產(chǎn)研：汽車動力域為何難以被集成化？

什么是動力域？

近年來，為應(yīng)對汽車智能化的發(fā)展，汽車電子電氣架構(gòu)從分布式走向集中式，將幾十個控制器所需要的軟件和所需的算法集中在高性能SoC?上，各種部件上的控制器只負責(zé)驅(qū)動。博世將汽車電子電氣架構(gòu)的演進分為三大階段：分布式架構(gòu)、（跨）域集中式架構(gòu)、車輛集中電子電氣架構(gòu)，每個大階段中細分為兩個小階段，從低階到高階依次為：模塊化（每個功能由一個獨立的ECU?實現(xiàn)）、集成化（不同的功能集成到一個ECU?來實現(xiàn)）、域內(nèi)集中（域控制器分別控制不同的域）、跨域融合（跨域控制器同時控制多個域）、車輛融合（一個車載中央計算器控制全車的域控制器）、車輛云計算（更多的車輛附加功能由云計算實現(xiàn)）。

電子電氣架構(gòu)升級，來源：蓋世汽車

目前汽車廠商的電子電氣架構(gòu)升級都仍處于域集中式架構(gòu)階段，以蔚來ET7為例，集中式電子電氣架構(gòu)分為輔助駕駛域、底盤域、動力域、座艙域和車身域（也有劃分增加了信息娛樂域）。少數(shù)領(lǐng)先的車廠已經(jīng)發(fā)展到了跨域融合階段，比如大眾的MEB平臺采用三大控制器來對全車進行控制與功能實現(xiàn)。

從長遠來看，未來汽車架構(gòu)的變化將導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)權(quán)從供應(yīng)商向掌握域控制器的主機廠轉(zhuǎn)移（如特斯拉自研控制器）。汽車控制器在汽車整車及零部件中扮演了“大腦”的角色，也是汽車軟件的物理載體。其中，單一功能控制器被稱為電控單元（ECU），多功能域控制器被稱為域控單元（DCU）。

不過，與自動駕駛域和座艙域、車身域的集中化趨勢不同。信息娛樂域、輔助/自動駕駛域采用DCU已較為普遍，核心原因是兩者對高性能定制硬件（性能性DCU）有剛性需求。但動力總成域、底盤域和車身域?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%AE%97%E5%8A%9B/">算力要求較低，而靈活性和開放程度要求較高，需要通用計算和通訊資源及標(biāo)準(zhǔn)化軟件平臺。如果針對動力域推DCU則成本過高，推廣較為困難。相比特斯拉這樣的新勢力，傳統(tǒng)車企通常產(chǎn)品譜系廣、范圍大，開發(fā)一套架構(gòu)不但要兼顧高低中配車型，還要考慮全球各地供應(yīng)鏈、產(chǎn)線的可重用性等一系列問題，因此更傾向于保留?ECU硬件，通過?ECU接口標(biāo)準(zhǔn)化將其抽象為標(biāo)準(zhǔn)化傳感器或執(zhí)行器（只負責(zé)信號采集或負載驅(qū)動，不再具有運算功能），有利于車型譜系間的部件重用，降低變形開發(fā)費用，同時也照顧到現(xiàn)有供應(yīng)商的利益。

根據(jù)與非產(chǎn)業(yè)研究院的定義。動力域即安全域，是一種智能化的動力總成管理單元，主要用于動力總成的優(yōu)化與控制，在電動汽車中主要是指電驅(qū)和電控系統(tǒng)的集成化，同時兼具電氣智能故障診斷、智能節(jié)電、總線通信等功能。以新能源汽車為例，動力域包含了電控系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、以及逆變器、車載充電（OBC）等等。可以說動力域包含了新能源汽車的三大核心部件：電池、電控和電機（又稱為“大三電”）。其余還包括了減速機、高壓控制盒PDU、DC/DC變壓器等構(gòu)成部分。

?動力域核心總成部件詳解

新能源汽車三大核心總成部件結(jié)構(gòu)圖，來源：欣銳科技招股說明書

其中電機高速化趨勢明顯，帶動減速器向兩檔減速方向發(fā)展。目前，特斯拉Model3電機轉(zhuǎn)速已達到17900rpm，國內(nèi)車企基本也都達到了16000rpm，下一步規(guī)劃便是18000-20000rpm。然而高轉(zhuǎn)速需要多檔減速器技術(shù)進行配套。兩檔減速器從最初的混動系統(tǒng)中的應(yīng)用走向了純電系統(tǒng)的應(yīng)用。相較于單檔減速器，兩檔減速器一方面使驅(qū)動電機在更高效的區(qū)域運行，從而提升驅(qū)動系統(tǒng)效率。另一方面，采用兩檔減速器后，傳動比可以做到更高，汽車動力性隨之增加、減少百公里加速時間。此外，采用兩個檔位后，驅(qū)動電機可以更加小型化、低速化，從而降低電機及電控的成本。目前，采埃孚、GKN、麥格納等企業(yè)均已推出兩檔減速器產(chǎn)品。

