2022年新能源汽車行業(yè)專題研究

2022年新能源汽車行業(yè)專題研究

1.域控制器：軟件定義汽車，迭代決定智能

一個(gè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和變革，往往是供給和需求兩方面因素

共同驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)新航路帶來的新市場遇到珍妮紡紗機(jī)，就足

夠引發(fā)一場工業(yè)革命；出行的需求遇上熱機(jī)，就產(chǎn)生了各類

交通工具。集成電路出現(xiàn)以來，人們對電子化、自動(dòng)化、智能

化的需求越來越高，其根源還是對低成本美好生活的需求，

這種需求與不斷發(fā)展的IT技術(shù)供給相結(jié)合，相繼誕生了PC、

智能手機(jī)、智能家居等諸多大型產(chǎn)業(yè)，如今又開始推動(dòng)汽車往

智能化方向演進(jìn)。汽車的智能化的大方向已經(jīng)成為了產(chǎn)業(yè)共

識(shí)和市場共識(shí)，然而什么叫智能化卻沒有一個(gè)明確的定義。

我們認(rèn)為，智能化的關(guān)鍵在于智能汽車的軟件“可迭代、可演

進(jìn)”。比如說2008年安卓1.0發(fā)布之初，使用體驗(yàn)是比較一般

的，經(jīng)過不斷的數(shù)據(jù)收集、用戶反饋和持續(xù)迭代，最終交互

和用戶體驗(yàn)越來越好，逐步向我們理想中的“智能終端”逼近。

無論每個(gè)人如何去定義自己心目中的汽車智能化，但我

們相信會(huì)有一個(gè)共識(shí)，那就是現(xiàn)在僅僅只是汽車智能化的起

點(diǎn)，離終局還非常遙遠(yuǎn)，這中間軟件需要不斷進(jìn)行升級迭代。

而汽車過去的E/E架構(gòu)，是由多個(gè)廠商提供ECU組成的電子

電氣架構(gòu)，正因?yàn)橛布蛙浖δ芏急磺懈畛珊芏鄩K分布在

不同廠家提供的ECU里，使得軟件OTA的難度非常大。這

使得很多型號的汽車從出廠到最終報(bào)廢，軟件功能都沒有升級

過，都沒有迭代，又何談智能？

圖1：奔馳的網(wǎng)絡(luò)連接及ECU架構(gòu)

顯而易見，汽車如果要能像手機(jī)一樣持續(xù)根據(jù)數(shù)據(jù)和用

戶反饋進(jìn)行軟件迭代，現(xiàn)有的E/E架構(gòu)勢必然是要進(jìn)行大的變

革的。軟件和硬件必須解耦，算力必須從分布走向集中，特

斯拉的Model3率先由分布式架構(gòu)轉(zhuǎn)向了分域的集中式架構(gòu)，

這是其智能化水平遙遙領(lǐng)先于許多車廠的主要原因，我們接

下來就對特斯拉的車身域、座艙域、駕駛域進(jìn)行詳細(xì)的解讀。

車身域：按位置而非功能進(jìn)行分區(qū)，徹底實(shí)現(xiàn)軟件定義

車身

同樣是域控制器，特斯拉的域控制器思路始終是更為領(lǐng)

先的。舉例來說，作為傳統(tǒng)汽車供應(yīng)鏈中最核心的供應(yīng)商之

一，博世是最早提出域控制器概念的企業(yè)之一。但博世的思

路仍然受到傳統(tǒng)的模塊化電子架構(gòu)影響，其在2016年提出了

按照功能分區(qū)的五域架構(gòu)，將整車的ECU整合為駕駛輔助、

安全、車輛運(yùn)動(dòng)、娛樂信息、車身電子5個(gè)域，不同域之間

通過域控制器和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。在當(dāng)時(shí)看來，這一方案已經(jīng)能

夠大大減少ECU數(shù)量，然而用今天的眼光來看，每個(gè)域內(nèi)部

仍然需要較為復(fù)雜的線束連接，整車線束復(fù)雜度仍然較高。

與博世形成對比，特斯拉model3在2016年發(fā)布，2017

年量產(chǎn)上市，與博世的報(bào)告幾乎處于同一時(shí)期。然而，model

3的域控制器架構(gòu)核心直接從功能變成了位置，3個(gè)車身控制

器就集中體現(xiàn)了特斯拉造車的新思路。按照特斯拉的思路，每

個(gè)控制器應(yīng)該負(fù)責(zé)控制其附近的元器件，而非整車中的所有

同類元器件，這樣才能最大化減少車身布線復(fù)雜度，充分發(fā)

揮當(dāng)今芯片的通用性和高性能，降低汽車開發(fā)和制造成本。所

以特斯拉的三個(gè)車身域控制器分別分布在前車身、左前門和

右前門前，實(shí)現(xiàn)就近控制。這樣的好處是可以降低布線的復(fù)

雜度，但是也要求三個(gè)車身域要實(shí)現(xiàn)徹底的軟硬件解耦，對廠

商的軟件能力的要求大大提高。

圖4：三個(gè)域控制器按照位置分工

左車身控制器控制區(qū)域

右車身控制器控制區(qū)域

前車身控制照控制區(qū)域

?元@充來管庫

前車身控制器：全車電子電氣配電單元以及核心安全

ECU連接

前車身控制器位于前艙中，主要負(fù)責(zé)的功能是前車體元

件控制以及主要的配電工作。該控制器離蓄電池比較近，方

便取電。其主要負(fù)責(zé)三類電子電氣的配電和控制：1、安全相

關(guān)：i-booster、ESP車身穩(wěn)定系統(tǒng)、EPS助力轉(zhuǎn)向、前向毫米

波雷達(dá)；2、熱管理相關(guān)：如冷卻液泵、五通閥、換熱器、冷

媒溫度壓力傳感器等；3、前車身其它功能：車頭燈、機(jī)油泵、

雨刮等。除此之外，它還給左右車身控制器供電，這一功能十

分重要，因?yàn)樽笥臆嚿砜刂破麟S后還將用這兩個(gè)接口中的能

量來驅(qū)動(dòng)各自控制的車身零部件。

將其拆開來看，具體功能實(shí)現(xiàn)方面，需要諸多芯片和電

子元件來配合完成。核心的芯片主要完成控制和配電兩方面

的工作。先說控制部分，主要由一顆意法半導(dǎo)體的MCU來

執(zhí)行。此外，由于涉及到冷卻液泵、制動(dòng)液液壓閥等各類電

機(jī)控制，所以板上搭載有安森美的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，這類

芯片通常搭配一定數(shù)量的大功率MOSFET即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)。配

