據(jù)介紹，中信證券研究部TMT和汽車(chē)團(tuán)隊(duì)協(xié)同多家公司和機(jī)構(gòu)耗時(shí)兩個(gè)月才完成了對(duì)特斯拉Model 3標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版的完整拆解，對(duì)其域控制器、線束和連接器、電池、電機(jī)電控、熱管理、車(chē)身等多個(gè)方面進(jìn)行了深入細(xì)致地分析，并形成了這份研報(bào)。

具體如下：

一、域控制器：軟件定義汽車(chē)，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(lái)的 新市場(chǎng)遇到珍妮紡紗機(jī)，就足夠引發(fā)一場(chǎng)工業(yè)革命；出行的需求遇上熱機(jī)，就產(chǎn)生了各類(lèi) 交通工具。集成電路出現(xiàn)以來(lái)，人們對(duì)電子化、自動(dòng)化、智能化的需求越來(lái)越高，其根源 還是對(duì)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(kāi)始推動(dòng)汽車(chē)往智能化方向演進(jìn)。?

汽車(chē)的智能化的大方向已經(jīng)成為了產(chǎn)業(yè)共識(shí)和市場(chǎng)共識(shí)，然而什么叫智能化卻沒(méi)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(chē)的軟件“可迭代、可演進(jìn)”。比如 說(shuō) 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(guò)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(lái)越好，逐步向我們理想中的“智能終端”逼近。?

無(wú)論每個(gè)人如何去定義自己心目中的汽車(chē)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(chē)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(jí)迭代。而汽車(chē)過(guò)去的 E/E 架構(gòu)（如下圖所示），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(hào)的汽車(chē)從出廠到最終報(bào)廢，軟件功能都沒(méi)有升級(jí)過(guò)，都沒(méi)有迭代，又何談智能？

顯而易見(jiàn)，汽車(chē)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(shì)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(chē)廠的主要原因，我們接下來(lái)就對(duì)特斯拉的車(chē)身域、座艙域、駕駛域進(jìn)行詳細(xì)的解讀。

1、車(chē)身域

車(chē)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(chē)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(lái)說(shuō)，作為傳統(tǒng)汽 車(chē)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(chē)的 ECU 整合為駕駛輔助、安全、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)、娛樂(lè)信息、車(chē)身電子 5 個(gè)域，不同域 之間通過(guò)域控制器和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。在當(dāng)時(shí)看來(lái)，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(lái)看，每個(gè)域內(nèi)部仍然需要較為復(fù)雜的線束連接，整車(chē)線束復(fù)雜度仍然較高。

與博世形成對(duì)比，特斯拉 model 3 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(chē) 身控制器就集中體現(xiàn)了特斯拉造車(chē)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(chē)中的所有同類(lèi)元器件，這樣才能最大化減少車(chē)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(chē)開(kāi)發(fā)和制造成本。所以特斯拉的三個(gè)車(chē)身 域控制器分別分布在前車(chē)身、左前門(mén)和右前門(mén)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(chē)身域要實(shí)現(xiàn)徹底的軟硬件解耦，對(duì)廠商的軟件能力的要 求大大提高。

以下分別介紹三個(gè)車(chē)身控制器的情況，車(chē)身域分為前車(chē)身域、左車(chē)身域、右車(chē)身域， 其在 Model3 車(chē)身上的位置如下圖所示：

前車(chē)身域控制器的位置在前艙，這個(gè)位置理論上來(lái)說(shuō)遇到的碰撞概率要更高，因此采 用鋁合金的保護(hù)外殼，而左右車(chē)身域控制器由于在乘用艙內(nèi)，遇到外界碰撞的概率較低， 保護(hù)外殼均采用塑料結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

前車(chē)身控制器：全車(chē)電子電氣配電單元以及核心安全 ECU 連接

前車(chē)身控制器位于前艙中，主要負(fù)責(zé)的功能是前車(chē)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(lèi)電子電氣的配電和控制：1、安全 相關(guān)：i-booster、ESP 車(chē)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(chē)身其它功能：車(chē)頭燈、 機(jī)油泵、雨刮等。除此之外，它還給左右車(chē)身控制器供電，這一功能十分重要，因?yàn)樽笥?車(chē)身控制器隨后還將用這兩個(gè)接口中的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)各自控制的車(chē)身零部件。

