以下内容节选自《从拆解 Model3 看智能电动汽车发展趋势》报告中域掌握器部分章节。
域掌握器 软件定义汽车，迭代决定智能
汽车的智能化的大方向已经成为了家当共识和市场共识。比如说 2008 年安卓 1.0 发布之初，利用体验是比较一样平常的，经由不断的数据网络、用户反馈和持续迭代，终极交互和用户体验越来越好，逐步向我们空想中的“智能终端”逼近。
显而易见，汽车如果要能像手机一样持续根据数据和用户反馈进行软件迭代，现有的E/E 架构势一定是要进行大的变革的。软件和硬件必须解耦，算力必须从分布走向集中，特斯拉的 Model3 率先由分布式架构转向了分域的集中式架构，这是其智能化水平遥遥领先于许多车厂的紧张缘故原由，我们接下来就对特斯拉的车身域、座舱域、驾驶域进行详细的解读。
车身域：按位置而非功能进行分区，彻底实现软件定义车身
同样是域掌握器，特斯拉的域掌握器思路始终是更为领先的。举例来说，作为传统汽车供应链中最核心的供应商之一，博世是最早提出域掌握器观点的企业之一。但博世的思路仍旧受到传统的模块化电子架构影响，其在 2016 年提出了按照功能分区的五域架构，将整车的 ECU 整合为驾驶赞助、安全、车辆运动、娱乐信息、车身电子 5 个域，不同域之间通过域掌握器和网关进行连接。在当时看来，这一方案已经能够大大减少 ECU 数量，然而用本日的眼力来看，每个域内部仍旧须要较为繁芜的线束连接，整车线束繁芜度仍旧较高。
与博世形成比拟，特斯拉 model 3 在 2016 年发布，2017 年量产上市，与博世的报告险些处于同一期间。然而，model 3 的域掌握器架构核心直接从功能变成了位置，3 个车身掌握器就集中表示了特斯拉造车的新思路。按照特斯拉的思路，每个掌握器该当卖力掌握其附近的元器件，而非整车中的所有同类元器件，这样才能最大化减少车身布线繁芜度，充分发挥当今芯片的通用性和高性能，降落汽车开拓和制造本钱。以是特斯拉的三个车身域掌握器分别分布在前车身、左前门和右前门前，实现就近掌握。这样的好处是可以降落布线的繁芜度，但是也哀求三个车身域要实现彻底的软硬件解耦，对厂商的软件能力的哀求大大提高。
以下分别先容三个车身掌握器的情形，车身域分为前车身域、左车身域、右车身域，其在 Model3 车身上的位置如下图所示。
前车身域掌握器的位置在前舱，这个位置理论上来说碰着的碰撞概率要更高，因此采取铝合金的保护外壳，而旁边车身域掌握器由于在乘用舱内，碰着外界碰撞的概率较低，保护外壳均采取塑料构造，如下图所示。
前车身掌握器：全车电子电气配电单元以及核心安全 ECU 连接
前车身掌握器位于前舱中，紧张卖力的功能是前车体元件掌握以及紧张的配电事情。该掌握器离蓄电池比较近，方便取电。其紧张卖力三类电子电气的配电和掌握：
1、安全干系：i-booster、ESP 车身稳定系统、EPS 助力转向、前向毫米波雷达；
2、热管理干系：如冷却液泵、五通阀、换热器、冷媒温度压力传感器等；
3、前车身其它功能：车头灯、机油泵、雨刮等。除此之外，它还给旁边车身掌握器供电，这一功能十分主要，由于旁边车身掌握器随后还将用这两个接口中的能量来驱动各自掌握的车身零部件。
将其拆开来看，详细功能实现方面，须要诸多芯片和电子元件来合营完成。核心的芯片紧张完成掌握和配电两方面的事情。
先说掌握部分，紧张由一颗意法半导体的 MCU 来实行（图中红框）。此外，由于涉及到冷却液泵、制动液液压阀等各种电机掌握，以是板上搭载有安森美的直流电机驱动芯片（图中橙色框 M0、M1、M2），这类芯片常日搭配一定数量的大功率 MOSFET 即可驱动电机。
配电功能方面，一方面须要实时监测各部件中电流的大小，另一方面也须要根据监测的结果对电流利断和电流大小进行掌握。电流监测方面，AMS 的双 ADC 数据采集芯片和电流传感器配套芯片（黄色框 AMS 中的芯片）可以起到主要浸染。而要掌握电流的状态，一方面是通过 MOSFET 的开关，另一方面也可以通过 HSD 芯片（High Side Driver，高边开关），这种芯片可以掌握从电源正极流出的电流利断。
这一块掌握器电路板共利用了 52个安森美的大功率 MOSFET，9个功率整流器芯片，以及 ST 和英飞凌的共计 21 个 HSD 芯片。在前车身掌握器上我们可以看到，特斯拉已经在很大程度上用半导体元件取代了传统电气元件。
左车身域掌握器：卖力车身左侧电子电气调度
左车身掌握器位于驾驶员小腿左前方位置，贴合车体纵向放置，采取塑料壳体封装，可以在一定程度上节约本钱。左车身掌握器卖力管理驾驶舱及后部的左侧车身部件，充分表示了尽可能节约线束长度以掌握本钱的辅导思想。
左车身掌握器紧张卖力了几类电子电气的配电和掌握：
