《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新能源汽車電子電氣架構(gòu)及高壓連接器的發(fā)展

2023-03-16
來源:電子發(fā)燒友網(wǎng)
關(guān)鍵詞: 新能源 汽車電子 ECU

  車結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,,功能日益多樣,,導(dǎo)致線束長度與復(fù)雜度提升。線束是汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體,,其連接車上的各個組件,,負(fù)責(zé)相關(guān)電力與電信號的傳輸,,被譽為“汽車神經(jīng)”。汽車智能化與電氣化程度的提升,,依賴于汽車傳感器,、ECU(電子控制單元)數(shù)量的增加, 90 年代一輛車的 ECU 數(shù)量大約為十幾個,,而目前單車 ECU 數(shù)量已增至上百個,。控制單元的數(shù)量的增加使得網(wǎng)線結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,,大大增加了車輛中的線束長度,。

  圖1:汽車電氣架構(gòu)變化趨勢

  

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  資料來源:安波福

  降低線束復(fù)雜程度,依賴電子電氣架構(gòu)的革新,。根據(jù)博世的電子電氣架構(gòu)戰(zhàn)略圖,,汽車的電子電氣架構(gòu)主要分為三大類:分布式電子電氣架構(gòu)、域集中式電子電氣架構(gòu)與車輛集中式電子電氣架構(gòu)。傳統(tǒng)汽車主要采用分布式架構(gòu),,該架構(gòu)由多個相對獨立的 ECU 組成,,各個 ECU 與功能一一對應(yīng)。而線束則負(fù)責(zé)將不同的 ECU 進行連接,,以實現(xiàn)信息的交互,。因此在傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)下,ECU 模塊數(shù)量的增多與分散化的布局,,不可避免地會導(dǎo)致線束長度的增加,,提高制造成本。目前傳統(tǒng)分布式架構(gòu)汽車的線束長度大約為 5km,。

  圖2:博世電子電氣架構(gòu)演進圖

  

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  資料來源:智駕最前沿微信公眾號

  特斯拉早期的 Model S 與 Model X 對架構(gòu)進行改革,,根據(jù)功能劃分域控制器,整體架構(gòu)介于分布式和域集中式之間,。Model S 與 Model X 車內(nèi)僅由駕駛域,、動力域、底盤域,、座艙域,、車身域等域控制器構(gòu)成,因此極大減少 ECU 的數(shù)量并同步縮短了 CAN 總線的長度,,Model S 線束長度約為 3km,。

  而 Model 3 對“域”進行重新劃分,在 Model S 與 Model X 的基礎(chǔ)上進行跨域融合,。各個 ECU 不再按功能進行劃分,,而是以物理位置直接分為 CCM(中央處理模塊)、BCM LH(左車身控制模塊,,LBCM),、FBCM(前車身控制模塊)、BCM  RH(右車身控制模塊,, RBCM)四大部分,。CCM 負(fù)責(zé)原本駕駛域與座艙域的功能需求,包括自動駕駛模塊,、信息娛樂模塊,、車內(nèi)外通信連接等;BCM LH 負(fù)責(zé)左側(cè)車身轉(zhuǎn)向,、制動,、穩(wěn)定控制等;FBCM 負(fù)責(zé)電源分配,、邏輯控制等,;BCM RH 負(fù)責(zé)動力系統(tǒng),、熱管理等。利用少量的高性能計算單元替代分散的 ECU,,把需要實現(xiàn)的功能通過軟件遷移到幾大模塊中,,從而進一步提升集成度,因此,,Model 3 的線束長度進一步縮短到 1.5km,。

  圖3:Model 3 左、前,、右車身控制模塊

  

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  資料來源:中城康帕斯科技發(fā)展(深圳)有限公司,,中信證券研究部