將其拆開(kāi)來(lái)看，具體功能實(shí)現(xiàn)方面，需要諸多芯片和電子元件來(lái)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(shuō)控制部分，主要由一顆意法半導(dǎo)體的 MCU 來(lái)執(zhí)行（圖中紅框）。此外，由于涉及 到冷卻液泵、制動(dòng)液液壓閥等各類(lèi)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 （圖中橙色框 M0、M1、M2），這類(lèi)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(cè)各部件中電流的大小，另一方面也需要根據(jù)監(jiān)測(cè) 的結(jié)果對(duì)電流通斷和電流大小進(jìn)行控制。電流監(jiān)測(cè)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(guò) MOSFET 的開(kāi)關(guān)，另一方面也可以通過(guò) HSD 芯片（High Side Driver，高 邊開(kāi)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(chē)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(chē)身域控制器：負(fù)責(zé)車(chē)身左側(cè)電子電氣調(diào)度?

左車(chē)身控制器位于駕駛員小腿左前方位置，貼合車(chē)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(chē)身控制器負(fù)責(zé)管理駕駛艙及后部的左側(cè)車(chē)身部件，充分 體現(xiàn)了盡可能節(jié)約線束長(zhǎng)度以控制成本的指導(dǎo)思想。?

左車(chē)身控制器主要負(fù)責(zé)了幾類(lèi)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(pán)位置調(diào)節(jié)、照腳燈；2、座椅和車(chē)門(mén)：，左前座椅、左后座椅、前門(mén)、后排車(chē)門(mén)、座椅、尾燈等。

左車(chē)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(lái)實(shí)現(xiàn)。左車(chē)身的燈具和電機(jī)比較多，針對(duì)燈具類(lèi)應(yīng)用，特斯拉選用了一批 HSD 芯片來(lái)進(jìn)行控制，主要采用英飛凌的 BTS 系列芯片。針對(duì)電機(jī)類(lèi)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 MOSFET。

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

右車(chē)身控制器與左車(chē)身基本對(duì)稱，接口的布局大體相同，也有一些不同點(diǎn)。右車(chē)身域 負(fù)責(zé)超聲波雷達(dá)以及空調(diào)，同時(shí)右車(chē)身承擔(dān)的尾部控制功能更多一些，包括后方的高位剎 車(chē)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(chē)身較為相似。一個(gè)不同點(diǎn) 在于右車(chē)身信號(hào)較多，所以將主控單片機(jī)從左車(chē)身的 ST 換成了瑞薩的高端單片機(jī) RH850 系列。此外由于右車(chē)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(chē)身域的思路：徹底地軟件定義汽車(chē)，用芯片替代保險(xiǎn)絲和繼電器?

車(chē)身域是特斯拉相比傳統(tǒng)汽車(chē)變化最大的地方，傳統(tǒng)汽車(chē)采用了大量 ECU，而特斯拉 通過(guò)三個(gè)域?qū)崿F(xiàn)了對(duì)整車(chē)的一個(gè)控制。雖然都是往域控制器方向走，但特斯拉沒(méi)有采用博 世的功能域做法，而是完全按區(qū)域來(lái)進(jìn)行劃分，將硬件盡量標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)軟件來(lái)定義汽車(chē) 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(chē)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(chē)。

特斯拉控制器的未來(lái)走向：走向更高集成度，優(yōu)化布置持續(xù)降本?

從特斯拉車(chē)身控制器能夠體現(xiàn)出的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是器件的持續(xù)集成和持續(xù)降本。早 期版本的 model S 和 model X 并無(wú)如此集中的車(chē)身控制器架構(gòu)，但如今較新的 model 3 和 model Y 已經(jīng)體現(xiàn)出集成度增加的趨勢(shì)。左下圖中我們可以看到，作為第三代車(chē)身域控 制器產(chǎn)品，model Y 的車(chē)身控制器已經(jīng)與第一代的 model 3 有所不同，直觀上就是其元器 件密度有所增加。比如圖中的 MOSFET（黑色小方塊），model Y 的間距明顯要比 model 3 更小。因此，在同樣的面積下，控制器就能容納更多元件，融合更多功能。另外，與現(xiàn)有 的 model 3 不同，model Y 控制器的背面也被利用起來(lái)，增加了一定數(shù)量的元器件，這使 得控制器的集成度進(jìn)一步提高。集成度提高的結(jié)果就是車(chē)身電子電氣架構(gòu)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化， 汽車(chē)電子成本的進(jìn)一步降低。