1、左侧干系：包括仪表板、方向盘位置调节、照脚灯；
2、座椅和车门：，左前座椅、左后座椅、前门、后排车门、座椅、尾灯等。
左车身域掌握的核心芯片紧张也分为掌握和配电。核心掌握功能利用两颗 ST 的 32 位 MCU 以及一颗 TI 的 32 位单片机来实现。左车身的灯具和电机比较多，针对灯具类运用，特斯拉选用了一批 HSD 芯片来进行掌握，紧张采取英飞凌的 BTS 系列芯片。针对电机类运用，特斯拉则选用了 TI 的电机掌握芯片和安森美的大功率 MOSFET。
右车身域掌握器：卖力车身右侧电子电气调度
右车身掌握器与左车身基本对称，接口的布局大体相同，也有一些不同点。右车身域卖力超声波雷达以及空调，同时右车身承担的尾部掌握功能更多一些，包括后方的高位刹车灯和后机油泵都在此掌握。
详细电路实现方面，由于功能较为相似，电路配置也与左车身较为相似。一个不同点在于右车身旗子暗记较多，以是将主控单片机从左车身的 ST 换成了瑞萨的高端单片机 RH850系列。此外由于右车身须要较多的空调掌握功能，以是增加了三片英飞凌的半桥驱动器芯片。
特斯拉车身域的思路：彻底地软件定义汽车，用芯片替代保险丝和继电器车身域是特斯拉比较传统汽车变革最大的地方，传统汽车采取了大量 ECU，而特斯拉通过三个域实现了对整车的一个掌握。虽然都是往域掌握器方向走，但特斯拉没有采取博世的功能域做法，而是完备按区域来进行划分，将硬件只管即便标准化，通过软件来定义汽车的思路表示得淋漓尽致。除此之外，特斯拉还将一些电气化的部件只管即便芯片化，如车身域中采取了大量 HSD 芯片替代了继电器和保险丝，可靠性提高，而且可以编程，能更好实现软件定义汽车。
特斯拉掌握器的未来走向：走向更高集成度，优化支配持续降本
从特斯拉车身掌握器能够表示出的另一个发展趋势是器件的持续集成和持续降本。早期版本的 model S 和 model X 并无如此集中的车身掌握器架构，但如今较新的 model 3 和 model Y 已经表示出集成度增加的趋势。左下图中我们可以看到，作为第三代车身域掌握器产品，model Y 的车身掌握器已经与第一代的 model 3 有所不同，直不雅观上便是其元器件密度有所增加。比如图中的 MOSFET（玄色小方块），model Y 的间距明显要比 model 3更小。
因此，在同样的面积下，掌握器就能容纳更多元件，领悟更多功能。其余，与现有的 model 3 不同，model Y 掌握器的背面也被利用起来，增加了一定数量的元器件，这使得掌握器的集成度进一步提高。集成度提高的结果便是车身电子电气架构的进一步简化，汽车电子本钱的进一步降落。
其余 2020 款 model Y 的 PCB 板也得到进一步节约。初代 PCB 板由于形状不规则，一定有一部分 PCB 材料被摧残浪费蹂躏，推高了本钱。而第三代掌握器的 PCB 形状能够紧密贴合，两个旁边车身掌握器可以合并成为一个矩形，因此 PCB 材料的利用率得到有效提升，也能够在一定程度上降落本钱。
未来车身掌握器会如何发展，是否会走向一台统一的掌握器？至少目前来看，特斯拉用产品对此做出了否定的回答。我们可以看到，2021 年交付的 model S plaid，其第四代车身掌握器仍旧利用了分离的两片旁边车身掌握器。
而且在第四代车身掌握器设计中，前车身掌握器也分成了两片，一片卖力能量管理和配电，另一片卖力车身管理、热管理以及少量配电事情。整体来看，第四代掌握器的元件密度仍旧很高，表示出了集成降本的趋势。其余，第四代掌握器的元件连接采取 Press-Fit技能取代了传统焊接，进一步提高了良率，也有利于实现更高的元器件密度。
整体来看，统一的中心打算机虽然集成度高，但不可避免地带来了掌握器和受控器件的间隔增加，从而增加线束长度，提高本钱，而且元件集成密度也有一定的限定，我们无法在有限的空间内无限制集成，因此集中化也是有上限和最优解的，目前看来特斯拉正逐渐改进设计和工艺来逼近这个最优解。
硬件方面的持续集成也为软件的集成和发展创造了条件。传统汽车家当链当中不同功能独立性很高，各功能的 ECU 都来自不同厂商，难以协同事情。但特斯拉将大量 ECU 集成后，车身上只需保留卖力各个功能的实行器，而紧张的掌握功能都统一在域掌握器中，采取少量的 MCU，更多利用软件来完成功能掌握。比如特斯拉 model 3 的旁边车身域掌握器中各有 3 个 MCU，数量大大减少，不同掌握功能采取软件的形式进行交互，能够有更大的协同创新空间。比如特斯拉可以协同全车空调出风口来调节车内风场，或对副驾驶座位上的搭客进行体重检测，判断其是否属于儿童，从而灵巧调度安全气囊策略，而不是像传统车企一样只能让儿童坐在后排。而且特斯拉可以从软件掌握当中网络数据，并持续不断改进掌握功能，改进用户体验。
