汽車電子控制系統(tǒng)及輕型電動(dòng)車中芯片應(yīng)用研究

汽車向電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化快速發(fā)展，拓寬了芯片在汽車電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，帶動(dòng)了汽車芯片的應(yīng)用需求。按照通用分類標(biāo)準(zhǔn)，汽車芯片可分為主控芯片、存儲(chǔ)芯片、功率芯片、信號(hào)與接口芯片、傳感器芯片等五大類。 近十年來(lái)整車所用芯片平均數(shù)量不斷攀升，從2012 年傳統(tǒng)燃油車單車平均使用438 個(gè)、新能源車單車平均使用567 個(gè)，迅速上升到2022 年預(yù)計(jì)傳統(tǒng)燃油車單車平均使用934 個(gè)、新能源車單車平均使用1,459 個(gè)。

新能源汽車作為汽車芯片需求量的主要驅(qū)動(dòng)力，在碳達(dá)峰、碳中和的政策背景下，新能源汽車銷量和滲透率不斷提高，進(jìn)而對(duì)汽車芯片的需求量將大幅提升。在單車芯片使用量不斷上升和新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的雙因素驅(qū)動(dòng)下，汽車芯片市場(chǎng)規(guī)模在乘數(shù)效應(yīng)下快速爆發(fā)。2021 年全球汽車芯片市場(chǎng)規(guī)模約498.49 億美元，預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到669.63 億美元；中國(guó)汽車芯片市場(chǎng)規(guī)模約150.10 億美元，占全球市場(chǎng)比重約30.11%，預(yù)計(jì)2026 年將達(dá)到184.89 億美元。

從全球競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，國(guó)外廠商在汽車芯片市場(chǎng)占據(jù)主要份額。根據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，2020 年全球前十大車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體廠商均為國(guó)外廠商。由于車規(guī)級(jí)芯片技術(shù)壁壘較高，我國(guó)國(guó)產(chǎn)汽車芯片難以進(jìn)入汽車產(chǎn)業(yè)鏈中，根據(jù)中國(guó)汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年我國(guó)汽車芯片主要依賴于境外供應(yīng)商，自主汽車電子芯片產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅占4.50%。目前，我國(guó)汽車芯片國(guó)產(chǎn)化率較低，其主要原因如下：

1）我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，而芯片行業(yè)具有整體研發(fā)周期長(zhǎng)、投資規(guī)模大等特點(diǎn)，企業(yè)需要較長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)沉淀實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，形成了較高的行業(yè)壁壘；

2）汽車電子行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性要求較高，企業(yè)進(jìn)入汽車電子供應(yīng)鏈體系的準(zhǔn)入門檻相對(duì)較高且驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致市場(chǎng)參與者較少；

3）通常整車廠在認(rèn)證新供應(yīng)商時(shí)，會(huì)要求其產(chǎn)品擁有一定規(guī)模的上車數(shù)據(jù)，因此車企與芯片廠商在形成穩(wěn)定的合作關(guān)系后，在原有車型上替換供應(yīng)商的動(dòng)力不足。國(guó)產(chǎn)廠商缺乏測(cè)試及應(yīng)用數(shù)據(jù)，其車規(guī)級(jí)芯片在正常供給的狀態(tài)下較難尋得突破。

在國(guó)際貿(mào)易爭(zhēng)端以及新冠疫情的影響下，“缺芯潮”席卷汽車芯片市場(chǎng)，加之當(dāng)前全球汽車芯片主要產(chǎn)能相對(duì)集中，我國(guó)汽車芯片對(duì)外依賴度高，芯片短缺已經(jīng)成為阻礙我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)保供和轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵問題，汽車芯片的自主可控受到了國(guó)家、汽車廠商及汽車芯片企業(yè)的高度重視。

①汽車傳感器芯片概況

傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)必不可少的一部分，用以測(cè)量位置、壓力、電流、力矩、溫度、角度、距離、加速度、流量等信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入給汽車電子控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車電子控制。汽車傳感器按被測(cè)物理量可分為：位置傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、扭矩角度傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、流量傳感器等。傳感器的精確性、可靠性將直接影響汽車電子控制系統(tǒng)的控制效果。平均每個(gè)傳感器中的芯片價(jià)值量占比為60%以上。 傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