隨著國內(nèi)車企紛紛跟進800V高壓平臺架構(gòu)，在2022年陸續(xù)實現(xiàn)量產(chǎn)交付。小鵬汽車采用來自匯川技術(shù)的800VSiC高壓產(chǎn)品，小鵬G9將搭載XPower3.0動力系統(tǒng)，提供兩驅(qū)單電機與四驅(qū)雙電機兩種選擇，其中單電機最大功率230kW（312馬力），雙電機最大功率分別為175kW（238馬力）/230kW（312馬力），電驅(qū)系統(tǒng)最高效率可達95%以上。

主機廠選擇電驅(qū)動方案時會考慮五大因素——功率密度、集成化程度、高效率、安全性和智能化。不管是自研還是選擇其他零部件廠商的產(chǎn)品，這幾點都是重中之重。下一階段，多合一集成電驅(qū)、800V電壓平臺、SiC/GaN功率器件的研發(fā)與應(yīng)用、動力域等新技術(shù)將推動電驅(qū)動系統(tǒng)行業(yè)快速發(fā)展。隨著“三合一”集成電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展成熟，下一步將實現(xiàn)功率電子層面的“多合一”，將OBC車載充電器+高電壓DC/DC轉(zhuǎn)換器+逆變器+PDU配電單元進行深度整合，Tier1供應(yīng)商紛紛推出了全新的電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品。

部分Tier1供應(yīng)商電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品對比，來源：佐思汽研

2021年，比亞迪在e3.0平臺上推出八合一電動力總成，將電機、變速器、電機控制器、PDU、DC-DC、OBC、VCU、BMS高度集成，系統(tǒng)占用空間得到進一步壓縮，重量變得更輕。其整體性能較上一代功率密度提升20%，整機重量和體積分別降低15%、20%，系統(tǒng)綜合效率達到89%。比亞迪基于整車定位，400V中壓、800V高壓同平臺打造，獨立升壓裝置+復(fù)用驅(qū)動系統(tǒng)功率器件組成升壓充電拓撲，實現(xiàn)模塊化式的升壓架構(gòu)。高壓平臺采用1200V/840A的SiC功率模塊，SiC相對IGBT控制器體積縮小60%，開關(guān)損耗降低70%，電控系統(tǒng)最高效率可達99.7%。

2021年11月，上海電驅(qū)動的GaN三合一電驅(qū)動總成在安世半導(dǎo)體的展臺展出，因其超高的效率，備受青睞。在相同的工況下，對比傳統(tǒng)的硅基IGBT電機控制器，其效率提升非常明顯。基于氮化鎵的電機控制器最高效率可到99.34%，效率大于90%的面積占比為93.58%；基于硅基IGBT的電機控制器最高效率可到98.3%，效率大于90%的面積占比為83.94%。

華為“多合一”電驅(qū)動系統(tǒng)DriveONE：集成了BCU（電池控制單元）、PDU（高壓配電盒）、DC/DC（直流電源）、MCU（微控制單元）、OBC（車載充電器）、電動機、減速器七大部件，實現(xiàn)了機械部件與功率部件的深度融合。同時華為利用其軟件方面的優(yōu)勢，將智能化帶入到電驅(qū)動系統(tǒng)中，實現(xiàn)端云協(xié)同與控制歸一。這一多合一電驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)了體積減小20%，重量減輕15%的目標(biāo)，降低了開發(fā)成本，實現(xiàn)了整車前后驅(qū)適配。

傳統(tǒng)“三合一”電驅(qū)動技術(shù)升級，將向著“3+3+X平臺”演進，即是將三合一的電驅(qū)動系統(tǒng)（電機、變速器、電機控制器）與三合一高壓充配電系統(tǒng)（DC/DC、OBC、PDU）集成為“六合一”產(chǎn)品，或再進一步與BCU（電池控制單元）、VCU（整車控制器）等集成，形成“七合一”或“八合一”產(chǎn)品，實現(xiàn)機械部件和功率部件的深度融合。同時，電驅(qū)動與整車熱管理系統(tǒng)進一步聯(lián)動融合，形成高效能、一體化電驅(qū)動熱管理系統(tǒng)，通過電機、電控、減速器、DC/DC、電源等冷卻系統(tǒng)集成，統(tǒng)一熱管理，實現(xiàn)熱源集成，減少熱交換與熱損失，增加熱泵吸熱效率，以提升電動汽車?yán)m(xù)航里程。