特斯拉这种软硬件持续集成的方案在带来上风的同时也对软件开拓能力提出了更高哀求。只有统揽全局软硬件方案、熟习各个部件特性的整车厂商才有能力开拓如此弘大繁芜的软件系统，传统车企一贯以来扮演集成商的角色，ECU 软件开拓更多依赖供应商，其人才军队构成和供应链方面的利益关系导致其短韶光内难以模拟特斯拉的办法，因而特斯拉的车身掌握软件也成为其独特的竞争力。
驾驶域：FSD 芯片和算法构成紧张壁垒，NPU 芯片效率更优
特斯拉的另一个主要特色便是其智能驾驶，这部分功能是通过其自动驾驶域掌握器（AP）来实行的。本部分的核心在于特斯拉自主开拓的 FSD 芯片，别的配置则与当前其他自动驾驶掌握器方案没有实质差异。
在 model 3 所用的 HW3.0 版本的 AP 中，配备两颗 FSD 芯片，每颗配置 4 个三星 2GB内存颗粒，单 FSD总计 8GB，同时每颗 FSD配备一片东芝的 32GB闪存以及一颗 Spansion的 64MB NOR flash 用于启动。网络方面，AP 掌握器内部包含 Marvell 的以太网交流机和物理层收发器，此外还有 TI 的高速 CAN 收发器。对付自动驾驶来说，定位也十分主要，因此配备了一个 Ublox 的 GPS 定位模块。
外围接口方面，model 3 整车的所有摄像头都直接连接到 AP 掌握器，与这些相机合营的还有 TI 的视频串行器和解串器。此外还有供电接口、以太网接口和 CAN 接口使得 AP掌握器能够正常运作。作为一款车载掌握器，特斯拉的自动驾驶域掌握器还考虑到了紧急情形，因此配备了紧急呼叫音频接口，为此搭配了 TI 的音频放大器和故障 CAN 收发器。
其余一点值得把稳的是，为了保障驾驶安全，AP 掌握器必须时候稳定运行，因此特斯拉在 AP 掌握器中加入了相称大量的被动元件，正面有 8 颗安森美的智能功率模块，并搭配大量的电感和电容。背面更为明显，在险些没有太多掌握芯片的情形下将被动元件铺满全体电路板，密度之高远超其他掌握器，也明显高于生活中各种常见的智能终端。从这一点来看，随着智能汽车的发展，我国被动元器件企业也有望获益。
为了实现自动驾驶，特斯拉提出了一整套以视觉为根本，以 FSD 芯片为核心的办理方案，其外围传感器紧张包含 12 个超声传感器（Valeo）、8 个摄像头（风挡玻璃顶 3 个前视，B 柱 2 个拍摄侧前方，前翼子板 2 个后视，车尾 1 个后视摄像头，以及 1 个 DMS 摄像头）、1 个毫米波雷达（大陆）。
其最核心的前视三目摄像头包含中间的主摄像头以及两侧的长焦镜头和广角镜头，形身分轻视野范围的搭配，三个摄像头用的是相同的安森美图像传感器。
毫米波雷达放置于车头处车标附近，包含一块电路板和一块天线板。该毫米波雷达内部采取的是一颗 Freescale 掌握芯片以及一颗 TI 的稳压电源管理芯片。
而全体 AP 掌握器的真正核心实在便是 FSD 芯片，这也是特斯拉实现更高 AI 性能和更低本钱的的一个重点。与当前较为主流的英伟达方案不同，特斯拉 FSD 芯片内部霸占最大面积的并非CPU和GPU，而是NPU。虽然此类设计完备是为神经网络算法进行优化，通用性和灵巧性相对不如英伟达的 GPU 方案，但在当前 AI 算法尚未涌现根本性变革的情形下，NPU 的适用性并不会受到威胁。
NPU 单元能够对常见视觉算法中的卷积运算和矩阵乘法运算进行有效加速，因此特斯拉 FSD 芯片能够利用三星 14nm 工艺，达到 144TOPS 的 AI 算力，而面积只有约 260 平方毫米。比较而言，英伟达 Xavier 利用台积电 12nm 工艺，利用 350 平方毫米的芯片面积却只得到 30TOPS 的 AI 算力。这样的差距也是特斯拉从 HW2.5 版本的英伟达 Parker SoC 切换到 HW3.0 的自研 FSD 芯片的缘故原由。因此，在算法不发生根本性变革的情形下，特斯拉 FSD 能取得本钱和性能的双重上风，这也构成了特斯拉自动驾驶方案的竞争力。
AI 算法方面，根据特斯拉官网人工智能与自动驾驶页面的描述，AutoPilot 神经网络的完全构建涉及 48 个网络，每天依据其上百万辆车产生的数据进行演习，须要演习 70000 GPU 小时。根本代码层面，特斯拉具备可以 OTA 的勾引程序，还有自定义的 Linux 内核（具有实时性补丁），也有大量内存高效的低层级代码。
未来自动驾驶域的创新仍旧汇合中在芯片端，其余传感器的创新如激光雷达、4D 毫米波雷达等也能够很大程度上推动智能驾驶。在可见的未来，专用 AI 芯片将能够成为与英伟达竞争的主要力量，我国 AI 芯片企业有望借助智能汽车的东风得到更好发展。
