汽车智能电气技术分析

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汽车智能电气技术分析
自动驾驶对整车算力和电子电气架构的升级需求推动，智能汽车销量持续高增，域控制器发展动能强劲，有望成为中期行业主流趋势。整车厂域控架构渗透率有望加速提升，高性能、集成化、可扩展或将成为域控制器的主要发展趋势。在此过程中，芯片厂商、集成商、整车厂均在域控制器有所布局，各环节竞争要素不同，格局空间各有特征。短期本土供应商围绕成本优势及集成能力进行布局，在整车厂智能化平台快速迭代过程中有望实现技术突破，进一步提升市场占有率。
　　电子电气架构集中化升级，域控制器快速发展。汽车传统分布式电子电气架构难以满足日益增长的智能化需求，能够集合算力、降低线束及制造成本、提升复用率的域集中式架构应运而生。高性能、集成化(成本控制叠加生产难度降低)、可扩展(软硬件解耦便于OTA升级)三大特征为中期域控制器发展提供动能。受此驱动，认为，域控制器渗透率有望提升，2025 年全球自动驾驶与智能座舱域控市场空间有望扩容至千亿元人民币。
　　“芯片+集成商+整车厂”构成产业链上下游。观察到：芯片端竞争围绕性能、生态、开发落地、成本四大维度展开，Mobileye在存量市场地位稳固，英伟达及高通在增量市场快速突破，有望后来居上，实现全域领先；集成端竞争主战场在于软件开发、定制化需求把握及快速量产能力，国际厂商如博世、安波福等积累深布局广，协调产业链资源能力强；本土厂商借助产能扩张、产品快速迭代、软件能力持续提升强势崛起。
　　本土供应商实现突围，短期看降本与国产替代，长期需依赖技术迭代。在外部非经济因素的推动下，国产替代需求中长期确定性较强。受此带动下，国产芯片供应商实现了部分突围，华为、黑芝麻、地平线等方案得到采用；国内域控制器集成商则凭借客户协作和产能布局等先发优势实现了业务的突破。认为，通过客户资源的积累和配合验证，国内芯片厂商、集成商有望弯道超车实现技术突破及价值链环节上移。
　　盈利预测与估值
　　建议投资者持续关注：国内域控制器厂商德赛西威(中金电子组覆盖)、华阳集团(中金电子组覆盖)，均胜电子、经纬恒润(未上市)、科博达；汽车基础软件及中间件提供商东软集团(中金计算机组覆盖)、中科创达、光庭信息(未覆盖)等。
如果说车辆智能化是未来，那么智能电气架构一定是其基础。
本文将从特斯拉、大众与福特3款新型SUV的电气架构对比开始分析，看特斯拉为何能领先业界6年实现智能电气架构，而传统车企的历史包袱是如何阻碍其新技术落地的，从车辆的系统设计，到对成本模式认知及技术模式的认知，最后到落地时要面临哪些技术难点，详细分析如何实现智能电气架构的落地。
本文对乘用车及商用车应用均有涉及，文中也将普及一些基础的车辆电气原理、传统方案器件成本、半导体方案及成本、线束基础知识、负载基础特性、HSD芯片基础、MOSFET基础、电流与成本的关系、相关的电子电气设计难点、芯片参数选型等，算是抛砖引玉，希望能和行业小伙伴们一起共同推动智能电气架构的落地。
如今的汽车行业正在经历剧烈的电气化及智能化变革，这种变革必然导致车辆ECU数量增多及电气架构复杂度增加，传统车企在架构升级过程中会怎么做？有哪些考量？
刚好，有国外网站3IS基于特斯拉Model Y，对比了大众ID.4与福特Mach E的电子电气架构，这三款车均为纯电动SUV，量产时间相近；并且，大众与福特作为传统老牌大型车企，和特斯拉对比就非常具有代表性。
从下图的ECU及网络类型节点对比表可以看出，Model Y、ID.4、Mach E的ECU数量分别为26、52、51，特斯拉的集成度明显要高很多，这主要是因为特斯拉将众多小型ECU的功能全部集成到区域控制器中。前文讲过，比如特斯拉的 Model 3的FBCM，既负责配电，还负责一些左前灯控制、空调控制、热管理等功能，横跨了传统的车身、座舱、底盘及动力域。
之前就讲过，传统OEM是有很大历史包袱的，按以往的经验，基于现有成熟模块进行复用可以显著缩短车辆开发周期及降低开发成本，并保证车辆的可靠性。但如果步子迈得太大，一上来就搞大规模集成，就会牵一发而动全身。
所以，对传统车企来讲，任何的更改都需要很谨慎，因为制约因素很多，改起来就很困难，周期很长，涉及面很广，风险很大，成本也很高。
大家应该还都记得，ID.3在刚上市时，出现了众多软件bug，上万辆车停在大众工厂等待升级。大众尚且如此，其他家可想而知。所以可以看到，福特和大众尽管宣称是全新纯电架构，但是仍然复用了很多小型ECU。
但有一点不可否认的是，大众在电子电气架构的升级过程中已经做了很大的更新，大家有兴趣的话可以去看一下奥迪e-tron与ID.4的电子电气架构的对比，可以看出巨大的变化。