電功能方面，一方面需要實(shí)時(shí)監(jiān)測各部件中電流的大小，另一

方面也需要根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果對電流通斷和電流大小進(jìn)行控制。

電流監(jiān)測方面，AMS的雙ADC數(shù)據(jù)采集芯片和電流傳感器

配套芯片（黃色框AMS中的芯片）可以起到重要作用。而要

控制電流的狀態(tài)，一方面是通過MOSFET的開關(guān)，另一方面

也可以通過HSD芯片（HighSideDriver,高邊開關(guān)），這種

芯片可以控制從電源正極流出的電流通斷。

這一塊控制器電路板共使用了52個(gè)安森美的大功率

MOSFET,9個(gè)功率整流器芯片，以及ST和英飛凌的共計(jì)21

個(gè)HSD芯片。在前車身控制器上我們可以看到，特斯拉已經(jīng)

在很大程度上用半導(dǎo)體元件取代了傳統(tǒng)電氣元件。

左車身域控制器：負(fù)責(zé)車身左側(cè)電子電氣調(diào)度

左車身控制器位于駕駛員小腿左前方位置，貼合車體縱

向放置，采用塑料殼體封裝，可以在一定程度上節(jié)約成本。

左車身控制器負(fù)責(zé)管理駕駛艙及后部的左側(cè)車身部件，充分

體現(xiàn)了盡可能節(jié)約線束長度以控制成本的指導(dǎo)思想。左車身

控制器主要負(fù)責(zé)了幾類電子電氣的配電和控制：1、左側(cè)相關(guān):

包括儀表板、方向盤位置調(diào)節(jié)、照腳燈；2、座椅和車門：，

左前座椅、左后座椅、前門、后排車門、座椅、尾燈等。

圖10：特斯拉model3左車身控制器（LBCM）接口功能與位置布局

左車身控制接口2

?左后車門內(nèi)外門把手、落鎖信號、車窗按鈕背光前備箱接口負(fù)責(zé)前部

?后排控制臺(tái)、左后照地?zé)趄?qū)動(dòng)控制器之間的連接

?后排座椅占位信號、左后安全帶鎖扣信號、TPMS供電?CAN:LBCM-RBCM

?CAN：LBCM-FBCM

左車身控制接口

1?CAN：LBCM-FMCU

?左側(cè)轉(zhuǎn)向燈、尾燈、倒車燈、行李箱燈、閱讀燈驅(qū)動(dòng)

?左后門鎖驅(qū)動(dòng),左后車窗電機(jī)和霍爾傳感器

儀表板接口.負(fù)責(zé)駕駛

?左側(cè)前后USB、藍(lán)牙、12V電源插座

員面前的區(qū)域

?左側(cè)駐車卡鉗驅(qū)動(dòng)

?方向盤管柱位置調(diào)節(jié)

左車身控制器供電螺栓?方向盤滾輪控制器供

電與LIN信號傳輸

左車身控制接口3?方向盤轉(zhuǎn)向角與操縱

?底盤GND、拖車燈ffECUCAN

?左前照腳燈驅(qū)動(dòng)

左前門控制接口左前座椅接口

?左側(cè)外后視鏡位置傳感器與調(diào)節(jié)電機(jī)、防炫目驅(qū)動(dòng)?座椅位置姿態(tài)調(diào)節(jié)

?左前車窗電機(jī)和霍爾傳感器電機(jī)與位置傳感器

?左前門鎖驅(qū)動(dòng)、內(nèi)外門把手傳感器?座椅加熱控制與溫

?左側(cè)門內(nèi)開關(guān)及背光驅(qū)動(dòng)度傳感器

?左前閱讀燈、照地?zé)趄?qū)動(dòng)?座椅占位與安全帶

碧洛磔E案智庫

左車身域控制的核心芯片主要也分為控制和配電。核心

控制功能使用兩顆ST的32位MCU以及一顆TI的32位單片

機(jī)來實(shí)現(xiàn)。左車身的燈具和電機(jī)比較多，針對燈具類應(yīng)用，

特斯拉選用了一批HSD芯片來進(jìn)行控制，主要采用英飛凌的

BTS系列芯片。針對電機(jī)類應(yīng)用，特斯拉則選用了TI的電機(jī)

控制芯片和安森美的大功率MOSFETo

右車身域控制器：負(fù)責(zé)車身右側(cè)電子電氣調(diào)度

右車身控制器與左車身基本對稱，接口的布局大體相同,

也有一些不同點(diǎn)。右車身域負(fù)責(zé)超聲波雷達(dá)以及空調(diào)，同時(shí)