?動力域功能模塊詳解

動力域產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成表，來源：與非產(chǎn)業(yè)研究院

在動力域相關(guān)的功能模塊中，主要包括動力域控制器、整車控制系統(tǒng)VCU、電池管理系統(tǒng)BMS、VBU等。

其中動力域控制器是一種智能化的動力總成管理單元，借助CAN/FLEXRAY實現(xiàn)變速器管理、引擎管理、電池監(jiān)控、交流發(fā)電機調(diào)節(jié)。其優(yōu)勢在于為多種動力系統(tǒng)單元（內(nèi)燃機、電動機發(fā)電機、電池、變速箱）計算和分配扭矩、通過預(yù)判駕駛策略實現(xiàn)CO2減排、通信網(wǎng)關(guān)等，主要用于動力總成的優(yōu)化與控制，同時兼具電氣智能故障診斷、智能節(jié)電、總線通信等功能。動力域控制器負責(zé)三電系統(tǒng)的控制，包括三合一系統(tǒng)、BMS和整車控制器。以哪吒PDCS動力域控制器為例，將VCU（整車控制系統(tǒng)）和BMS（電池管理系統(tǒng)）的軟硬件功能集成、算法集成，在硬件架構(gòu)上應(yīng)用英飛凌多核CPU/GPU芯片，提供了更大的代碼存儲空間和更強更安全的運算能力，具備豐富的輸入輸出通信端口，可支持多種形態(tài)的組合應(yīng)用和OTA升級能力。軟件架構(gòu)上具備AUTOSAR架構(gòu)+MBD建模應(yīng)用，可以有效提高軟件可靠性和可移植性。

BMS系統(tǒng)通常由電池控制器單元（BatteryControl Unit，BCU）和電池管理單元（BatteryManagementUnit，BMU）組成。電池模組中的BMU主要任務(wù)包括：負責(zé)采樣模組中的電芯的電壓，執(zhí)行電芯的電壓平衡，采樣和管理電芯的溫度，通過CAN總線跟外部其余相關(guān)單元進行通訊等。而BCU的主要任務(wù)包括：測量電池包的總電壓、總電流和絕緣狀態(tài)等，管理充電和放電，評估電池荷電狀態(tài)SOC/SOH/SOP值，此外它也是VCU與電池包之間的通訊中介橋梁。BMS系統(tǒng)以電池管理IC?為基礎(chǔ)構(gòu)建，芯片技術(shù)是?BMS產(chǎn)業(yè)鏈核心。BMS的核心是BMS芯片，針對不同的行業(yè)采用集成或分立的方案。比如消費電子領(lǐng)域通常采用SoC?方案，動力電池中因AFE（高壓工藝）、MCU?采用不同工藝，采用分立芯片形式。

2022年2月，隨著新能源汽車的持續(xù)熱銷，帶動相關(guān)零部件出貨量快速增長。國內(nèi)新能源乘用車OBC產(chǎn)品裝機量為24.57萬套，同比增長160.2%。乘用車BMS產(chǎn)品裝機量為24.61萬套，同比增長160.7%。

2022年2月新能源汽車OBC裝機量，來源：NE時代

OBC產(chǎn)品方面，與1月相比弗迪動力、威邁斯繼續(xù)保持前二位置，英搏爾憑借A00客戶產(chǎn)品的優(yōu)勢，本月躋身前三名。前三裝機量分別為5.83萬套、4.63萬套和3.08萬套。此外，本月超過一萬套裝機量的企業(yè)還包括新美亞、富特科技、欣銳科技以及鐵城科技。

2022年2月新能源汽車BMS裝機量，來源：NE時代

BMS產(chǎn)品方面，弗迪電池依舊占據(jù)榜首，并且優(yōu)勢明顯。第二、第三分別為寧德時代和特斯拉，前三裝機量分別為6.7萬套、3.31萬套和2.42萬套。此外，力高技術(shù)和華霆動力裝機量也超過一萬套。本月，憑借入門級車型客戶的優(yōu)勢，國創(chuàng)新能和銳能科技也進入前十，國創(chuàng)新能主要為奇瑞新能源提供配套，銳能科技則主要為長安和吉利入門級新能源車型提供配套。