  縮短線束長度是提升產(chǎn)品續(xù)航與制造效率的共同需求。傳統(tǒng)汽車線束的重量約占整車的 5%,,長度的縮短能夠為汽車設(shè)計讓出更多的物理空間,,并能減輕汽車總重從而減少油耗提升續(xù)航。同時,,線束種類多樣,、布局復(fù)雜且質(zhì)地較軟,,因此線束的生產(chǎn)與安裝都主要依賴于人工,。根據(jù)佐思汽研數(shù)據(jù),95%的線束需要人工生產(chǎn),,線束低自動化的生產(chǎn)模式限制了車廠進一步擴大產(chǎn)能,。針對這一問題,Model 3 通過革新架構(gòu)縮短線束長度,,減少其對產(chǎn)能提升的阻滯,。

  表1:汽車線束主要線束產(chǎn)品及基本功能

  

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  資料來源:華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院,中信證券研究部

  圖4:BCM RH(右車身控制模塊)周圍線束展示

  

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  資料來源:中城康帕斯科技發(fā)展(深圳)有限公司,,中信證券研究部

  圖5:部分低壓線束展示

  

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  資料來源:中城康帕斯科技發(fā)展(深圳)有限公司,,中信證券研究部

  除了架構(gòu)調(diào)整縮短線束長度,拆解發(fā)現(xiàn),,Model 3 在高壓線束中采用鋁導(dǎo)線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅導(dǎo)線,,進一步實現(xiàn)輕量化。鋁與銅的密度分別為 2.7kg/m?,、8.9 kg/m?,,且鋁料的成本較銅便宜一半以上。即使考慮鋁在導(dǎo)電性能上的劣勢,,增大線徑的鋁導(dǎo)線(增大約 1.6 倍) 依舊可以進一步減少車身重量(約 21%),,降低制造成本。

  圖6:Model 3 高壓鋁材質(zhì)導(dǎo)線及其結(jié)構(gòu)圖

  

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  資料來源:電動知家

  但使用鋁導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線也會面臨諸多問題,,使得此前車廠不敢輕易嘗試高壓鋁導(dǎo)線,。首先,,鋁的導(dǎo)電率明顯低于銅如若要達(dá)到相同的導(dǎo)電性能,需要進一步加大導(dǎo)線線徑,;鋁 的抗拉強度更低,,影響機械性能;鋁和銅在膨脹系數(shù)的差異,,也會使得鋁導(dǎo)線與銅端子在 結(jié)合界面產(chǎn)生空隙,,導(dǎo)致阻抗的增加;鋁極易氧化,,且絕緣的氧化鋁可能影響接觸性能,。

  雖然鋁導(dǎo)線在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,但基本都在低壓領(lǐng)域,,Model 3 在高壓導(dǎo)線領(lǐng)域使用鋁導(dǎo)線,,是其利用自身技術(shù)稟賦實現(xiàn)成本管理與技術(shù)提升的重要表現(xiàn)。

  表2:鋁,、銅各性能系數(shù)對比

  

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  資料來源:線束世界,,中信證券研究部

  圖7:Model 3 高壓線束展示

  

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  資料來源:中城康帕斯科技發(fā)展(深圳)有限公司,中信證券研究部

  從行業(yè)看,,線束行業(yè)的單車價值量相對穩(wěn)定,,單價主要受車型的不同、項目定價的差異及結(jié)構(gòu)影響,。在新車型和改款車型上市的初期,,由于車輛的售價較高,相應(yīng)的零部件定價也相應(yīng)較高,。而隨著推出時間的增長及新車型的推出,,整車廠會對原有車型進行降價, 同時也要求汽車零部件生產(chǎn)商降價,,從而降低公司產(chǎn)品的銷售價格,。根據(jù)滬光股份招股說明書,2019 年公司成套線束(構(gòu)成車身的主要線束組合,,不包括發(fā)動機相關(guān)的線束),、發(fā)動機線束、其他線束單價分別為 1587 元/套,、199 元/件,、29 元/件。相同車型的線束單價相對穩(wěn)定,,單價差異主要取決于車型的不同,,2019 年,公司不同車型成套線束的單價普遍在 1000 到 3000 元之間,。