座舱域：特斯拉更多将座舱视为 PC 而非手机
座舱域是用户体验的主要组成部分，特斯拉的座舱掌握平台也在不断进化中。本次拆解的特斯拉model 3 2020款采取的是第二代座舱域掌握器（MCU2）。
MCU2 由两块电路板构成，一块是主板，另一块是固定在主板上的一块小型无线通信电路板（图中粉色框所示）。这一块通信电路板包含了 LTE 模组、以太网掌握芯片、天线接口等，相称于传统汽车中用于对外无线通信的 T-box，这次将其集成在 MCU 中，能够节约空间和本钱。我们本次拆解的 2020 款 model 3 采取了 Telit 的 LTE 模组，在 2021 款往后特斯拉将无线模组供应商切换成移远通信。
MCU2 的主板采取了双面 PCB 板，正面紧张布局各种网络干系芯片，例如 Intel 和Marvell 的以太网芯片，Telit 的 LTE 模组，TI 的视频串行器等。正面的另一个主要浸染是供应对外接口，如蓝牙/WiFi/LTE 的天线接口、摄像头输入输出接口、音频接口、USB 接口、以太网接口等。
而 MCU2 的背面更为主要，其核心是一颗 Intel Atom A3950 芯片，搭配总计 4GB 的Micron 内存和同样是 Micron 供应的 64GB eMMC 存储芯片。此外还有 LG Innotek 供应的WiFi/蓝牙模块等。
在座舱平台上，特斯拉基于开源免费的 Linux 操作系统开拓了其自有的车机操作系统，由于 Linux 操作系统生态不如 Android 生态丰富，特斯拉须要自己进行一部分主流软件的开拓或适配。
座舱域的主要浸染便是信息娱乐，MCU2 在这一方面表现尚显不敷。伴随 A3950 芯片低价的是其性能有限，据车东西测试称，在 MCU2 上启动腾讯视频或 bilibili 的韶光都超过了 20 秒，且舆图放大缩小常常卡顿。卡顿的缘故原由是多方面的，一方面 A3950 本身算力有限，集成显卡 HD505 性能也比较弱，处理器测评网站 NotebookCheck 对英特尔 HD 505的评价是，截至 2016 年的游戏，纵然是在最低画质设置下，也很少能流畅运行。
另一方面，速率较慢、寿命较短的eMMC（embedded MultiMedia Card）闪存也会拖累系统性能。eMMC 相对机器硬盘具备速率和抗震上风，但擦写寿命可能只有数百次，随着利用次数增多，坏块数量增加，eMMC 的性能将逐渐恶化，在利用周期较长的汽车上这一弊端可能会得到进一步放大，导致读写速率慢，利用卡顿，2021 年年初，特斯拉召回初代 MCU eMMC 可以佐证这一点。综合来看，特斯拉 MCU2 比较同期间采取高通 820A 的车机，属于偏弱的水平。
但特斯拉作为一家重视车辆智能水平的企业，并不会坐视掉队的局势一贯保持下去。2021 年发布的所有新款车型都换装 AMD CPU（zen+架构）和独立显卡（RDNA2 架构），GPU 算力提升超过 50 倍，存储也从 eMMC 换成了 SSD，读写性能和寿命都得到大幅改进。整体来看，比较 MCU2，MCU3 性能得到明显提升，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 配置已经与当前最新一代的主流游戏主机较为靠近，尤其是GPU 算力方面不输索尼 PS5 和微软 Xbox Series X。
提升的配置也让利用体验得到大幅提升。根据车东西的测试，MCU3 加载 bilibili 的韶光缩短到 9 秒，浏览器启动韶光为 4 秒，舆图也能够流畅操作，虽然比较手机加载速率仍旧不足，但已经有明显改进。其余 MCU3 的弘大算力让其能够运行大型游戏，比如 2021年 6 月新款特斯拉 model S 交付仪式上，特斯拉事情职员就现场展示了用手柄和车机玩赛博朋克 2077。而且特斯拉官网上，汽车内部渲染图中，车机屏幕上显示的是巫师 3。这两个案例已经解释，MCU3 能够充分支持 3A 游戏，利用体验一定程度上已经可以与 PC 或游戏主机比较较。
从特斯拉车机与游戏的不断靠拢我们可以看到未来座舱域的发展第一个方向，即连续推进大算力与强生态。目前除特斯拉采取x86座舱芯片外，其他车企采取ARM体系较多，但同样呈现出算力快速增长的趋势，这一点从主流的高通 820A到8155，乃至下一代的8295都能够得到明显表示。高通下一代座舱芯片8295性能基本与条记本电脑所用的8cx相同。可以看到无论是特斯拉用的 AMD芯片还是其他车企用的高通芯片，目前趋势都是从嵌入式的算力水平向 PC的算力水平靠拢，未来也有可能进一步超越PC算力。