另外 2020 款 model Y 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(chē)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(lái)車(chē)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(lái)看，特斯拉 用產(chǎn)品對(duì)此做出了否定的回答。我們可以看到，2021 年交付的 model S plaid，其第四代 車(chē)身控制器仍舊使用了分離的兩片左右車(chē)身控制器。

而且在第四代車(chē)身控制器設(shè)計(jì)中，前車(chē)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(chē)身管理、熱管理以及少量配電工作。整體來(lái)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(shì)。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(lái)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(lái)了控制器和受控器件 的距離增加，從而增加線束長(zhǎng)度，提高成本，而且元件集成密度也有一定的限制，我們無(wú) 法在有限的空間內(nèi)無(wú)限制集成，因此集中化也是有上限和最優(yōu)解的，目前看來(lái)特斯拉正逐 漸改善設(shè)計(jì)和工藝來(lái)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(chē)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(lái)自不同廠商，難以協(xié)同工作。但特斯拉將大量 ECU 集 成后，車(chē)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(lái)完成功能控制。比如特斯拉 model 3 的左右車(chē)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(chē)空調(diào)出風(fēng)口來(lái)調(diào)節(jié)車(chē)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)，或?qū)Ω瘪{駛 座位上的乘客進(jìn)行體重檢測(cè)，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(chē)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)。?

特斯拉這種軟硬件持續(xù)集成的方案在帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也對(duì)軟件開(kāi)發(fā)能力提出了更高 要求。只有統(tǒng)攬全局軟硬件方案、熟悉各個(gè)部件特性的整車(chē)廠商才有能力開(kāi)發(fā)如此龐大復(fù) 雜的軟件系統(tǒng)，傳統(tǒng)車(chē)企一直以來(lái)扮演集成商的角色，ECU 軟件開(kāi)發(fā)更多依賴供應(yīng)商，其人才隊(duì)伍構(gòu)成和供應(yīng)鏈方面的利益關(guān)系導(dǎo)致其短時(shí)間內(nèi)難以模仿特斯拉的方式，因而特斯 拉的車(chē)身控制軟件也成為其獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力。

2、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(guò)其自動(dòng)駕駛域控制器 （AP）來(lái)執(zhí)行的。本部分的核心在于特斯拉自主開(kāi)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(méi)有本質(zhì)區(qū)別。?

在 model 3 所用的 HW3.0 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 64MB NOR flash 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(duì)于自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)，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，model 3 整車(chē)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(chē)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。

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(méi)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(jiàn)的智能終端。從這 一點(diǎn)來(lái)看，隨著智能汽車(chē)的發(fā)展，我國(guó)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(jué)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(chē)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(zhǎng)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(chē)頭處車(chē)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。

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(lèi)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(duì)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?jiàn)視覺(jué)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) Parker SoC 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(shì)，這也構(gòu)成了特斯拉自動(dòng)駕駛方案的競(jìng)爭(zhēng)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(yè)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(wàn)輛車(chē)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 OTA 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)?。灿写罅?jī)?nèi)存高效的低層級(jí)代碼。?、

未來(lái)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(jiàn)的未來(lái)，專(zhuān)用 AI 芯片將能夠成為與英 偉達(dá)競(jìng)爭(zhēng)的重要力量，我國(guó) AI 芯片企業(yè)有望借助智能汽車(chē)的東風(fēng)獲得更好發(fā)展。

3、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 model 3 2020 款采用的是第二代座艙域控制器（MCU2）。?

MCU2 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(wú)線通信 電路板（圖中粉色框所示）。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(chē)中用于對(duì)外無(wú)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 model 3 采用了 Telit 的 LTE 模組，在 2021 款 以后特斯拉將無(wú)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(duì)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。

而 MCU2 的背面更為重要，其核心是一顆 Intel Atom A3950 芯片，搭配總計(jì) 4GB 的 Micron 內(nèi)存和同樣是 Micron 提供的 64GB eMMC 存儲(chǔ)芯片。此外還有 LG Innotek 提供的 WiFi/藍(lán)牙模塊等。

在座艙平臺(tái)上，特斯拉基于開(kāi)源免費(fèi)的 Linux 操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了其自有的車(chē)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(kāi)發(fā)或適配。?