  表3:2019 年滬光股份成套線束主要項目銷售單價及毛利情況

  

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  資料來源:滬光股份招股說明書,,汽車之家,,中信證券研究部

  Model 3 等新能源車發(fā)展方興未艾,量價提升打開線束行業(yè)成長空間,。目前線束行業(yè)為存量市場,,市場規(guī)模依賴下游汽車的銷售情況,汽車“新四化”趨勢下 2021 年我國汽車產(chǎn)銷量分別為 2608.2 萬輛與 2627.5 萬輛,,結(jié)束了 2018 年以來連續(xù)三年的下降局面,。同時,高壓線束的增量需求與輕量化趨勢提升單車價值量,,行業(yè)空間進一步打開,。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),傳統(tǒng)低,、中,、高端汽車的線束單車價值量約為 2500、3500,、4500 元,, 而新能源車線束單車價值平均提升至 5000 元左右。若以 3000 元的單車價值量計算,,2021年線束市場規(guī)??蛇_(dá) 782 億元。

  從盈利上看,,成本沖擊使得行業(yè)毛利率表現(xiàn)不佳,。線束行業(yè)屬于勞動密集型行業(yè)、產(chǎn)品成本受銅等原材料價格影響嚴(yán)重,,因此行業(yè)內(nèi)公司毛利率較低。在人力成本與原料成本的負(fù)面沖擊下,,近年來線束行業(yè)毛利率呈現(xiàn)下降趨勢,。

  圖8:不同車型線束單車價值量分布(元)

  

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  資料來源:華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院,中信證券研究部

  圖9:國內(nèi)線束廠商毛利率變化趨勢

  

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  資料來源:wind,,中信證券研究部

  而從格局上看,,線束行業(yè)與整車廠商合作穩(wěn)定,市場集中度較高,。汽車線束行業(yè)發(fā)展高度依賴汽車行業(yè),,大部分品牌車廠擁有較成熟穩(wěn)定的汽車配套體系。長期以來,,對零部件的高標(biāo)準(zhǔn)要求使得線束供應(yīng)商與汽車企業(yè)的合作相對穩(wěn)定,。目前,全球汽車線束市場主要由日本的矢崎,、住友電氣,、藤倉,,韓國的欲羅、京信以及歐美的萊尼,、安波福,、科侖伯格舒伯特公司、德克斯米爾,、李爾等線束廠商主導(dǎo),。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院,2018 年前五大廠商矢崎,、住友電氣,、德爾福、萊尼,、李爾分別占比 29.81%,、24.38%、16.71%,、6.05%,、4.70%,CR5 為 81.65%,。

  就國內(nèi)市場而言,,大型自主品牌車廠大多擁有穩(wěn)定配套生產(chǎn)的本土線束廠,而外資以及合資整車廠,,對線束的要求較高,,選擇的線束廠家大多為國際零部件廠商在國內(nèi)的獨資或者合資廠商,例如住潤電裝主要為廣州本田,、東風(fēng)本田配套,。近年來,由于國際汽車廠商越發(fā)重視成本控制,,汽車零部件的本土化采購日益加強,,國內(nèi)廠商正逐步進入國際汽車廠商的供應(yīng)鏈。

  表4:汽車整車制造商對應(yīng)主要線束供應(yīng)商

  

