺軟件。
電池管理系統(tǒng)（BMS）
電池包及電池管理系統(tǒng)（BMS）。提到電動汽車，就不得不討論電池技術(shù)。電池包為整車提供驅(qū)動電能，電池的容量對電動汽車的續(xù)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(xiàn)了停滯。不過，在電池化學(xué)、陰極和陽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(tǒng)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(shù)據(jù)采樣同步、電池狀態(tài)估計(jì)、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(jì)存在極高的技術(shù)門檻。
在上述三大核心技術(shù)之外，最近兩年，充電技術(shù)和自動駕駛技術(shù)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(huán)保，但頻繁的充電是駕駛員很難接受的現(xiàn)實(shí)，充電容量的限制是電動汽車發(fā)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(chǔ)設(shè)施的性能，盡可能安全地縮短電池充電時間。根據(jù)一項(xiàng)消費(fèi)者調(diào)查，續(xù)航里程和充電時間是當(dāng)前電動汽車行業(yè)面臨的兩大挑戰(zhàn)。
在全球范圍內(nèi)，許多電動汽車公司已經(jīng)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(shù)，但確是其密不可分的話題。一是因?yàn)樽詣玉{駛技術(shù)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(dǎo)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(gòu)，非常有助于自動駕駛方案的實(shí)施。
隨著5G網(wǎng)絡(luò)的廣泛采用和部署，電動車廠商已經(jīng)將其投資重心轉(zhuǎn)移到自主駕駛上，特斯拉、豐田、寶馬、標(biāo)致等電動汽車行業(yè)中的大企業(yè)已經(jīng)在努力使自主駕駛成為現(xiàn)實(shí)。沃爾沃正在與百度合作，在中國大規(guī)模發(fā)展自主駕駛。特斯拉是電動汽車行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，同時也是自動駕駛技術(shù)的強(qiáng)力推動者，甚至曾高調(diào)宣布將在2021年推出L5級自動駕駛技術(shù)，攝像頭+超聲波雷達(dá)+毫米波雷達(dá)是特斯拉目前采用的自動駕駛感知系統(tǒng)，這個方案實(shí)現(xiàn)成本相對較低，真正的效果還有待市場的進(jìn)一步檢驗(yàn)。
Part 2 行業(yè)大咖的EV解決方案
半導(dǎo)體已經(jīng)成為當(dāng)之無愧的實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和信息化社會的基石，更是支撐汽車行業(yè)“三化”升級的基礎(chǔ)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(tǒng)汽車高出4倍。在網(wǎng)聯(lián)化方面，汽車的互聯(lián)互通需要搭載通信芯片，對5G基帶芯片、WiFi、藍(lán)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(jì)算芯片速度均持續(xù)提升，為汽車智能化提供了技術(shù)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(yè)的半導(dǎo)體元器件產(chǎn)品準(zhǔn)入門檻很高，除了技術(shù)領(lǐng)先性之外，一系列嚴(yán)苛的車規(guī)級測試和驗(yàn)證就把很多半導(dǎo)體企業(yè)擋在了門外。目前，全球汽車半導(dǎo)體總成的前十大供應(yīng)商包括：NXP、Renesas、Infineon、STMicroelectronics、Bosch、TI、ON Semiconductor、ROHM、Toshiba、ADI，這十家企業(yè)幾乎掌控了全球車載半導(dǎo)體市場80%以上的市場份額。
恩智浦BMS和VCU解決方案
關(guān)鍵詞：靈活性、可擴(kuò)展性
根據(jù)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%，汽車市場是公司最主要的收入來源。在去年的NXP Connects開發(fā)者峰會上，NXP宣布了與大眾汽車圍繞電動汽車電子產(chǎn)品展開合作的消息，大眾汽車在創(chuàng)新的MEB平臺中采用了NXP的電池管理系統(tǒng)（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(dá)75種全電動車型。
圖2：MPC5775B BMS和VCU參考設(shè)計(jì)方框圖（圖源：NXP）
如今，新能源汽車的研發(fā)和迭代周期已從傳統(tǒng)汽車的4年左右縮短到2年，在這個過程中，系統(tǒng)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(jīng)過驗(yàn)證和高性價比的參考設(shè)計(jì)，它集成了BMS和VCU的高電壓功能，并有動力系統(tǒng)直接連接到域控制器，支持ISO 26262 ASIL D級汽車應(yīng)用。在提升車輛續(xù)航里程，延長電池壽命，增強(qiáng)安全性方面擁有出色的表現(xiàn)，同時還能有效縮短系統(tǒng)開發(fā)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(zhuǎn)換物理層（TPL）網(wǎng)絡(luò)，支持MC3377x電池控制器EVB菊花鏈和CD1030 33通道多開關(guān)檢測接口（MSDI），電流可設(shè)置。
ST公司VCU和BMS解決方案
關(guān)鍵詞：高性能、生態(tài)系統(tǒng)