三款车模块数量及网络节点对比（来源：3IS）
从上图Lin总线数量也能看出，ID.4和Mach E的数量几乎是特斯拉的2倍，这也从侧面就说明复用了很多基于Lin通信的小型ECU，这是都是很典型的传统设计方式。
在上两篇文章中已经详细分析了特斯拉Model 3 的智能配电方案及电气架构，有兴趣的小伙伴们可以再去看一下“特斯拉为什么要“干掉”保险丝和继电器？”和“自动驾驶商用车需要什么样的电气架构？”。从下表刚好可以从另一个侧面了解一下智能电气架构对车辆带来的影响。
可以看到，ID.4和Mach E在这方面仍然是传统设计，有3个配电盒，前舱1个，驾驶舱2个，并且有大量的继电器和保险丝，而Model Y则沿用了Model 3的设计，全部采用半导体方案进行替代，传统继电器和保险丝的数量为0。

三款车配电模块、保险丝及继电器数量对比（来源：3IS）

这种设计差异就导致大众和福特虽然也都采用了域控架构理念，但是三者的电子电气架构还是有较大差异的。
特斯拉的架构更接近于区控制架构，这个可以从Model S内部线束长度长达3 km，到Model 3只有 1.5 km的进步得到印证，因为区域架构对线束的节省具有明显价值。Aptiv也曾测算过使用区域架构后可以降低25%线束成本，而Visteon则认为区架构可以节省50%或更多的线束长度。

区控制器对线束的节省（来源：Visteon）

另外Visteon还专门阐述了区域智能配电的价值，包括：

1. 双电源分级供电；
2. 推动配电技术电子化，取消传统保险丝；
3. 中央配电盒虚拟化，保护特性优化；
4. 智能电源管理，基于电流及电压诊断的故障预测；
5. 保险丝及负载优化带来的其它价值。
   
   区域智能配电的价值（来源：Visteon）
   其实这些东西在上两篇文章都已进行过多角度的深入分析，总不能说大众和福特不了解区域架构，或者没有分析过区域智能配电带来的价值吧？Model 3是2017年9月下线的，大众和福特是2020和2021年量产的，中间有三四年的时间，但特斯拉至今仍是全球唯一采用区域智能配电的OEM，这足以说明问题。
   另外，3IS最后给的结论也很有意思——3IS说：“很难简单地说谁的架构是最好的，这取决于目的和约束条件。传统OEM使用沿用技术可以降低研发成本，虽然这并不是最好的。特斯拉别无选择地必须从零开始，所以可以走一条完全不同的路，它没有任何约束。”
   实际上，特斯拉针对旧车型，也是有约束的。针对2012年推出的Model S和2015年推出的Model X，特斯拉直到2022年才能在所有新车上采用这种技术，从model 3开始第一次用智能配电方案算起，这中间已相隔5年时间，所以针对旧车型的升级改造难度可见一斑，这还是在特斯拉拥有成熟的区域智能配电架构的基础上。
   另外，通过对特斯拉老款车型Model X (2015-2020)及Model s (2016-2020)的分析也能看出来，即使传统配电盒方案，特斯拉的设计也异于传统OEM。
   
   特斯拉Model S/X前舱配电盒（来源：teslatap）
   
   特斯拉Model S/X座舱配电盒（来源：网络）
   从上图可以看出，特斯拉整车使用的Plug-in继电器数量极少，仅有5个（传统车接近20个），座舱配电盒上仅有保险丝，没有继电器，这为特斯拉在model 3上采用区域智能配电的创新架构埋下了伏笔；相比之下，5年后量产的ID.4和Mach E分别为7和22。
   那么，大众、福特跟特斯拉在电气架构上的差距为何如此之大呢？接下来，将从系统角度、成本角度、认知角度、技术角度对智能电气架构落地中的难点进行详细的分析。
   一. 整车系统角度
   上一章也讲过，汽车上很多设计其实是牵一发而动全身的，因为汽车是一个很复杂的集成系统，一台车有上万个零部件，很多系统是相互关联的。比如就拿特斯拉的“高压不下电”策略来说，这一点牵涉到了非常多的具体设计：
6. 特斯拉Model 3停车后高压动力电池会一直保持连接，高压电池以约每天1%的放电速度放电；
7. Model 3的“静态”工作电流为2.6A，而传统高压下电的车辆静态电流在15mA～20mA左右，以保证蓄电池不亏电，下次能正常启动（低压没电是上不了高压的，因为BMS、VCU都是用的12V蓄电池的电）；
8. 如此大的电流会导致铅酸蓄电池很快耗光，据估计是一天时间，所以特斯拉又首创了BMS集成小型DC-DC的设计，在停车后为整车提供12V电源，防止蓄电池亏电；
9. 这个设计的初衷是为了支持所有的Online服务，比如哨兵模式；
10. 这种设计进而推动特斯拉直接取消了高压预充电路，这估计也是全球首创的了；
    6.特斯拉采用了大家闻所未闻的低压蓄电池DC-DC逆变进行高压预充ÿ

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