而且高算力让座舱掌握器能够利用现有的软件生态。特斯拉选用x86，基于Linux开拓操作系统，利用现有的PC游戏平台，其他厂商更多利用现有的ARM-Android移动生态。这一方向发展到一定阶段后，可能会给车企带来商业模式的改变，汽车将成为流量入口，车企可以凭借车载的运用商店等渠道得到大量软件收入，并且大幅提高毛利率。
座舱域掌握器的第二个发展方向则是可能与自动驾驶掌握器的领悟。首先，当前座舱掌握器的算力普遍涌现了过剩，剩余的算力完备可以用于知足一些驾驶类的运用，例如自动停车赞助等。
其次，一些自动驾驶功能尤其是停车干系功能须要较多人机交互，这正是座舱掌握器的强项。而且，座舱掌握器与自动驾驶掌握器的领悟还能够带来一定的资源复用和本钱节约，停车期间可以将紧张算力用于进行游戏娱乐，行驶期间则将算力用于保障自动驾驶功能，而且这种资源节约能够让汽车少一个域掌握器，按照MCU3的价格，或许能够为每台车节约上百美元的本钱。目前已经涌现了相称多二者领悟的迹象，比如博世、电装等主流供应商纷纭在座舱域掌握器中集成ADAS功能，未来这一趋势有望遍及。
电控域：IGBT宏图大展，SiC锋芒初露
IGBT：汽车电力系统中的“CPU”，广泛受益于电气化浪潮
IGBT相称于电力电子领域的“CPU”，属于功率器件门槛最高的赛道之一。功率半导体又称为电力电子器件，是电力电子装置实现电能转换、电路掌握的核心器件，按集成度可分为功率 IC、功率模块和功率分立器件三大类，个中功率器件又包括二极管、晶闸管、MOSFET 和 IGBT 等。
运用处景的增量扩展使得汽车领域成为市场规模最大，增长速率最快的 IGBT 运用领域。根据集邦咨询数据，新能源汽车（含充电桩）是 IGBT 最紧张的运用领域，其占比达31%。IGBT 在汽车中紧张用于三个领域，分别是电机驱动的主逆变器、充电干系的车载充电器（OBC）与直流电压转换器（DC/DC）、完成赞助运用的模块。
1）主逆变器：主逆变器是电动车上最大的 IGBT 运用处景，其功能是将电池输出的大功率直流电流转换成互换电流，从而驱动电机的运行。除 IGBT 外，SiC MOSFET 也能完成主逆变器中的转换需求。
2）车载充电器（OBC）与直流电压转换器（DC/DC）：车载充电器搭配外界的充电桩，共同完成车辆电池的充电事情，因此 OBC 内的功率器件须要完成交-直流转换和高低压变换事情。DC/DC 转换器则是将电池输出的高压电（400-500V）转换成多媒体、空调、车灯能够利用的低压电（12-48V），常用到的功率半导体为 IGBT 与 MOSFET。
3）赞助模块：汽车配备大量的赞助模块（如：车载空调、天窗驱动、车窗升降、油泵等），其同样须要功率半导体完成小功率的直流/互换逆变。这些模块事情电压不高，单价也相对较低，紧张用到的功率半导体为 IGBT 与 IPM。
以逆变器为例，Model S 的动力总成有两种，分别为 Large Drive Unit（LDU）和 Small Drive Unit（SDU），前者装置在“单电机后驱版本”中的后驱、“双电机高性能四驱版本”中的后驱，后者装置在“双电机四驱版本”中的前后驱、“双电机高性能四驱版本”中的先驱。
LDU 尺寸较大，输出功率也较大，内部的逆变器包含 84 个 IGBT。LDU 的逆变器呈现三棱镜布局，每个半桥位于三棱镜的每个面上，每个半桥的 PCB 驱动板（三角形）位于三棱镜的顶部，电池流出的高压直流电由顶部输入，逆变后的高压互换电由底部输出。
Model S（单电机版本）全车共有 96个IGBT，个中有 84个IGBT 位于逆变器中，为其三相感应电机供电，84个IGBT 的型号为英飞凌的 IKW75N60T。若以每个 IGBT 5美元打算，Model S 逆变器所利用的 IGBT 价格约为 420 美元。
而 SDU 的形态更小，内部构造也更为紧凑，内部逆变器含 36 个 IGBT。根据01芯闻拆解，SDU 中的IGBT为单管IGBT，型号为英飞凌的 AUIRGPS4067D1，总用量为 36片。IGBT 单管的布局也有较大变革，IGBT 单管背靠背固定在散热器中，组成类似三明治的构造，充分利用内部空间。同时，SDU 内部 IGBT 的管脚也无需折弯，降落失落效概率。比较 LDU，SDU 的涌现表示出特斯拉对 IGBT 更高的关注度与哀求，其机器、电学、本钱、空间等指标均有明显提升。
SiC：Model 3 首创运用先河，与 IGBT 各有千秋
与 IGBT 类似，SiC 同样具有高电压额定值、高电流额定值以及低导通和开关损耗等特点，因此非常适宜大功率运用。SiC 的事情频率可达 100kHz 以上，耐压可达 20kV，这些性能都优于传统的硅器件。其于上世纪 70 年代开始研发，2010 年 SiC MOSFET 开始商用，但目前并未大规模推广。