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(fā)展正在改變著汽車行業(yè)，中國無疑處于這場汽車革命的最前沿。面對火爆的市場需求，ST中國團(tuán)隊(duì)在去年推出了L9788和L9963兩款新產(chǎn)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(shè)計(jì)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提供的一個車輛控制單元的參考設(shè)計(jì)，它充分考慮了企業(yè)的全方位需求。
L9963屬于汽車動力電池管理芯片，可監(jiān)測由多達(dá)14個電池單元組成的高達(dá)800 V的汽車級聯(lián)拓?fù)潆姵亟M，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(chǎn)品是ST發(fā)布的首個車規(guī)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失步延遲，從而使采樣速度更快，設(shè)計(jì)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(tǒng)及BMS解決方案
關(guān)鍵詞：組件共享、高集成度
為了以優(yōu)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(tǒng)。市場上的多合一動力總成系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)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(tǒng)終端器件。
圖4：多合一動力總成系統(tǒng)中的電源開關(guān)和電磁共享（圖源：TI）
TI的方案是具有電源開關(guān)共享和磁性整合功能的多合一動力總成系統(tǒng)，OBC和高壓DC/DC轉(zhuǎn)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(guān)成為可能。此外，因在高壓側(cè)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(shí)現(xiàn)磁性整合，最終變成一個三端變壓器，模塊的集成度得到進(jìn)一步提高。
在TI的方案中，他們還盡量嘗試著實(shí)現(xiàn)組件共享。方案不僅實(shí)現(xiàn)了與兩個終端器件組件共享三個半橋共享電源開關(guān)，還通過在OBC中共享繞組作為功率因數(shù)校正電感器來實(shí)現(xiàn)磁性整合，非常有利于降低設(shè)計(jì)成本并提高功率密度。
面向EV應(yīng)用，TI的產(chǎn)品線非常豐富，公司推出的下一代電池監(jiān)控器——BQ76942和BQ76952，這兩款產(chǎn)品專為使用鋰離子、鋰聚合物或磷酸鋰電池的應(yīng)用設(shè)計(jì)。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(shù)據(jù)。
BQ76942和BQ76952還可以使用數(shù)據(jù)自動觸發(fā)電池保護(hù)，禁用電池組在使用中超出制造商規(guī)范運(yùn)行，并在條件允許時重新啟用電池組。
現(xiàn)在，純電動汽車單車的半導(dǎo)體總價值量相比傳統(tǒng)汽車提升70%以上。從產(chǎn)品種類上看，傳統(tǒng)燃料汽車中MCU含量最高，約為23%，新能源汽車中功率半導(dǎo)體的含量最高，達(dá)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(dǎo)體單車價值在735~750美元，遠(yuǎn)高于燃油車的450美元。
Part 3 “缺芯”之痛EV最受傷
“缺芯”是全球汽車行業(yè)當(dāng)前面臨的最大挑戰(zhàn)，對比上面的數(shù)字，不難想象，混動和純電動汽車應(yīng)該是“缺芯”的重災(zāi)區(qū)。在此背景下，工信部指導(dǎo)中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)推出了《汽車半導(dǎo)體供需對接手冊》。該《手冊》收錄了59家半導(dǎo)體企業(yè)的568款產(chǎn)品，覆蓋計(jì)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(qū)動芯片、存儲芯片、模擬芯片等10大類，53小類產(chǎn)品，占汽車半導(dǎo)體66個小類的80%，其中已上車應(yīng)用的產(chǎn)品合計(jì)246款，占收錄產(chǎn)品總數(shù)的43%。
根據(jù)IHS Markit的預(yù)測，芯片短缺將導(dǎo)致最大的汽車市場中國在第一季度減產(chǎn)25萬輛，歐洲將減產(chǎn)10萬輛，而北美、日本、印度的汽車產(chǎn)量也將受到不同程度的影響。現(xiàn)在這場缺芯大戰(zhàn)仍將延續(xù)，我們從另一個側(cè)面可以感覺到，半導(dǎo)體行業(yè)與汽車行業(yè)的結(jié)合越發(fā)緊密。
Part 4 結(jié)語
在德勤發(fā)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(dǎo)中國新能源汽車市場的發(fā)展。純電動車型將會是乘用車市場的主流產(chǎn)品，混動車型只是過渡。在技術(shù)快速提升下，續(xù)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(wǎng)聯(lián)化、人性化的功能設(shè)計(jì)將成為新能源汽車產(chǎn)品差異化競爭的關(guān)鍵。
隨著電動汽車的發(fā)展勢頭越來越強(qiáng)勁，未來幾年將是電動汽車領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的激動人心的一年。德勤估計(jì)，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(xiàng)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(xù)。