右車身承擔(dān)的尾部控制功能更多一些，包括后方的高位剎車

燈和后機(jī)油泵都在此控制。

具體電路實(shí)現(xiàn)方面，由于功能較為相似，電路配置也與

左車身較為相似。一個(gè)不同點(diǎn)在于右車身信號較多，所以將

主控單片機(jī)從左車身的ST換成了瑞薩的高端單片機(jī)RH850

系列。此外由于右車身需要較多的空調(diào)控制功能，所以增加了

三片英飛凌的半橋驅(qū)動(dòng)器芯片。

特斯拉車身域的思路：徹底地軟件定義汽車，用芯片替

代保險(xiǎn)絲和繼電器

車身域是特斯拉相比傳統(tǒng)汽車變化最大的地方，傳統(tǒng)汽

車采用了大量ECU,而特斯拉通過三個(gè)域?qū)崿F(xiàn)了對整車的一

個(gè)控制。雖然都是往域控制器方向走，但特斯拉沒有采用博

世的功能域做法，而是完全按區(qū)域來進(jìn)行劃分，將硬件盡量標(biāo)

準(zhǔn)化，通過軟件來定義汽車的思路體現(xiàn)得淋漓盡致。除此之

外，特斯拉還將一些電氣化的部件盡量芯片化，如車身域中

采用了大量HSD芯片替代了繼電器和保險(xiǎn)絲，可靠性提高，

而且可以編程，能更好實(shí)現(xiàn)軟件定義汽車。

圖14：HSD芯片能夠取代繼電器與保險(xiǎn)絲

繼電器+保險(xiǎn)絲=

工H余@S市采D雪庫

特斯拉控制器的未來走向：走向更高集成度，優(yōu)化布置

持續(xù)降本

從特斯拉車身控制器能夠體現(xiàn)出的另一個(gè)發(fā)展趨勢是器

件的持續(xù)集成和持續(xù)降本。早期版本的modelS和modelX

并無如此集中的車身控制器架構(gòu)，但如今較新的model3和

modelY已經(jīng)體現(xiàn)出集成度增加的趨勢。

另外2020款modelY的PCB板也得到進(jìn)一步節(jié)約。初

代PCB板由于形狀不規(guī)則，必然有一部分PCB材料被浪費(fèi),

推高了成本。而第三代控制器的PCB形狀能夠緊密貼合，兩

個(gè)左右車身控制器可以合并成為一個(gè)矩形，因此PCB材料的

利用率得到有效提升，也能夠在一定程度上降低成本。

未來車身控制器會(huì)如何發(fā)展，是否會(huì)走向一臺(tái)統(tǒng)一的控

制器？至少目前來看，特斯拉用產(chǎn)品對此做出了否定的回答。

我們可以看到，2021年交付的modelsplaid,其第四代車身

控制器仍舊使用了分離的兩片左右車身控制器。

圖19：第三代與第四代BCM對比

而且在第四代車身控制器設(shè)計(jì)中，前車身控制器也分成

了兩片，一片負(fù)責(zé)能量管理和配電，另一片負(fù)責(zé)車身管理、

熱管理以及少量配電工作。整體來看，第四代控制器的元件

密度仍舊很高，體現(xiàn)出了集成降本的趨勢。另外，第四代控制

器的元件連接采用Press-Fit技術(shù)取代了傳統(tǒng)焊接，進(jìn)一步提

高了良率，也有利于實(shí)現(xiàn)更高的元器件密度。

整體來看，統(tǒng)一的中央計(jì)算機(jī)雖然集成度高，但不可避

免地帶來了控制器和受控器件的距離增加，從而增加線束長

度，提高成本，而且元件集成密度也有一定的限制，我們無

法在有限的空間內(nèi)無限制集成，因此集中化也是有上限和最優(yōu)

解的，目前看來特斯拉正逐漸改善設(shè)計(jì)和工藝來逼近這個(gè)最

優(yōu)解。硬件方面的持續(xù)集成也為軟件的集成和發(fā)展創(chuàng)造了條

件。傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中不同功能獨(dú)立性很高，各功能的

ECU都來自不同廠商，難以協(xié)同工作。但特斯拉將大量ECU

集成后，車身上只需保留負(fù)責(zé)各個(gè)功能的執(zhí)行器，而主要的

控制功能都統(tǒng)一在域控制器中，采用少量的MCU,更多使用

軟件來完成功能控制。比如特斯拉model3的左右車身域控制

器中各有3個(gè)MCU,數(shù)量大大減少，不同控制功能采用軟件

的形式進(jìn)行交互，能夠有更大的協(xié)同創(chuàng)新空間。比如特斯拉

可以協(xié)同全車空調(diào)出風(fēng)口來調(diào)節(jié)車內(nèi)風(fēng)場，或?qū)Ω瘪{駛座位

上的乘客進(jìn)行體重檢測，判斷其是否屬于兒童，從而靈活調(diào)整

安全氣囊策略，而不是像傳統(tǒng)車企一樣只能讓兒童坐在后排。

而且特斯拉可以從軟件控制當(dāng)中收集數(shù)據(jù)，并持續(xù)不斷改善

控制功能，改善用戶體驗(yàn)。

駕駛域：FSD芯片和算法構(gòu)成主要壁壘，NPU芯片效率

更優(yōu)