Model 3 为第一款采取全 SiC 功率模块电机掌握器的纯电动汽车，首创 SiC 运用的先河。基于 IGBT 的诸多上风，在 Model 3 问世之前，世面上的新能源车均采取 IGBT 方案。而 Model 3 利用 SiC 模块更换 IGBT 模块，这一里程碑式的创新大大加速了 SiC 等宽禁带半导体在汽车领域的推广与运用。根据SystemPlus consulting 拆解报告，Model 3 的主逆变器上共有 24 个 SiC 模块，每个模块包含 2 颗 SiC 裸晶（Die），共 48 颗 SiC MOSFET。
Model 3 所用的 SiC 型号为意法半导体的 ST GK026。在相同功率等级下，这款 SiC模块采取激光焊接将 SiC MOSFET、输入母排和输出三相铜进行连接，封装尺寸也明显小于硅模块，并且开关损耗降落 75%。采取 SiC 模块替代 IGBT 模块，其系统效率可以提高5%旁边，芯片数量及总面积也均有所减少。如果仍采取 Model X 的 IGBT，则须要 54-60颗 IGBT。
24 个模组每个半桥并联四个，利用水冷进行散热。24 个模块排列紧密，每相 8 个，单个开关并联 4 个。模组下方紧贴水冷散热器，并利用其进行散热。可以看到，模块所在位置的背面有多根棒状排列的散热器（扰流柱散热器），利用冷却水进行水冷。水通道由稍大的盖板覆盖和密封。
Model 3 形成“示范效应”后，多家车厂陆续跟进 SiC 方案。在 Model 3 成功量产并利用后，其他厂商开始逐渐认识到 SiC 在性能上的优胜性，并积极跟进干系方案的落地。2019 年 9 月，科锐与德尔福科技宣告开展有关车用 SiC 器件的互助，科锐于 2020 年 12月成为大众 FAST 项目 SiC 独家互助伙伴；2020 年，比亚迪“汉”EV 车型下线，该车搭载了比亚迪自主研发的的 SiC MOSFET 模块，加速性能与续航显著提升；2021 年，比亚迪在其“唐”EV 车型中加入 SiC 电控系统；2021 年 4 月，蔚来推出的轿车 ET7 搭载具备 SiC 功率模块的第二代高效电驱平台；小鹏、空想、捷豹、路虎也在逐渐布局 SiC。
比较 IGBT，SiC 能够带动多个性能全面提升，上风显著。由于 Si-IGBT 和 Si-FRD组成的 IGBT 模块在追求低损耗的道路上走到极致，意法半导体、英飞凌等功率器件厂商纷纭开始研发 SiC 技能。与 Si 基材料比较，SiC 器件的上风集中表示在：
1）SiC 带隙宽，事情结温在 200℃以上，耐压可达 20kV；
2）SiC 器件体积可以减少至 IGBT 的 1/3~1/5，重量减少至 40%~60%；
3）功耗降落 60%~80%，效率提升 1%~3%，续航提升约 10%。在多项工况测试下，SiC MOSFET 比较 Si-IGBT 在功耗和效率上上风显著。
但 SiC 的高本钱制约遍及节奏，未来 SiC 与 Si-IGBT 可能同步发展，相互补充。与IGBT 比较，SiC 材料同样存在亟待提升之处。
1）目前 SiC 成品率低、本钱高，是 IGBT的 4~8 倍；
2）SiC 和 SiO2 界面毛病多，栅氧可靠性存在问题。受限于高本钱，SiC 器件遍及仍需时日，叠加部分运用处景更加看重稳定性，我们认为 SiC 在逐步渗透的过程中将与 Si-IGBT 一同发展，未来两者均有广阔的运用处景与增长空间。
由于运用落地较慢，目前全体 SiC 市场仍处于发展阶段，国外厂商霸占紧张份额。根据 Cree（现公司名为Wolfspeed）数据，2018 年环球 SiC 器件发卖额为 4.2 亿美元，估量 2024 年发卖额将达 50 亿美元。SiC 家当分链可分为衬底、外延、模组&器件、运用四大环节，意法半导体、英飞凌、Cree、Rohm 以及安森美等国外龙头紧张以 IDM 模式经营，覆盖家当链所有环节，五家龙头霸占的市场份额分别为 40%、22%、14%、10%、7%。
动力域：主从架构 BMS 为躯干，风雅电池管理为核心
Model 3 作为电动车，电能和电池的管理十分主要，而卖力管理电池组的 BMS 是一个高难度产品。BMS 最大的难点之一在于，锂电池安全高效运行的条件是十分苛刻的。当今的锂电池，无论正负极还是电解液都十分薄弱。正负极均为多孔材料，充放电时锂离子就在正极和负极的孔隙中移动，导致正负极材料膨胀或紧缩，当锂电池电压过高或过低，就意味着锂离子过度集中在正负极个中之一，导致这一边的电极过度膨胀而破碎，还随意马虎产生锂枝晶刺破电池构造，而另一边的电极由于缺少锂离子支撑，会发生构造坍塌，如此正负极都会受到永久性危害。电解液和三元正极材料都对温度比较敏感，温度过高则随意马虎发生分解和反应，乃至燃烧、爆炸。因此，利用锂电池的条件便是确保其能事情在得当的温度和电压窗口下。如果以电压为横轴，温度为纵轴绘制一张图，这就意味着锂电池必须运行在图中一个较小的区域内。