座艙域的重要作用就是信息娛樂(lè)，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(chē)東西測(cè)試稱，在 MCU2 上啟動(dòng)騰訊視頻或 bilibili 的時(shí)間都超 過(guò)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(cè)評(píng)網(wǎng)站 NotebookCheck 對(duì)英特爾 HD 505 的評(píng)價(jià)是，截至 2016 年的游戲，即使是在最低畫(huà)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（embedded MultiMedia Card）閃存也會(huì)拖累系統(tǒng)性 能。eMMC 相對(duì)機(jī)械硬盤(pán)具備速度和抗震優(yōu)勢(shì)，但擦寫(xiě)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(zhǎng)的汽車(chē)上這一弊端可 能會(huì)得到進(jìn)一步放大，導(dǎo)致讀寫(xiě)速度慢，使用卡頓，2021 年年初，特斯拉召回初代 MCU eMMC 可以佐證這一點(diǎn)。綜合來(lái)看，特斯拉 MCU2 相比同時(shí)期采用高通 820A 的車(chē)機(jī)，屬于偏弱的水平。?

但特斯拉作為一家重視車(chē)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(chē)型都換裝 AMD CPU（zen+架構(gòu)）和獨(dú)立顯卡（RDNA2 架構(gòu)）， GPU 算力提升超過(guò) 50 倍，存儲(chǔ)也從 eMMC 換成了 SSD，讀寫(xiě)性能和壽命都得到大幅改 善。整體來(lái)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。

最新一代的特斯拉 MCU 配置已經(jīng)與當(dāng)前最新一代的主流游戲主機(jī)較為接近，尤其是 GPU 算力方面不輸索尼 PS5 和微軟 Xbox Series X。

提升的配置也讓使用體驗(yàn)得到大幅提升。根據(jù)車(chē)東西的測(cè)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 model S 交付儀式上，特斯拉工作人員就現(xiàn)場(chǎng)展示了用手柄和車(chē)機(jī)玩賽博朋克 2077。而且特斯拉官網(wǎng)上，汽車(chē)內(nèi)部渲染圖中，車(chē)機(jī)屏幕上顯示的是巫師 3。這兩 個(gè)案例已經(jīng)說(shuō)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(chē)機(jī)與游戲的不斷靠攏我們可以看到未來(lái)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(chē)企采用 ARM 體系較多， 但同樣呈現(xiàn)出算力快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，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(wú)論是特斯拉用的 AMD 芯片還是其他車(chē)企用的高通芯片，目前趨勢(shì)都是 從嵌入式的算力水平向 PC 的算力水平靠攏，未來(lái)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(kāi) 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(chē)企帶來(lái)商業(yè)模式的改變，汽車(chē)將成為流量入口， 車(chē)企可以憑借車(chē)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(guò)剩，剩余的算力完全可以用于滿足一些駕駛類(lèi)的應(yīng)用，例如自 動(dòng)泊車(chē)輔助等。其次，一些自動(dòng)駕駛功能尤其是泊車(chē)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(lái)一定的資源復(fù) 用和成本節(jié)約，停車(chē)期間可以將主要算力用于進(jìn)行游戲娛樂(lè)，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(chē)少一個(gè)域控制器，按照 MCU3 的價(jià)格，或許 能夠?yàn)槊颗_(tái)車(chē)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(lái)這一趨勢(shì)有望普及。

4、電控域：IGBT 宏圖大展，SiC 鋒芒初露

IGBT：汽車(chē)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(mén)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(lèi)，其中功率器件又包括二極管、晶閘管、 MOSFET 和 IGBT 等。?

應(yīng)用場(chǎng)景的增量擴(kuò)張使得汽車(chē)領(lǐng)域成為市場(chǎng)規(guī)模最大，增長(zhǎng)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(chē)（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(chē)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(chē)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(chē)上最大的 IGBT 應(yīng)用場(chǎng)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，SiC MOSFET 也能完 成主逆變器中的轉(zhuǎn)換需求。?

2）車(chē)載充電器（OBC）與直流電壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）：車(chē)載充電器搭配外界的充電 樁，共同完成車(chē)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(chē)燈能夠使用的低壓電（12-48V），常用到的功率半導(dǎo)體為 IGBT 與 MOSFET。

3）輔助模塊：汽車(chē)配備大量的輔助模塊（如：車(chē)載空調(diào)、天窗驅(qū)動(dòng)、車(chē)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(duì)較低，主要用到的功率半導(dǎo)體為 IGBT 與 IPM。

以逆變器為例，Model S 的動(dòng)力總成有兩種，分別為 Large Drive Unit（LDU）和 Small Drive Unit（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)。

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。

Model S（單電機(jī)版本）全車(chē)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(hào)為英飛凌的 IKW75N60T。若以每個(gè) IGBT 5 美 元計(jì)算，Model S 逆變器所使用的 IGBT 價(jià)格約為 420 美元。