整車控制器是純電動汽車整車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車中的發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）功能相似，純電動汽車的整車控制器能夠合理分配能量，最大限度地提高車載電池能量的利用效率。整車控制器的電控單元（VCU）是整車控制器系統(tǒng)的核心。在VCU市場，聯(lián)合電子持續(xù)保持高的市場份額，2021年7月的裝機量接近9萬套。而緯湃科技隨著大眾MEB平臺的ID4和ID6的上市上量，在2021年7月出貨量超萬套，排名前三。

動力域中的這些控制模塊核心用到的是元器件比如主控芯片、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，以及IGBT、Mosfet等功率半導(dǎo)體。現(xiàn)階段新能源汽車正在由?400V?向800V高壓演變，在此背景下，SiC功率器件開始逐漸成為主流。在BMS芯片領(lǐng)域，該市場仍然被歐美等模擬龍頭企業(yè)壟斷，如ADI、?TI、ST、英飛凌、NXP、瑞薩、松下等。在車載功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，近年來比亞迪、斯達、華潤微、新潔能、安世半導(dǎo)體、揚杰科技、華微電子等開始逐漸追趕。

?動力域未來八大技術(shù)趨勢

汽車產(chǎn)業(yè)電動化當(dāng)前主要的難題和挑戰(zhàn)有六方面：一是整車開發(fā)周期長、成本高，二是充電效率低、充電時間大于40分鐘；三是里程焦慮、冬季續(xù)航縮水；四是電池安全問題頻發(fā)；五是動力域智能化發(fā)展緩慢；六是車企對于更勝一籌的差異化解決方案的需求。

圍繞以上痛點，未來汽車動力域發(fā)展將呈現(xiàn)八大趨勢，分別是融合極簡、千伏閃充、全場景高效、AI使能安全可靠、分布式驅(qū)動、智能OTA、集中域控制、數(shù)字化開發(fā)。

一是融合極簡。從三合一走向N合一超融合動力域架構(gòu)，硬件模塊化，實現(xiàn)整車極簡布置及開發(fā)。未來，N合一有兩大發(fā)展趨勢，一是上部驅(qū)動制動，包括熱管理的融合；二是從底盤往上融合，未來底盤域和動力域?qū)⒒ハ嗳诤?，稱之為滑板底盤。

二是千伏閃充。當(dāng)前電動車充電便利性不夠，充電要1小時，排隊可能要4小時。預(yù)計未來，快充接近加油體驗，5分鐘的快充不再是神話，大功率充電需求推動動力域向“千伏”演進。

三是全場景高效。通過“比特管理瓦特”，三能互補，AI尋優(yōu)，實現(xiàn)器件-系統(tǒng)-整車全場景全層級高效。未來需要面向整個域控制的協(xié)同、多物理場合的協(xié)同，電、機、熱管理協(xié)同，包括電池本身，實現(xiàn)全場景的高效，滿足用戶在續(xù)航里程的需求。

四是AI使能安全可靠。云端大數(shù)據(jù)算法，結(jié)合AI能力，實現(xiàn)動力域更安全更可靠。電池很難通過傳統(tǒng)的云和大數(shù)據(jù)的方式進行熱失控預(yù)測，AI技術(shù)引入后，通過高維打低維，結(jié)合大數(shù)據(jù)、端側(cè)檢測精度采樣更精密，實現(xiàn)熱失控的預(yù)警。

未來在動力域、電驅(qū)動、充電系統(tǒng)、電子元器件部件方面，都能通過AI，通過三態(tài)（設(shè)計態(tài)、生產(chǎn)態(tài)、運行態(tài)）的迭代優(yōu)化去進行數(shù)字孿生，對全生命周期的可靠性、安全性進行預(yù)測、防護，提升用戶用車的安全。

五是分布式驅(qū)動。從集中式走向分布式，全輪獨驅(qū)，靈活高效，打造極致駕駛體驗。

六是智能OTA。AI、大數(shù)據(jù)、云，與消費者個性化和場景化的需求融合，持續(xù)提升動力域智能體驗。

七是集中域控制。從分立部件到分布式域控制，再到控制歸一，最終實現(xiàn)整車的高度智能化。

八是數(shù)字化開發(fā)。動力域開發(fā)從傳統(tǒng)模式向數(shù)字化方向演進，開發(fā)周期減半，開發(fā)成本減半。

當(dāng)前主流的測試方式是經(jīng)驗設(shè)計+多輪樣機驗證，其弊端是時間長，費用高，通常歷時3-5年，開發(fā)費動輒千萬級開發(fā)費。未來數(shù)字化的導(dǎo)入，基于集成、數(shù)字化平臺開發(fā)，解決優(yōu)化部分測試，實現(xiàn)1-2年集成迭代，加速電動車的開發(fā)進程，帶來更新更高的體驗。