BMS 的第二大难点在于，不同的锂电池之间一定存在不一致性。这种不一致性就导致同一韶光，在同一电池组内，不同的电池仍旧事情在不同的温度、电压、电流下。如果连续用一张图来描述，就代表着不同电池处在图上的不同位置。而要担保电池组的安全高效运行，就意味着诸多电池所在的点位必须同时处于狭小的安全窗口内，这就导致电池数量越多，管理就越困难。
为理解决锂电池运行的这一难题，就必须有可靠的 BMS 系统来对电池组进行监控和管理，让不同电池的充放电速率和温度趋于均衡。
在诸多厂家的 BMS 中，特斯拉的 BMS 系统是繁芜度和技能难度最高的之一，这紧张是由于特斯拉独特的大量小圆柱电池成组设计。
为什么特斯拉选用难以掌握的小圆柱电池？早在特斯拉成立的早期，日本厂商在18650 小圆柱电池上积累了丰富的履历，一年出货量达到几十亿节，因而这类电池同等性较好，有利于电池管理。因此特斯拉在model S 上选用了小圆柱电池。出于技能积累等方面的缘故原由，特斯拉在 model 3 上利用了仅比 18650 略大的 2170 电池，并且至今还在利用圆柱形电池。
由于特斯拉一贯采取数量弘大的小圆柱电池来布局电池组，导致其 BMS 系统的繁芜度较高。在 model S 时期，特斯拉全车利用了 7104 节电池，BMS 对其进行掌握是须要一定软件水平的。根据汽车电子工程师叶磊的表述，在 model S 当中，采取每 74 节电池并联检测一次电压，每 444 节电池设置 2 个温度探测点。从汽车电子工程师朱玉龙发布的model S 诊断界面图也可以看出，全体电池组共有 166=96 个电压采样点，以及 32 个温度采样点。可以看到采样的数据是很多的，须要管理的电池数量也为其增加了难度，终极BMS 将依据这些数据设置合理的掌握策略。高繁芜度的电池组也让特斯拉在 BMS 领域积累了相称强的实力。与之相对，其他厂商的 BMS 繁芜度就远不如特斯拉高，例如大众 MEB平台的首款电动车 ID.3 采取最多 12 个电池组模块，其电池管理算法相对会比较大略。
未来特斯拉的 BMS 是否会坚持这样的繁芜度？从目前趋势来看，随着采取的电池越来越大，BMS 须要管理的电池数量是越来越少的，BMS 的难度也有所降落。比如从 model S 到 model 3，由于改用 2170 电池，电芯数量涌现了较明显的低落，长续航版电芯数量缩减到 4416 颗，中续航版 3648 颗，标准续航版 2976 颗。本次拆解的标准续航版配置 96个电压采样点，数量与 model S 相同，均匀每 31 节电池并联丈量一个电压值。整车 4 个电池组，每个都由 24 串 31 并的电池组组成，对电流均衡等方面提出了较高的哀求。未来，随着 4680 大圆柱电池的运用，单车电芯数量将进一步减少，有利于 BMS 更精确地进行掌握，或许能够进一步强化特斯拉的 BMS 表现。
只管面临着最高的 BMS 技能难度，但特斯拉仍旧在这一领域做到精良水准，而且还有超越其他公司的独到之处。比如特斯拉在电池管理的思路方面显得更加大胆，热管理方面是一个范例表示。特斯拉会在充电期间启动热管理系统将电池加热到 55 度的理论最佳温度，并在此温度下进行持续充电，比较而言，其他厂商每每更在意电池是否会过热，不会采取此类策略，这更加显现出特斯拉在 BMS 方面的实力。
特斯拉在充电或电能利用方面的用户体验设计是其 BMS 系统的另一个独到之处。比如特斯拉会用车身电池来使其他主要掌握器实现“永不下电”，提高启动速率，改进用户体验。充电时，特斯拉采纳的策略也更加灵巧，会在充电刚开始时将电流提高到极大的程度，迅速提升电池电量，随后再逐渐减小充电电流到一个可以长期持续的水平，比如 model Y 可以在 40 秒内达到 600A 的超大电流充电（如图中黄绿色线所示）。比较而言，一样平常的车企乃至消费电子厂商常日会用一个可以长期持续的电流进行恒流充电。考虑到车主有时须要在几分钟内迅速补充电池电量，特斯拉的这种策略无疑是更有上风的，这也表示出特斯拉比传统车企思路更灵巧，更能产生创新。
而详细如何实现这样精良的 BMS 功能？前文所说的各类 BMS 管理策略依赖于软件，软件的根本在于特斯拉的 BMS硬件设计。特斯拉 model 3 的硬件设计包括了核心主控板、采样板、能量转换系统（PCS，由 OBC 和 DCDC 两部分组成）以及位于充电口的充电掌握单元。BMS 部分所有电路均覆盖有透明三防漆以保护电路，导致电路元件外不雅观光滑且反光。