特斯拉的另一個(gè)重要特色就是其智能駕駛，這部分功能

是通過其自動(dòng)駕駛域控制器（AP）來執(zhí)行的。本部分的核心

在于特斯拉自主開發(fā)的FSD芯片，其余配置則與當(dāng)前其他自

動(dòng)駕駛控制器方案沒有本質(zhì)區(qū)別。在model3所用的HW3Q

版本的AP中，配備兩顆FSD芯片，每顆配置4個(gè)三星2GB

內(nèi)存顆粒，單FSD總計(jì)8GB,同時(shí)每顆FSD配備一片東芝的

32GB閃存以及一顆Spansion的64MBNORflash用于啟動(dòng)。

網(wǎng)絡(luò)方面，AP控制器內(nèi)部包含Marvell的以太網(wǎng)交換機(jī)和物

理層收發(fā)器，此外還有TI的高速CAN收發(fā)器。對于自動(dòng)駕

駛來說，定位也十分重要，因此配備了一個(gè)Ublox的GPS定

位模塊。外圍接口方面，model3整車的所有攝像頭都直接連

接到AP控制器，與這些相機(jī)配合的還有TI的視頻串行器和

解串器。此外還有供電接口、以太網(wǎng)接口和CAN接口使得

AP控制器能夠正常運(yùn)作。作為一款車載控制器，特斯拉的自

動(dòng)駕駛域控制器還考慮到了緊急情況，因此配備了緊急呼叫

音頻接口，為此搭配了TI的音頻放大器和故障CAN收發(fā)器。

圖21：自動(dòng)駕駛域控制器（AP）電路板

Maxim開關(guān)電TI音頻放大林的Ztec三星2GBLPDDR4ISpansion/英飛凌

源穩(wěn)壓器將期及FSDDRAMA64MBNORflash

主供電與I。接口

?AP電源1TI視頻串行

?緊急呼叫音頻器與解密器

,PrivateCAN

I窄視野攝像頭

］與金眼攝像頭

DP接口7_I左右B柱攝

以太網(wǎng)/USBTypeCI像頭

C調(diào)試接口

I左右鷺子板

1攝像頭

以太網(wǎng)接口

■H主攝像頭

'Z艙內(nèi)攝像頭

次供電與。接口

?AP電源2?T后視攝像頭

?駐車ECUCAN

?亳米波雷達(dá)1GPS接口

CAN

?VehideCAN?速雙CANMarvell以太網(wǎng)東芝度俠

?ChassisCAN收發(fā)寓控制芯片物理層收發(fā)器32GBNAND

另外一點(diǎn)值得注意的是，為了保障駕駛安全，AP控制器

必須時(shí)刻穩(wěn)定運(yùn)行，因此特斯拉在AP控制器中加入了相當(dāng)

大量的被動(dòng)元件，正面有8顆安森美的智能功率模塊，并搭

配大量的電感和電容。背面更為明顯，在幾乎沒有太多控制芯

片的情況下將被動(dòng)元件鋪滿整個(gè)電路板，密度之高遠(yuǎn)超其他

控制器，也明顯高于生活中各種常見的智能終端。從這一點(diǎn)

來看，隨著智能汽車的發(fā)展，我國被動(dòng)元器件企業(yè)也有望獲益。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，特斯拉提出了一整套以視覺為基礎(chǔ),

以FSD芯片為核心的解決方案，其外圍傳感器主要包含12

個(gè)超聲傳感器（Valeo）、8個(gè)攝像頭（風(fēng)擋玻璃頂3個(gè)前視,

B柱2個(gè)拍攝側(cè)前方，前翼子板2個(gè)后視，車尾1個(gè)后視攝像

頭，以及1個(gè)DMS攝像頭）、1個(gè)毫米波雷達(dá)（大陸）。

其最核心的前視三目攝像頭包含中間的主攝像頭以及兩

側(cè)的長焦鏡頭和廣角鏡頭，形成不同視野范圍的搭配，三個(gè)

攝像頭用的是相同的安森美圖像傳感器。

毫米波雷達(dá)放置于車頭處車標(biāo)附近，包含一塊電路板和

一塊天線板。該毫米波雷達(dá)內(nèi)部采用的是一顆Freescale控制

芯片以及一顆TI的穩(wěn)壓電源管理芯片。

圖25：毫米波雷達(dá)電路板與天線

而整個(gè)AP控制器的真正核心其實(shí)就是FSD芯片，這也

是特斯拉實(shí)現(xiàn)更高AI性能和更低成本的的一個(gè)重點(diǎn)。與當(dāng)前

較為主流的英偉達(dá)方案不同，特斯拉FSD芯片內(nèi)部占據(jù)最大

面積的并非CPU和GPU,而是NPU。雖然此類設(shè)計(jì)完全是為

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行優(yōu)化，通用性和靈活性相對不如英偉達(dá)的

GPU方案，但在當(dāng)前AI算法尚未出現(xiàn)根本性變化的情況下,

NPU的適用性并不會(huì)受到威脅。

NPU單元能夠?qū)ΤＲ娨曈X算法中的卷積運(yùn)算和矩陣乘法

運(yùn)算進(jìn)行有效加速，因此特斯拉FSD芯片能夠使用三星

14nm工藝，達(dá)到144ToPS的AI算力，而面積只有約260平

方毫米。相比而言，英偉達(dá)Xavier使用臺(tái)積電12nm工藝，使

用350平方毫米的芯片面積卻只得到30TopS的AI算力。這

樣的差距也是特斯拉從HW2.5版本的英偉達(dá)ParkerSoC切換

到HW3.0的自研FSD芯片的原因。因此，在算法不發(fā)生根本

性變革的情況下，特斯拉FSD能取得成本和性能的雙重優(yōu)勢,

這也構(gòu)成了特斯拉自動(dòng)駕駛方案的競爭力。

AI算法方面，根據(jù)特斯拉官網(wǎng)人工智能與自動(dòng)駕駛頁面

的描述，AutoPilot神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的完整構(gòu)建涉及48個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每天

依據(jù)其上百萬輛車產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，需要訓(xùn)練70000

GPU小時(shí)?；A(chǔ)代碼層面，特斯拉具備可以O(shè)TA的引導(dǎo)程序,

還有自定義的Linux內(nèi)核(具有實(shí)時(shí)性補(bǔ)丁)，也有大量內(nèi)

存高效的低層級代碼。未來自動(dòng)駕駛域的創(chuàng)新仍然會(huì)集中在

芯片端，另外傳感器的創(chuàng)新如激光雷達(dá)、4D毫米波雷達(dá)等也

能夠很大程度上推動(dòng)智能駕駛。在可見的未來，專用AI芯片

將能夠成為與英偉達(dá)競爭的重要力量，我國AI芯片企業(yè)有望

借助智能汽車的東風(fēng)獲得更好發(fā)展。

座艙域：特斯拉更多將座艙視為PC而非手機(jī)