而 SDU 的形態(tài)更小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也更為緊湊，內(nèi)部逆變器含 36 個(gè) IGBT。根據(jù) 01芯聞拆解，SDU 中的 IGBT 為單管 IGBT，型號(hào)為英飛凌的 AUIRGPS4067D1，總用量為 36 片。IGBT 單管的布局也有較大變化，IGBT 單管背靠背固定在散熱器中，組成類(lèi)似三明治的結(jié)構(gòu)，充分利用內(nèi)部空間。同時(shí)，SDU 內(nèi)部 IGBT 的管腳也無(wú)需折彎，降低失效概率。相比 LDU，SDU 的出現(xiàn)體現(xiàn)出特斯拉對(duì) IGBT 更高的關(guān)注度與要求，其機(jī)械、電學(xué)、成 本、空間等指標(biāo)均有明顯提升。

SiC：Model 3 開(kāi)創(chuàng)應(yīng)用先河，與 IGBT 各有千秋?

與 IGBT 類(lèi)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(kāi)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(kāi)始研發(fā)，2010 年 SiC MOSFET 開(kāi)始 商用，但目前并未大規(guī)模推廣。

Model 3 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(chē)，開(kāi)創(chuàng) SiC 應(yīng)用的先 河?；?IGBT 的諸多優(yōu)勢(shì)，在 Model 3 問(wèn)世之前，世面上的新能源車(chē)均采用 IGBT 方案。而 Model 3 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(chē)領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。根據(jù) SystemPlus consulting 拆解報(bào)告，Model 3 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 SiC MOSFET。

Model 3 所用的 SiC 型號(hào)為意法半導(dǎo)體的 ST GK026。在相同功率等級(jí)下，這款 SiC 模塊采用激光焊接將 SiC MOSFET、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(kāi)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 Model X 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(kāi)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。

Model 3 形成“示范效應(yīng)”后，多家車(chē)廠陸續(xù)跟進(jìn) SiC 方案。在 Model 3 成功量產(chǎn)并 使用后，其他廠商開(kāi)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?tīng)柛？萍夹奸_(kāi)展有關(guān)車(chē)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(chē)型下線，該車(chē)搭 載了比亞迪自主研發(fā)的的 SiC MOSFET 模塊，加速性能與續(xù)航顯著提升；2021 年，比亞 迪在其“唐”EV 車(chē)型中加入 SiC 電控系統(tǒng)；2021 年 4 月，蔚來(lái)推出的轎車(chē) 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(shì)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(kāi)始研發(fā) SiC 技術(shù)。與 Si 基材料相比，SiC 器件的優(yōu)勢(shì)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(cè)試下，SiC MOSFET 相比 Si-IGBT 在功耗和效率上優(yōu)勢(shì)顯著。

但 SiC 的高成本制約普及節(jié)奏，未來(lái) 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(wèn)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(chǎng)景更加看重穩(wěn)定性，我們認(rèn)為 SiC 在逐步滲透的過(guò)程中將 與 Si-IGBT 一同成長(zhǎng)，未來(lái)兩者均有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景與增長(zhǎng)空間。

由于應(yīng)用落地較慢，目前整個(gè) SiC 市場(chǎng)仍處于發(fā)展階段，國(guó)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(xiāo)售額為 4.2 億美元，預(yù) 計(jì) 2024 年銷(xiāo)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(guó)外龍頭主要以 IDM 模式經(jīng)營(yíng)， 覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)，五家龍頭占據(jù)的市場(chǎng)份額分別為 40%、22%、14%、10%、7%。國(guó)內(nèi)三安光電、中車(chē)時(shí)代電氣、揚(yáng)杰科技、華潤(rùn)微等廠商以 IDM 模式經(jīng)營(yíng)，而天岳先進(jìn)、 露笑科技、華天科技等廠商則專(zhuān)注于某一細(xì)分環(huán)節(jié)。

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

Model 3 作為電動(dòng)車(chē)，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(wú)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(guò)高或過(guò)低， 就意味著鋰離子過(guò)度集中在正負(fù)極其中之一，導(dǎo)致這一邊的電極過(guò)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(duì)溫度比較敏感，溫度過(guò)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。如果繼續(xù)用一張圖來(lái)描述，就代表著不同電池處在圖上的不同位置。而要保證電池組的安全高 效運(yùn)行，就意味著諸多電池所在的點(diǎn)位必須同時(shí)處于狹小的安全窗口內(nèi)，這就導(dǎo)致電池?cái)?shù) 量越多，管理就越困難。?