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  資料來源:滬光股份招股說明書,,中信證券研究部

  連接器:電氣化催生增量應(yīng)用,,設(shè)計革新持續(xù)優(yōu)化

  連接器常在導(dǎo)線的兩段,同樣用于兩個有源器件之間的連接,,其形式和結(jié)構(gòu)多樣,,但通常由接觸件、絕緣件,、殼體,、附件組成。接觸件是連接器完成功能的核心零件,,其通過陰,、陽兩個接觸件的插合完成電連接,;殼體是汽車連接器的外罩,提供機械保護與固定連接器的作用,;絕緣體的作用是使接觸件按規(guī)定的位置和間距排列,,并提供絕緣保護;附件可進一步分為結(jié)構(gòu)附件和安裝附件,,結(jié)構(gòu)附件包括卡圈,、定位鍵、定位銷,、導(dǎo)向銷,、聯(lián)接環(huán)等,安裝附件包括螺釘,、螺母,、螺桿、彈簧圈等,。按照性能及應(yīng)用場景的不同,,車用連接器可以分為高速連接器、低壓連接器和高壓連接器,。

  表5:車用連接器種類及應(yīng)用場景

  

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  資料來源:智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng),,中信證券研究部

  高壓連接器是汽車電氣化背景下的關(guān)鍵組件。根據(jù)線束世界資料,,一臺現(xiàn)代車輛包含的連接器數(shù)量多達(dá) 700 個,。而在汽車電氣化趨勢下,車內(nèi) 60V 電壓以上的場景迅速增加,。車輛的驅(qū)動離不開高電壓大電流電路的驅(qū)動,,這為高壓連接器提供巨大的增量需求。拆解發(fā)現(xiàn),,Model 3 中的高壓連接器數(shù)量也線性增加,,功能與形態(tài)也有相應(yīng)的變化。

  圖10:高壓連接器在新能源整車系統(tǒng)中的應(yīng)用

  

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  資料來源:鼎通科技招股說明書

  在高壓快充連接器上,,Model 3 使用的是由 TE(泰科)定制的插片式高壓連接器 HC Stak 35,其作用是連接汽車電池與充電線束,。插片結(jié)構(gòu)是特斯拉一貫的選擇,,其能夠增加鋁導(dǎo)線的焊接選擇,與同等的圓柱式端子相比,,其尺寸更小,,載流更好(提升約 20%),能為電氣系統(tǒng)布局盡可能地節(jié)約空間,。

  圖11:Model 3 片式高壓快充連接器所在位置

  

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  資料來源:特斯拉官網(wǎng)-用戶手冊,,中信證券研究部

  圖12:插片式與圓柱式高壓連接器尺寸對比

  

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  資料來源:線束世界微信公眾號

  從設(shè)計上看,,HC Stak 35 的端子通過銅板(35mm 厚)與 35 片刀叉型端子連接,由于插座端的端子是由 35 片 DEFCON 端子疊加形成,,所以其能類似積木一樣,,根據(jù)不同端口的需求不同,通過改變疊片數(shù)量來構(gòu)成不同型號的連接器,,這一模塊化設(shè)計方式能夠進一步降低端子加工成本,。HC Stak 35 搭配 95 mm?的高壓線束,能夠支持 Model 3 充電 15分鐘增加 279 公里的快速充電與長效續(xù)航,。但插片式連接器同樣有其缺點,,其不耐拔插, 插片容易變形導(dǎo)致正負(fù)極插片無法保持在同一水平面上,。

  圖13:多片疊加的刀叉型端子結(jié)構(gòu)示意圖

  

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  資料來源:線束世界微信公眾號,,中信證券研究部

  在動力電池—電驅(qū)高壓線束的連接器上,Model 3 采用的是 TE 的 HC Stak 25,。其結(jié)構(gòu)和功能與 HC Stak 35 類似,,不同點在于尺寸的大小,可以看到,,HC Stak 25 比 HC Stak 35 更小,,因此 HC Stak 25 插座端的端子是 20 片 DEFCON 端子組成(HC Stak 35 為 35 片),不同的型號共用相同的連接器端子,。連接器端子通過數(shù)量堆疊的變化能夠快速完成不同型號的組裝,,這體現(xiàn)了連接器模塊化生產(chǎn)帶來的成本管控優(yōu)勢。