座艙域是用戶體驗(yàn)的重要組成部分，特斯拉的座艙控制

平臺(tái)也在不斷進(jìn)化中。本次拆解的特斯拉model32020款采

用的是第二代座艙域控制器(MCU2)oMCU2由兩塊電路

板構(gòu)成，一塊是主板，另一塊是固定在主板上的一塊小型無線

通信電路板。這一塊通信電路板包含了LTE模組、以太網(wǎng)控

制芯片、天線接口等，相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車中用于對外無線通信

的T-box,此次將其集成在MCU中，能夠節(jié)約空間和成本。

我們本次拆解的2020款model3采用了Telit的LTE模組，在

2021款以后特斯拉將無線模組供應(yīng)商切換成移遠(yuǎn)通信。

MCU2的主板采用了雙面PCB板，正面主要布局各種網(wǎng)絡(luò)相

關(guān)芯片，例如Intel和Marvell的以太網(wǎng)芯片，Telit的LTE模

組，TI的視頻串行器等。正面的另一個(gè)重要作用是提供對外

接口，如藍(lán)牙/WiFi/LTE的天線接口、攝像頭輸入輸出接口、

音頻接口、USB接口、以太網(wǎng)接口等。

圖29：座艙域控制器電路板正面

音頻接口一ccI攝像頭輸TI1080P轉(zhuǎn)FPD|左右LTEMarvell以太網(wǎng)

?左中右儀表板揚(yáng)聲器USB，出接口link川串行器，天線接口,控制芯片

?四車門揚(yáng)聲器攝像頭輸

入接口

"felk

TehtLTE模組

以太同

接口TI1080p$$FPD

linkIII串行器

CAN網(wǎng)?藍(lán)牙天線

A接口

絡(luò)與供

電接口A

i\JW的天線

r1接口

Marvell以太網(wǎng)\USB與調(diào)

以太網(wǎng)BroadReach接口

物理層收發(fā)器以太網(wǎng)控制芯片9元1砂E來智庫

而MCU2的背面更為重要，其核心是一顆IntelAtom

A3950芯片，搭配總計(jì)4GB的Micron內(nèi)存和同樣是Micron

提供的64GBeMMC存儲(chǔ)芯片。此外還有LGInnotek提供的

WiFi/藍(lán)牙模塊等。

在座艙平臺(tái)上，特斯拉基于開源免費(fèi)的Linux操作系統(tǒng)

開發(fā)了其自有的車機(jī)操作系統(tǒng)，由于Linux操作系統(tǒng)生態(tài)不

如Android生態(tài)豐富，特斯拉需要自己進(jìn)行一部分主流軟件的

開發(fā)或適配。座艙域的重要作用就是信息娛樂，MCU2在這

一方面表現(xiàn)尚顯不足。伴隨A3950芯片低價(jià)的是其性能有限,

據(jù)車東西測試稱，在MCU2上啟動(dòng)騰訊視頻或bilibili的時(shí)間

都超過了20秒，且地圖放大縮小經(jīng)?？D?？D的原因是多

方面的，一方面A3950本身算力有限，集成顯卡HD505性能

也比較弱，處理器測評網(wǎng)站NotebookCheck對英特爾HD505

的評價(jià)是，截至2016年的游戲，即使是在最低畫質(zhì)設(shè)置下，

也很少能流暢運(yùn)行。另一方面，速度較慢、壽命較短的

eMMC（embeddedMultiMediaCard）閃存也會(huì)拖累系統(tǒng)性能。

eMMC相對機(jī)械硬盤具備速度和抗震優(yōu)勢，但擦寫壽命可能

只有數(shù)百次，隨著使用次數(shù)增多，壞塊數(shù)量增加，eMMC的

性能將逐漸惡化，在使用周期較長的汽車上這一弊端可能會(huì)

得到進(jìn)一步放大，導(dǎo)致讀寫速度慢，使用卡頓，2021年年初,

特斯拉召回初代MCUeMMC可以佐證這一點(diǎn)。綜合來看，特

斯拉MCU2相比同時(shí)期采用高通820A的車機(jī)，屬于偏弱的

水平。

但特斯拉作為一家重視車輛智能水平的企業(yè)，并不會(huì)坐

視落后的局面一直保持下去。2021年發(fā)布的所有新款車型都

換裝AMDCPU（zen+架構(gòu)）和獨(dú)立顯卡（RDNA2架構(gòu)），

GPU算力提升超過50倍，存儲(chǔ)也從eMMC換成了SSD,讀

寫性能和壽命都得到大幅改善。整體來看，相比MCU2,

MCU3性能獲得明顯提升，提升幅度比第一代到第二代的跨

度更大。

表2：特斯拉三代座艙域控制器配置對比

第三代座艙域控制器第三代座艙域控制器（國產(chǎn)

第一代座艙域控制器第二代座艙域控制器

（ModelS）ModelYPerformance）

方案英偉達(dá)TegraVCMTegra3T30英特爾AtomA3950AMDAMD

AMD銳龍AMD銳龍

ARMCortex-A9（4+1核心）

CPU4核4線程x86_64YE180FC3T4MFGYE180FC3T4MFG

1.4GHz單核最高1.5GHz

4核8線程4核8線程

集成12核心GeForceULP獨(dú)11AMDRadeon獨(dú)立AMDRadeon

GPU集成IntelHD505500MHz

520MHz215-130000026215-130000026

GPU算力

12.4GFLOPS187GFLOPS10TFLOPS10TFLOPS

（單精度）

TDP20W12W45W+130W45W+130W

CPU制程40nm14nm12nm12nm

GPU制程40nm14nm7nm7nm

顯存1GB4GB8GB8GB

內(nèi)存1GB4GB10GB16GB

閃存8GBeMMC64GBeMMC256GBSSD256GBSSD

17英寸+8英寸+12.3英

娛樂屏幕17英寸17英寸+12.3英寸/15.4英寸15.4英寸

寸

K濟(jì)畛I、氯卜F

交付時(shí)間201220182021

提升的配置也讓使用體驗(yàn)得到大幅提升。根據(jù)車東西的

測試，MCU3加載bilibili的時(shí)間縮短到9秒，瀏覽器啟動(dòng)時(shí)