為了解決鋰電池運(yùn)行的這一難題，就必須有可靠的 BMS 系統(tǒng)來(lái)對(duì)電池組進(jìn)行監(jiān)控和管理，讓不同電池的充放電速度和溫度趨于均衡。

在諸多廠家的 BMS 中，特斯拉的 BMS 系統(tǒng)是復(fù)雜度和技術(shù)難度最高的之一，這主要是由于特斯拉獨(dú)特的大量小圓柱電池成組設(shè)計(jì)。

為什么特斯拉選用難以控制的小圓柱電池？早在特斯拉成立的早期，日本廠商在 18650 小圓柱電池上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，一年出貨量達(dá)到幾十億節(jié)，因而這類(lèi)電池一致性較好，有利于電池管理。因此特斯拉在 model S 上選用了小圓柱電池。出于技術(shù)積累等 方面的原因，特斯拉在 model 3 上使用了僅比 18650 略大的 2170 電池，并且至今還在使 用圓柱形電池。?

由于特斯拉一直采用數(shù)量龐大的小圓柱電池來(lái)構(gòu)造電池組，導(dǎo)致其 BMS 系統(tǒng)的復(fù)雜 度較高。在 model S 時(shí)代，特斯拉全車(chē)使用了 7104 節(jié)電池，BMS 對(duì)其進(jìn)行控制是需要一 定軟件水平的。根據(jù)汽車(chē)電子工程師葉磊的表述，在 model S 當(dāng)中，采用每 74 節(jié)電池并 聯(lián)檢測(cè)一次電壓，每 444 節(jié)電池設(shè)置 2 個(gè)溫度探測(cè)點(diǎn)。從汽車(chē)電子工程師朱玉龍發(fā)布的 model S 診斷界面圖也可以看出，整個(gè)電池組共有 16*6=96 個(gè)電壓采樣點(diǎn)，以及 32 個(gè)溫 度采樣點(diǎn)。可以看到采樣的數(shù)據(jù)是很多的，需要管理的電池?cái)?shù)量也為其增加了難度，最終 BMS 將依據(jù)這些數(shù)據(jù)設(shè)置合理的控制策略。高復(fù)雜度的電池組也讓特斯拉在 BMS 領(lǐng)域積 累了相當(dāng)強(qiáng)的實(shí)力。與之相對(duì)，其他廠商的 BMS 復(fù)雜度就遠(yuǎn)不如特斯拉高，例如大眾 MEB 平臺(tái)的首款電動(dòng)車(chē) ID.3 采用最多 12 個(gè)電池組模塊，其電池管理算法相對(duì)會(huì)比較簡(jiǎn)單。

未來(lái)特斯拉的 BMS 是否會(huì)維持這樣的復(fù)雜度？從目前趨勢(shì)來(lái)看，隨著采用的電池越 來(lái)越大，BMS 需要管理的電池?cái)?shù)量是越來(lái)越少的，BMS 的難度也有所降低。比如從 model S 到 model 3，由于改用 2170 電池，電芯數(shù)量出現(xiàn)了較明顯的下降，長(zhǎng)續(xù)航版電芯數(shù)量縮 減到 4416 顆，中續(xù)航版 3648 顆，標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版 2976 顆。本次拆解的標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版配置 96 個(gè)電壓采樣點(diǎn)，數(shù)量與 model S 相同，平均每 31 節(jié)電池并聯(lián)測(cè)量一個(gè)電壓值。整車(chē) 4 個(gè)電池組，每個(gè)都由 24 串 31 并的電池組組成，對(duì)電流均衡等方面提出了較高的要求。未來(lái)， 隨著 4680 大圓柱電池的應(yīng)用，單車(chē)電芯數(shù)量將進(jìn)一步減少，有利于 BMS 更精確地進(jìn)行 控制，或許能夠進(jìn)一步強(qiáng)化特斯拉的 BMS 表現(xiàn)。?