隨著新能源車逐步替代燃油車，汽車電動(dòng)化對(duì)執(zhí)行層中動(dòng)力、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、變速系統(tǒng)以及電機(jī)、電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)等方面的影響更為直接，對(duì)傳感器需求隨之顯著增長(zhǎng)。根據(jù)Global Market Insights，預(yù)計(jì)到2030 年，全球汽車傳感器市場(chǎng)規(guī)模將超過550 億美元。中國(guó)汽車傳感器市場(chǎng)規(guī)模從2017 年的157.3億元增長(zhǎng)至2021 年的263.9 億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為13.8%。在國(guó)家政策和智能汽車快速發(fā)展下，中國(guó)汽車傳感器市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2025 年中國(guó)汽車傳感器市場(chǎng)將突破400 億元。

中國(guó)汽車傳感器市場(chǎng)規(guī)模（億元）

②汽車磁傳感器芯片發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

由于汽車工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)汽車器件的一致性和穩(wěn)定性具有較高的要求，磁傳感器以其高性能優(yōu)勢(shì)，在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并已成為最大的磁傳感器應(yīng)用市場(chǎng)。在磁傳感器芯片中，霍爾傳感器芯片的測(cè)量精度能夠滿足絕大部分使用場(chǎng)景，同時(shí)具備大量程、高可靠性和抗干擾能力，與其他磁傳感器的解決方案相比具有很好的成本優(yōu)勢(shì)，因此霍爾傳感器芯片是車規(guī)級(jí)磁傳感器芯片中的主流技術(shù)。

霍爾傳感器芯片在汽車中主要被用于車速、傾角、角度、距離、接近、位置等參數(shù)檢測(cè)以及導(dǎo)航、定位，比如車速測(cè)量、踏板位置、變速箱位置、電機(jī)旋轉(zhuǎn)、助力扭矩測(cè)量、曲軸位置、傾角測(cè)量、電子導(dǎo)航、防抱死檢測(cè)、泊車定位、安全氣囊與太陽(yáng)能板中的缺陷檢測(cè)、座椅位置記憶、改善導(dǎo)航系統(tǒng)的航向分辨率等。

近年來(lái)新能源汽車的滲透率不斷提升。在新能源汽車中，“三電系統(tǒng)”（動(dòng)力電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)）決定了汽車的主要性能，并隨著電機(jī)的功率提升以及大功率快速充電的需求增加，新能源汽車對(duì)電流測(cè)量的需求大幅增加。盡管燃油車中的“發(fā)動(dòng)機(jī)+變速箱”被“三電系統(tǒng)”取代，但底盤、車身和車載電子系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車基本相同，相應(yīng)的傳感器需求仍然存在。因此相比傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車對(duì)磁傳感器的總體需求進(jìn)一步增加。

隨著汽車智能化和功能安全需求的提升，為提高安全冗余，汽車電子配置不斷提升，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ABS 防抱死系統(tǒng)、電子油門踏板以及電動(dòng)座椅、天窗、尾門等部件中磁傳感器數(shù)量成倍增加，并采取多路、多芯片的方案設(shè)計(jì)，使得每輛車上的磁傳感器芯片數(shù)量不斷增加。

結(jié)合以上趨勢(shì)，汽車磁傳感器芯片的總體需求和價(jià)值量將持續(xù)提升，根據(jù)ICV Tank 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)燃油車使用至少30 個(gè)磁傳感器，在混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車中磁傳感器數(shù)量增加到50 個(gè)左右，單車磁傳感器價(jià)值量也由120 元增長(zhǎng)至250 元，其中芯片的成本占比超過60%。

近年來(lái)，由于汽車產(chǎn)業(yè)鏈“缺芯”、國(guó)產(chǎn)新能源車的快速發(fā)展以及政策推動(dòng)等原因，國(guó)產(chǎn)汽車磁傳感器芯片廠商獲得了絕佳的供應(yīng)鏈導(dǎo)入和客戶驗(yàn)證機(jī)會(huì)，通過大規(guī)模放量后，國(guó)內(nèi)磁傳感器芯片廠商將進(jìn)一步提高市場(chǎng)占有率，從而實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)。