間為4秒，地圖也能夠流暢操作，雖然相比手機(jī)加載速度仍

然不夠，但已經(jīng)有明顯改善。另外MCU3的龐大算力讓其能

夠運(yùn)行大型游戲，比如2021年6月新款特斯拉modelS交付

儀式上，特斯拉工作人員就現(xiàn)場展示了用手柄和車機(jī)玩賽博

朋克2077。而且特斯拉官網(wǎng)上，汽車內(nèi)部渲染圖中，車機(jī)屏

幕上顯示的是巫師3。這兩個(gè)案例已經(jīng)說明，MCU3能夠充

分支持3A游戲，使用體驗(yàn)一定程度上已經(jīng)可以與PC或游戲

主機(jī)相比較。

從特斯拉車機(jī)與游戲的不斷靠攏我們可以看到未來座艙

域的發(fā)展第一個(gè)方向，即繼續(xù)推進(jìn)大算力與強(qiáng)生態(tài)。目前除

特斯拉采用x86座艙芯片外，其他車企采用ARM體系較多，

但同樣呈現(xiàn)出算力快速增長的趨勢，這一點(diǎn)從主流的高通

820A到8155,乃至下一代的8295都能夠得到明顯體現(xiàn)。高

通下一代座艙芯片8295性能基本與筆記本電腦所用的8cx相

同?？梢钥吹綗o論是特斯拉用的AMD芯片還是其他車企用的

高通芯片，目前趨勢都是從嵌入式的算力水平向PC的算力水

平靠攏，未來也有可能進(jìn)一步超越PC算力。

而且高算力讓座艙控制器能夠利用現(xiàn)有的軟件生態(tài)。特

斯拉選用x86,基于Linux開發(fā)操作系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的PC游

戲平臺(tái)，其他廠商更多利用現(xiàn)有的ARM-Android移動(dòng)生態(tài)。

這一方向發(fā)展到一定階段后，可能會(huì)給車企帶來商業(yè)模式的改

變，汽車將成為流量入口，車企可以憑借車載的應(yīng)用商店等

渠道獲得大量軟件收入，并且大幅提高毛利率。座艙域控制

器的第二個(gè)發(fā)展方向則是可能與自動(dòng)駕駛控制器的融合。首先,

當(dāng)前座艙控制器的算力普遍出現(xiàn)了過剩，剩余的算力完全可

以用于滿足一些駕駛類的應(yīng)用，例如自動(dòng)泊車輔助等。其次,

一些自動(dòng)駕駛功能尤其是泊車相關(guān)功能需要較多人機(jī)交互，這

正是座艙控制器的強(qiáng)項(xiàng)。而且，座艙控制器與自動(dòng)駕駛控制

器的融合還能夠帶來一定的資源復(fù)用和成本節(jié)約，停車期間

可以將主要算力用于進(jìn)行游戲娛樂，行駛期間則將算力用于保

障自動(dòng)駕駛功能，而且這種資源節(jié)約能夠讓汽車少一個(gè)域控制

器，按照MCU3的價(jià)格，或許能夠?yàn)槊颗_(tái)車節(jié)約上百美元的

成本。目前已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)多二者融合的跡象，比如博世、

電裝等主流供應(yīng)商紛紛在座艙域控制器中集成ADAS功能，

未來這一趨勢有望普及。

表5：部分座艙平臺(tái)已經(jīng)融合了泊車功能（艙泊一體）

廠商座艙域/平臺(tái)置產(chǎn)時(shí)間集成或支持的ADAS功能

偉世通SmartCore2018DMS、360環(huán)視等

博世Autosee2.02022駕駛員和乘員監(jiān)控（DOMS）、360環(huán)視等

電裝Intelligent-cockpit2020駕駛員監(jiān)控、360環(huán)視等

哈曼座艙域平臺(tái)2020DMS、OMS、360環(huán)視、夜視等

東軟座艙域平臺(tái)2020360環(huán)視、V2X等

中科創(chuàng)達(dá)TurboxAuto4.52021前視ADAS、DMS和自動(dòng)泊車功能等

3辦嗣底歸港學(xué)厚

諾博科技iN9.02021

電控域：IGBT宏圖大展，SiC鋒芒初露

IGBT：汽車電力系統(tǒng)中的“CPU”，廣泛受益于電氣化浪

潮

IGBT相當(dāng)于電力電子領(lǐng)域的“CPU”，屬于功率器件門檻

最高的賽道之一。功率半導(dǎo)體又稱為電力電子器件，是電力

電子裝置實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換、電路控制的核心器件，按集成度可

分為功率IC、功率模塊和功率分立器件三大類，其中功率器

件又包括二極管、晶閘管、MOSFET和IGBT等。應(yīng)用場景

的增量擴(kuò)張使得汽車領(lǐng)域成為市場規(guī)模最大，增長速度最快的

IGBT應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，新能源汽車（含充電樁）

是IGBT最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，其占比達(dá)31%。IGBT在汽車中

主要用于三個(gè)領(lǐng)域，分別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主逆變器、充電相關(guān)的