盡管面臨著最高的 BMS 技術(shù)難度，但特斯拉仍舊在這一領(lǐng)域做到優(yōu)秀水準(zhǔn)，而且還 有超越其他公司的獨(dú)到之處。比如特斯拉在電池管理的思路方面顯得更加大膽，熱管理方 面是一個(gè)典型體現(xiàn)。特斯拉會(huì)在充電期間啟動(dòng)熱管理系統(tǒng)將電池加熱到 55 度的理論最佳 溫度，并在此溫度下進(jìn)行持續(xù)充電，相比而言，其他廠商往往更在意電池是否會(huì)過(guò)熱，不 會(huì)采用此類(lèi)策略，這更加顯現(xiàn)出特斯拉在 BMS 方面的實(shí)力。

特斯拉在充電或電能利用方面的用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)是其 BMS 系統(tǒng)的另一個(gè)獨(dú)到之處。比 如特斯拉會(huì)用車(chē)身電池來(lái)使其他重要控制器實(shí)現(xiàn)“永不下電”，提高啟動(dòng)速度，改善用戶 體驗(yàn)。充電時(shí)，特斯拉采取的策略也更加靈活，會(huì)在充電剛開(kāi)始時(shí)將電流提高到極大的程 度，迅速提升電池電量，隨后再逐漸減小充電電流到一個(gè)可以長(zhǎng)期持續(xù)的水平，比如 model Y 可以在 40 秒內(nèi)達(dá)到 600A 的超大電流充電（如圖中黃綠色線所示）。相比而言，一般的 車(chē)企甚至消費(fèi)電子廠商通常會(huì)用一個(gè)可以長(zhǎng)期持續(xù)的電流進(jìn)行恒流充電。考慮到車(chē)主有時(shí) 需要在幾分鐘內(nèi)迅速補(bǔ)充電池電量，特斯拉的這種策略無(wú)疑是更有優(yōu)勢(shì)的，這也體現(xiàn)出特 斯拉比傳統(tǒng)車(chē)企思路更靈活，更能產(chǎn)生創(chuàng)新。

而具體如何實(shí)現(xiàn)這樣優(yōu)秀的 BMS 功能？前文所說(shuō)的種種 BMS 管理策略依賴于軟件， 軟件的基礎(chǔ)在于特斯拉的 BMS硬件設(shè)計(jì)。特斯拉 model 3 的硬件設(shè)計(jì)包括了核心主控板、 采樣板、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS，由 OBC 和 DCDC 兩部分組成）以及位于充電口的充電控 制單元。BMS 部分所有電路均覆蓋有透明三防漆以保護(hù)電路，導(dǎo)致電路元件外觀光滑且反光。?

主控板負(fù)責(zé)管理所有 BMS 相關(guān)芯片，共設(shè)置 7 組對(duì)外接口，包含了對(duì)充電控制器（CP）、 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）的控制信號(hào)，以及到采樣板（BMB）的信號(hào)，另外還包含專(zhuān)門(mén)的電 流電壓采集信號(hào)。電路板上包含高壓隔離電源、采樣電路等電路模塊。元器件方面，有 Freescale 和 TI 的單片機(jī)，以及運(yùn)放、參考電壓源、隔離器、數(shù)據(jù)采樣芯片等。

在 BMS 的控制下，具體對(duì)電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)的是 BMB 電路板，對(duì)于特斯拉 model 3而言，共有 4 個(gè)電池組，每一組配備一個(gè) BMB 電路板，并且 4 個(gè)電路板的電路布局各不 相同，彼此之間可以很容易地利用電路板上的編號(hào)進(jìn)行區(qū)別，并且按照順序用菊花鏈連接 在一起，在 1 號(hào)板和 4 號(hào)板引出菊花鏈連接到主控板的 P5 和 P6 接口。我們本次拆解的 model 3 單電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版電池組較短，沿著每個(gè)電池組都布置了一條 FPC（柔性電路板）， 并且在其沿線設(shè)置了對(duì)電池進(jìn)行采樣的采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)都用藍(lán)色聚氨酯進(jìn)行覆蓋保護(hù)， 最后在 FPC 上方覆蓋淡黃色膠帶進(jìn)行保護(hù)。需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版盡管每個(gè)電池組 仍有兩條淡黃色膠帶，但只有其中一條下面有 FPC，另一條僅起到對(duì)下方電池觸點(diǎn)的保護(hù) 作用。而對(duì)于長(zhǎng)續(xù)航版本，由于電池較多，每個(gè)電池組都需要分成兩條 FPC 進(jìn)行采樣。