輕型電動(dòng)車包括電動(dòng)兩輪車、電動(dòng)平衡、滑板車、電動(dòng)助力車等，其中主要為電動(dòng)兩輪車。以電動(dòng)兩輪車為例，通常一個(gè)電動(dòng)兩輪車的電機(jī)需要借助三個(gè)磁傳感器實(shí)現(xiàn)換相控制以及電機(jī)自動(dòng)化控制。另外，磁傳感器在電動(dòng)兩輪車的調(diào)速轉(zhuǎn)把和剎把中也得到應(yīng)用：轉(zhuǎn)把信號(hào)是電動(dòng)車電機(jī)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，騎行者通過轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)兩輪車的行駛速度；剎把信號(hào)是電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)信號(hào)，在有捏剎把動(dòng)作時(shí)，開關(guān)磁傳感器將剎車信號(hào)傳給控制器，控制器接受到剎車信號(hào)后，立即停止對(duì)電機(jī)的供電。 磁傳感器芯片在電動(dòng)兩輪車中的運(yùn)用

中國(guó)電動(dòng)兩輪車已經(jīng)走向高質(zhì)量發(fā)展的道路，并以其低碳環(huán)保、輕便經(jīng)濟(jì)、不易擁堵的特點(diǎn)發(fā)展成國(guó)內(nèi)重要的短途交通工具，不斷滲透到個(gè)人出行、外賣配送、共享出行等諸多領(lǐng)域。根據(jù)艾瑞咨詢，2021 年雖然部分地區(qū)受到《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“新國(guó)標(biāo)”）過渡期推行節(jié)奏減緩等因素影響，電動(dòng)兩輪電動(dòng)車銷量增幅不及預(yù)期，但全年中國(guó)的兩輪電動(dòng)車銷量仍然達(dá)到4,100 萬(wàn)輛。在節(jié)能減排、碳達(dá)峰等政策要求，龐大的人口與多樣化綠色出行需求，及時(shí)配送與共享電單車增長(zhǎng)促進(jìn)以及“新國(guó)標(biāo)”的進(jìn)一步落實(shí)等因素影響下，兩輪電動(dòng)車市場(chǎng)依舊擁有較大的增長(zhǎng)潛力和存量置換需求，預(yù)計(jì)2022 年兩輪電動(dòng)車的銷量可達(dá)4,500 萬(wàn)輛，因此給磁傳感器芯片帶來(lái)了新的機(jī)遇和發(fā)展空間。

那么，磁傳感器該如何選型呢，我們來(lái)看一下下面介紹：

霍爾開關(guān)& 鎖存

磁傳感器中，利用霍爾效應(yīng)原理制成的傳感器被稱為霍爾傳感器。霍爾開關(guān)是將霍爾元件的輸出與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，并輸出高低電平信號(hào)。按照對(duì)磁通密度極性和變化的要求，可具體分為單極型，全極型和鎖存型。

單極型

只對(duì)單個(gè)磁極（N極或S極）有響應(yīng)。

全極型

對(duì)單個(gè)磁極皆有響應(yīng)，不區(qū)分N極或S極，便于安裝。

鎖存型

必須跨越0 Gauss點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作，同時(shí)需要N極和S極。

單極型

霍爾開關(guān)& 鎖存

全極型

位置傳感器 線性位置檢測(cè)通過線性霍爾IC實(shí)現(xiàn)。線性霍爾IC的輸出電壓與穿過其本身的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，在靜態(tài)(無(wú)磁場(chǎng))時(shí)，靜態(tài)輸出電壓等于工作電壓的一半，根據(jù)磁場(chǎng)特性和強(qiáng)度其輸出電壓上升或下降。通過磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化可以得知相應(yīng)位置數(shù)據(jù)的改變，輸出電壓與感應(yīng)到的磁場(chǎng)極性和強(qiáng)度的關(guān)系固定。

輸出曲線

線性位置傳感器

速度傳感器

齒輪輪速傳感器一般通過傳感器附加背磁的方式實(shí)現(xiàn)。在齒輪旋轉(zhuǎn)過程中，由于運(yùn)動(dòng)而施加在芯片表面磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生規(guī)律性交變，IC通過采樣、放大和比較，最終輸出數(shù)字開關(guān)波形。

輸出波形 齒輪輪速傳感器

磁性電流傳感器

磁性電流傳感器由精密、低失調(diào)的線性霍爾傳感器電路組成，其輸出電壓與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流成正比。200A以上的應(yīng)用，通常采用傳統(tǒng)型采樣方式，大電流穿過外加磁環(huán)。200A以下的應(yīng)用， 現(xiàn)多采用單片集成型，大大節(jié)省了方案成本和體積。

以上霍爾芯片信息由意瑞半導(dǎo)體提供，在此表示感謝！

審核編輯：劉清