車載充電器（OBC）與直流電壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）、完成輔

助應(yīng)用的模塊。

1）主逆變器：主逆變器是電動(dòng)車上最大的IGBT應(yīng)用場

景，其功能是將電池輸出的大功率直流電流轉(zhuǎn)換成交流電流,

從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。除IGBT外，SiCMOSFET也能完成

主逆變器中的轉(zhuǎn)換需求。2）車載充電器（OBC）與直流電壓

轉(zhuǎn)換器（DC/DC）：車載充電器搭配外界的充電樁，共同完

成車輛電池的充電工作，因此OBC內(nèi)的功率器件需要完成交-

直流轉(zhuǎn)換和高低壓變換工作。DC/DC轉(zhuǎn)換器則是將電池輸出

的高壓電（400-500V）轉(zhuǎn)換成多媒體、空調(diào)、車燈能夠使用

的低壓電（12-48V）,常用到的功率半導(dǎo)體為IGBT與

MOSFETo3）輔助模塊：汽車配備大量的輔助模塊（如：車

載空調(diào)、天窗驅(qū)動(dòng)、車窗升降、油泵等），其同樣需要功率

半導(dǎo)體完成小功率的直流/交流逆變。這些模塊工作電壓不高,

單價(jià)也相對較低，主要用到的功率半導(dǎo)體為IGBT與IPM。

以逆變器為例，Models的動(dòng)力總成有兩種，分別為

LargeDriveUnit（LDU）和SmallDriveUnit（SDU）,前者

裝配在“單電機(jī)后驅(qū)版本”中的后驅(qū)、“雙電機(jī)高性能四驅(qū)版本”

中的后驅(qū)，后者裝配在“雙電機(jī)四驅(qū)版本”中的前后驅(qū)、“雙電

機(jī)高性能四驅(qū)版本''中的前驅(qū)。

圖34：特斯拉的逆變器分布

LDU尺寸較大，輸出功率也較大，內(nèi)部的逆變器包含84

個(gè)IGBT。LDU的逆變器呈現(xiàn)三棱鏡構(gòu)造，每個(gè)半橋位于三

棱鏡的每個(gè)面上，每個(gè)半橋的PCB驅(qū)動(dòng)板（三角形）位于三

棱鏡的頂部，電池流出的高壓直流電由頂部輸入，逆變后的高

壓交流電由底部輸出。

ModelS（單電機(jī)版本）全車共有96個(gè)IGBT,其中有84

個(gè)IGBT位于逆變器中，為其三相感應(yīng)電機(jī)供電，84個(gè)IGBT

的型號為英飛凌的IKW75N60To若以每個(gè)IGBT5美元計(jì)算,

ModelS逆變器所使用的IGBT價(jià)格約為420美元。

SiC：Model3開創(chuàng)應(yīng)用先河，與IGBT各有千秋

與IGBT類似，SiC同樣具有高電壓額定值、高電流額定

值以及低導(dǎo)通和開關(guān)損耗等特點(diǎn)，因此非常適合大功率應(yīng)用。

SiC的工作頻率可達(dá)100kHz以上，耐壓可達(dá)20kV,這些性

能都優(yōu)于傳統(tǒng)的硅器件。其于上世紀(jì)70年代開始研發(fā)，2010

年SiCMOSFET開始商用，但目前并未大規(guī)模推廣。

圖37：各功率半導(dǎo)體適用范圍比較

Model3為第一款采用全SiC功率模塊電機(jī)控制器的純電

動(dòng)汽車，開創(chuàng)SiC應(yīng)用的先河?；贗GBT的諸多優(yōu)勢，在

Model3問世之前，世面上的新能源車均采用IGBT方案。而

Model3利用SiC模塊替換IGBT模塊，這一里程碑式的創(chuàng)新

大大加速了SiC等寬禁帶半導(dǎo)體在汽車領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。

根據(jù)SystemPlusconsulting拆解報(bào)告，Model3的主逆變器上

共有24個(gè)SiC模塊，每個(gè)模塊包含2顆SiC裸晶（Die）,共

48顆SiCMOSFETo

Model3所用的SiC型號為意法半導(dǎo)體的STGK026。在

相同功率等級下，這款SiC模塊采用激光焊接將SiCMOSFET.

輸入母排和輸出三相銅進(jìn)行連接，封裝尺寸也明顯小于硅模

塊，并且開關(guān)損耗降低75%。采用SiC模塊替代IGBT模塊，

其系統(tǒng)效率可以提高5%左右，芯片數(shù)量及總面積也均有所減

少。如果仍采用ModelX的IGBT,則需要54-60顆IGBT。

24個(gè)模組每個(gè)半橋并聯(lián)四個(gè)，利用水冷進(jìn)行散熱。24個(gè)

模塊排列緊密，每相8個(gè)，單個(gè)開關(guān)并聯(lián)4個(gè)。模組下方緊

貼水冷散熱器，并利用其進(jìn)行散熱?？梢钥吹?，模塊所在位

置的背面有多根棒狀排列的散熱器（擾流柱散熱器），利用冷

卻水進(jìn)行水冷。水通道由稍大的蓋板覆蓋和密封。

圖42：逆變器殼體散熱結(jié)構(gòu)三維示意圖

Model3形成“示范效應(yīng)”后，多家車廠陸續(xù)跟進(jìn)SiC方案。

在Model3成功量產(chǎn)并使用后，其他廠商開始逐漸認(rèn)識(shí)到SiC

在性能上的優(yōu)越性，并積極跟進(jìn)相關(guān)方案的落地。2019年9

月，科銳與德爾?？萍夹奸_展有關(guān)車用SiC器件的合作，

科銳于2020年12月成為大眾FAST項(xiàng)目SiC獨(dú)家合作伙伴；

2020年，比亞迪“漢”EV車型下線，該車搭載了比亞迪自主研

發(fā)的的SiCMOSFET模塊，加速性能與續(xù)航顯著提升；2021

年，比亞迪在其“唐”EV車型中加入SiC電控系統(tǒng)；2021年4

月，蔚來推出的轎車ET7搭載具備SiC功率模塊的第二代高

效電驅(qū)平臺(tái)；小鵬、理想、捷豹、路虎也在逐漸布局SiC。

相比IGBT,SiC能夠帶動(dòng)多個(gè)性能全面提升，優(yōu)勢顯著。

由于Si-IGBT和Si-FRD組成的IGBT模塊在追求低損耗的道

路上走到極致，意法半導(dǎo)體、英飛凌等功率器件廠商紛紛開

始研發(fā)SiC技術(shù)。與Si基材料相比，SiC器件的優(yōu)勢集中體

現(xiàn)在：1)SiC帶隙寬，工作結(jié)溫在200℃以上，耐壓可達(dá)