具體到 BMB 電路方面，標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版和長(zhǎng)續(xù)航版也有所不同，我們以元器件較多的 4 號(hào)采樣板為例進(jìn)行說(shuō)明。首先，在采樣點(diǎn)數(shù)量方面就有所不同，標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版共設(shè)置 24 個(gè) 采樣點(diǎn)，因此 FPC 上有 24 個(gè)觸點(diǎn)與 BMB 進(jìn)行對(duì)應(yīng)。長(zhǎng)續(xù)航版的電池組頂格設(shè)置，4 個(gè) 電池組當(dāng)中，中間兩組較長(zhǎng)，左右各設(shè)置 25 個(gè)采樣點(diǎn)，共 50 個(gè)，兩邊的電池組略短一些， 共設(shè)置 47 個(gè)采樣點(diǎn)，一側(cè) 24 個(gè)，另一側(cè) 23 個(gè)，因此長(zhǎng)續(xù)航版的 BMB 需要在兩側(cè)都設(shè) 置觸點(diǎn)。?

其次，電路布置和元器件數(shù)量也有較大不同。經(jīng)過(guò)觸點(diǎn)傳來(lái)的信號(hào)需要由 AFE（模擬 前端）芯片進(jìn)行處理，這是整個(gè) BMB 電路的核心。標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版每個(gè) BMB 有兩顆定制的 AFE 芯片，其配置有些類(lèi)似 Linear Technology（ADI）的 LTC6813 芯片但不完全相同， 同時(shí)配置了 3 顆 XFMRS 的 BMS LAN 芯片用于與其他電路板的信號(hào)傳輸。長(zhǎng)續(xù)航版 BMB 由于兩側(cè)均有觸點(diǎn)，信號(hào)數(shù)量較多，因此為每個(gè) AFE 另外配置了兩顆簡(jiǎn)化版的 AFE 芯片 （圖中橙色長(zhǎng)方形），用來(lái)輔助信號(hào)處理。同時(shí) BMS LAN 芯片的數(shù)量也增加了 1 顆。

BMS 體系的另一個(gè)重要組成部分是充電控制，特斯拉為此開(kāi)發(fā)了充電控制器，位于左 后翼子板充電口附近。該控制器有三個(gè)對(duì)外接口，負(fù)責(zé)控制充電口蓋、充電槍連接狀態(tài)與 鎖定、充電信號(hào)燈、快慢充控制及過(guò)熱檢測(cè)等。電路方面則包括了 Freescale 的 MCU 和 ST 的 HSD 芯片等。

BMS 還有一個(gè)重要功能就是電能轉(zhuǎn)換，包括將高壓直流電轉(zhuǎn)化成低壓直流電來(lái)供給車(chē) 內(nèi)設(shè)備，或者將高壓交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電用于充電等，這一部分是通過(guò)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) （PCS，也稱高壓配電盒）完成的。PCS 包括兩個(gè)主要部分，分別是將交流電轉(zhuǎn)化成直流 電的 OBC（車(chē)載充電器，On Board Charger）和進(jìn)行直流電壓變換的 DCDC。這部分電路中主要是各種大電容和大電感，也包含了整車(chē)中十分罕見(jiàn)的保險(xiǎn)絲。

從元器件層面來(lái)看BMS系統(tǒng)，最核心的主要就是AFE芯片和各類(lèi)功率器件/被動(dòng)元件。其中 AFE 芯片領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)最主流的是三家美國(guó)公司產(chǎn)品，Linear Technology（被 ADI 收 購(gòu)）、Maxim（被 ADI 收購(gòu)）、TI，所以其實(shí)還是歸結(jié)于全球最大的兩家模擬芯片公司。此外 NXP/Freescale、Intersil 等大型廠商也有一定份額。隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)產(chǎn) AFE 芯 片通道數(shù)和產(chǎn)品穩(wěn)定性逐漸提高，也有望獲得發(fā)展空間。功率器件方面，我國(guó)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有一定市場(chǎng)地位，在汽車(chē)領(lǐng)域仍可以進(jìn)一步突破。?

從電路和系統(tǒng)層面來(lái)看，依據(jù)汽車(chē)電子工程師朱玉龍的說(shuō)法，BMS 真正的核心價(jià)值， 其實(shí)是在電池的測(cè)試，評(píng)價(jià)，建模和后續(xù)的算法。整個(gè) EE 的軟硬件架構(gòu)，已經(jīng)基本是紅 海，未來(lái)產(chǎn)業(yè)不需要大量的 BMS 公司，長(zhǎng)久來(lái)看還是電池廠商和車(chē)廠能夠在 BMS 領(lǐng)域獲 得較高的地位。隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)崛起，未來(lái)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)廠商在 BMS 領(lǐng)域也有望獲得更深厚的積累。

審核編輯：黃飛

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