主控板卖力管理所有 BMS 干系芯片，共设置 7 组对外接口，包含了对充电掌握器（CP）、能量转换系统（PCS）的掌握旗子暗记，以及到采样板（BMB）的旗子暗记，其余还包含专门的电流电压采集旗子暗记。电路板上包含高压隔离电源、采样电路等电路模块。元器件方面，有Freescale 和 TI 的单片机，以及运放、参考电压源、隔离器、数据采样芯片等。
在 BMS 的掌握下，详细对电池组进行监测的是 BMB 电路板，对付特斯拉 model 3而言，共有 4 个电池组，每一组配备一个 BMB 电路板，并且 4 个电路板的电路布局各不相同，彼此之间可以很随意马虎地利用电路板上的编号进行差异，并且按照顺序用菊花链连接在一起，在 1 号板和 4 号板引出菊花链连接到主控板的 P5 和 P6 接口。我们本次拆解的model 3 单电机标准续航版电池组较短，沿着每个电池组都支配了一条 FPC（柔性电路板），并且在其沿线设置了对电池进行采样的采样点，每个采样点都用蓝色聚氨酯进行覆盖保护，末了在 FPC 上方覆盖淡黄色胶带进行保护。须要把稳的是，标准续航版只管每个电池组仍有两条淡黄色胶带，但只有个中一条下面有 FPC，另一条仅起到对下方电池触点的保护浸染。而对付长续航版本，由于电池较多，每个电池组都须要分成两条 FPC 进行采样。
详细到 BMB 电路方面，标准续航版和长续航版也有所不同，我们以元器件较多的 4号采样板为例进行解释。首先，在采样点数量方面就有所不同，标准续航版共设置 24 个采样点，因此 FPC 上有 24 个触点与 BMB 进行对应。长续航版的电池组顶格设置，4 个电池组当中，中间两组较长，旁边各设置 25 个采样点，共 50 个，两边的电池组略短一些，共设置 47 个采样点，一侧 24 个，另一侧 23 个，因此长续航版的 BMB 须要在两侧都设置触点。
其次，电路支配和元器件数量也有较大不同。经由触点传来的旗子暗记须要由 AFE（仿照前端）芯片进行处理，这是全体 BMB 电路的核心。标准续航版每个 BMB 有两颗定制的AFE 芯片，其配置有些类似 Linear Technology（ADI）的 LTC6813 芯片但不完备相同，同时配置了 3 颗 XFMRS 的 BMS LAN 芯片用于与其他电路板的旗子暗记传输。长续航版 BMB由于两侧均有触点，旗子暗记数量较多，因此为每个 AFE 其余配置了两颗简化版的 AFE 芯片（图中橙色长方形），用来赞助旗子暗记处理。同时 BMS LAN 芯片的数量也增加了 1 颗。
BMS 体系的另一个主要组成部分是充电掌握，特斯拉为此开拓了充电掌握器，位于左后翼子板充电口附近。该掌握器有三个对外接口，卖力掌握充电口盖、充电枪连接状态与锁定、充电旗子暗记灯、快慢充掌握及过热检测等。电路方面则包括了 Freescale 的 MCU 和ST 的 HSD 芯片等。
BMS 还有一个主要功能便是电能转换，包括将高压直流电转化成低压直流电来供给车内设备，或者将高压互换电转化为高压直流电用于充电等，这一部分是通过能量转换系统（PCS，也称高压配电盒）完成的。PCS 包括两个紧张部分，分别是将互换电转化成直流电的 OBC（车载充电器，On Board Charger）和进行直流电压变换的 DCDC。这部分电路中紧张是各种大电容和大电感，也包含了整车中十分罕见的保险丝。
从元器件层面来看BMS系统，最核心的紧张便是AFE芯片和各种功率器件/被动元件。个中 AFE 芯片领域，海内最主流的是三家美国公司产品，Linear Technology（被 ADI 收购）、Maxim（被 ADI 收购）、TI，以是实在还是归结于环球最大的两家仿照芯片公司。此外 NXP/Freescale、Intersil 等大型厂商也有一定份额。随着海内家当发展，国产 AFE 芯片通道数和产品稳定性逐渐提高，也有望得到发展空间。功率器件方面，我国度当已经有一定市场地位，在汽车领域仍可以进一步打破。
从电路和系统层面来看，依据汽车电子工程师朱玉龙的说法，BMS 真正的核心代价，实在是在电池的测试，评价，建模和后续的算法。全体 EE 的软硬件架构，已经基本是红海，未来家当不须要大量的 BMS 公司，长久来看还是电池厂商和车厂能够在 BMS 领域得到较高的地位。随着汽车家当崛起，未来我国电动汽车厂商在 BMS 领域也有望得到更深厚的积累。
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