20kV；2)SiC器件體積可以減少至IGBT的1/3?1/5,重量減

少至40%?60%；3)功耗降低60%?80%,效率提升1%?3%,

續(xù)航提升約10%。在多項(xiàng)工況測試下，SiCMOSFET相比Si-

IGBT在功耗和效率上優(yōu)勢顯著。

但SiC的高成本制約普及節(jié)奏，未來SiC與Si-IGBT可

能同步發(fā)展，相互補(bǔ)充。與IGBT相比，SiC材料同樣存在亟

待提升之處。1)目前SiC成品率低、成本高，是IGBT的

4?8倍；2)SiC和SiO2界面缺陷多，柵氧可靠性存在問題。

受限于高成本，SiC器件普及仍需時(shí)日，疊加部分應(yīng)用場景

更加看重穩(wěn)定性，我們認(rèn)為SiC在逐步滲透的過程中將與Si-

IGBT一同成長，未來兩者均有廣闊的應(yīng)用場景與增長空間。

圖49：MOSFET-SiC和IGBT-Si價(jià)格對比

3

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由于應(yīng)用落地較慢，目前整個(gè)SiC市場仍處于發(fā)展階段,

國外廠商占據(jù)主要份額。根據(jù)Cree（現(xiàn)公司名為Wolfspeed）

數(shù)據(jù)，2018年全球SiC器件銷售額為4.2億美元，預(yù)計(jì)2024

年銷售額將達(dá)50億美元。SiC產(chǎn)業(yè)分鏈可分為襯底、外延、

模組&器件、應(yīng)用四大環(huán)節(jié)，意法半導(dǎo)體、英飛凌、Cree、

Rohm以及安森美等國外龍頭主要以IDM模式經(jīng)營，覆蓋產(chǎn)

業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)，五家龍頭占據(jù)的市場份額分別為40%、22%、

14%、10%、7%o國內(nèi)三安光電、中車時(shí)代電氣、揚(yáng)杰科技、

華潤微等廠商以IDM模式經(jīng)營，而天岳先進(jìn)、露笑科技、華

天科技等廠商則專注于某一細(xì)分環(huán)節(jié)。

動(dòng)力域：主從架構(gòu)BMS為軀干，精細(xì)電池管理為核心

Model3作為電動(dòng)車，電能和電池的管理十分重要，而負(fù)

責(zé)管理電池組的BMS是一個(gè)高難度產(chǎn)品。BMS最大的難點(diǎn)

之一在于，鋰電池安全高效運(yùn)行的條件是十分苛刻的。當(dāng)今

的鋰電池，無論正負(fù)極還是電解液都十分脆弱。正負(fù)極均為多

孔材料，充放電時(shí)鋰離子就在正極和負(fù)極的孔隙中移動(dòng)，導(dǎo)致

正負(fù)極材料膨脹或收縮，當(dāng)鋰電池電壓過高或過低，就意味

著鋰離子過度集中在正負(fù)極其中之一，導(dǎo)致這一邊的電極過度

膨脹而破碎，還容易產(chǎn)生鋰枝晶刺破電池結(jié)構(gòu)，而另一邊的

電極由于缺乏鋰離子支撐，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，如此正負(fù)極都

會(huì)受到永久性損害。電解液和三元正極材料都對溫度比較敏感,

溫度過高則容易發(fā)生分解和反應(yīng)，乃至燃燒、爆炸。因此，

使用鋰電池的前提就是確保其能工作在合適的溫度和電壓窗

口下。如果以電壓為橫軸，溫度為縱軸繪制一張圖，這就意味

著鋰電池必須運(yùn)行在圖中一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)。BMS的第二大

難點(diǎn)在于，不同的鋰電池之間必然存在不一致性。這種不一致

性就導(dǎo)致同一時(shí)間，在同一電池組內(nèi)，不同的電池仍然工作

在不同的溫度、電壓、電流下。

圖52：鋰電池狹小的安全窗口與不一致性給電池組管理帶來了巨大難度

?鋰電池能夠安全高效

運(yùn)行的電壓和溫度范

Tempemfureholierthan310°C.IJFcP<>>

Breakdownandrrka?r?圍十分狹窄，綠色窗

Tbcrmalntnaway

lire,theIcmpcraturrrmcUiarpK口之外存在各種安全

Tcmpcr?(tirchitflicrthan26S?C.UMn:O4otidated風(fēng)險(xiǎn)或性能損失。

andrdejiM1*ox*gm

Temperatureh^tecrthan210?C,

breakdownandrrlca*e*ot>gcw

Safety?ahc(o?不同電池之間存在一

200—Temperatarchietecrthaa200?C,theckctrol,

dccumiMMttio?.flammable定的不一致性，同一

TcmpcratiirrhixiicrIhaa160?C.1/、&.?不

breakdowaandrdrawt時(shí)刻不同的電池處在

TrmprralMrcIhaal50eC,I>2brrakdown不同的狀態(tài)溫度和電

aadrelca?o

Srparalorbc^?\H>cltamil>l<?ck壓下。

AIMKCI2O℃.embrddedreactwiththerkdrol>lc,SEI

cannotbecwtoffthroftheaaodcandthrHcctrat>t?

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