  圖14:動力電池-電驅(qū)高壓連接器所在位置

  

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  資料來源:特斯拉官網(wǎng)-用戶手冊,,中信證券研究部

  圖15:HC Stak 35(左)與 HC Stak 35(右)尺寸比較

  

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  資料來源:中城康帕斯科技發(fā)展(深圳)有限公司,,中信證券研究部

  材料方面,Model 3 連接器材料為尼龍塑料材料,,但我們認(rèn)為金屬合金外殼的應(yīng)用未來會愈加普及,。雖然金屬材料連接器相比尼龍材料的成本更高,但其強度更高,,不會出現(xiàn)插件受力處開裂或沖擊后斷裂的情況,;同時快充功能要求連接器短時間內(nèi)能夠耐受更高的電流,金屬材料的良導(dǎo)熱性有利于更好地進行升溫控制,,因此我們認(rèn)為,,金屬外殼在未來的應(yīng)用中會愈加普及??赡芤舱腔谝陨峡紤],,特斯拉的 Model Y 已將其高壓連接器外殼由塑料材料替換成金屬材料。

  圖16:Model 3 材料高壓連接器外殼

  

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  資料來源:新能源高壓連接器聯(lián)盟,中信證券研究部

  圖17:Model Y 鋁合金高壓連接器外殼

  

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  資料來源:新能源高壓連接器聯(lián)盟,,中信證券研究部

  從競爭格局來看,,汽車是連接器最大應(yīng)用場景,行業(yè)競爭充分,,海外龍頭積淀深厚,。2020 年,汽車領(lǐng)域連接器規(guī)模占連接器總規(guī)模的 22%,,是最大的連接器細(xì)分市場,,電氣化與智能化趨勢有望進一步提高汽車連接器市場空間。同時,,行業(yè)內(nèi)廠商頭部化趨勢愈加明顯,,1980 年全球前 10 大連接器供應(yīng)商的市場份額為 38.0%,而在 2019 年前十大供應(yīng)商的份額提升至 60.2%,。2019 年全球前十大連接器廠商分別為泰科,、安費諾、莫仕,、安波福,、鴻海精密、立訊精密,、矢崎,、JAE、JST,、羅森伯格,。

  圖18:2020 年全球連接器按應(yīng)用領(lǐng)域市占率

  

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  資料來源:Bishop & associates, Inc.,中信證券研究部

  圖19:2019 年全球連接器廠商競爭格局

  

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  資料來源:Bishop & associates, Inc.,,中信證券研究部

  未來,,新能源車的進一步發(fā)展與放量有望推動連接器需求數(shù)量延續(xù)高速增長態(tài)勢,但單價可能呈下降趨勢,。以國內(nèi)連接器龍頭瑞可達(dá)為例,,2019 年其新能源連接器營收同比下降 17.62%,主要為產(chǎn)品售價降低導(dǎo)致,,當(dāng)年國家新能源汽車補貼標(biāo)準(zhǔn)平均退坡 50%,, 沖擊新能源汽車市場需求。2020 年度,,新能源汽車市場逐步回暖,,公司成為蔚來汽車、美國 T 公司及上汽集團等新能源汽車車企的供應(yīng)商,,銷量同比增加 37.18%,銷售額同比增加 3,737.02 萬元,。2021 年,,汽車“新四化”進一步落地,,公司成功進入國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)客戶供應(yīng)鏈,包括美國 T 公司,、蔚來汽車,、上汽集團、長安汽車,、比亞迪,、江淮汽車、金龍汽車,、小康股份,、安波福、寧德時代,、鵬輝能源等,。但伴隨行業(yè)規(guī)模效應(yīng)、生產(chǎn)工藝的成熟與競爭加劇影響,,連接器價格平穩(wěn)下降,。

  表6:瑞可達(dá)新能源連接器產(chǎn)品收入及其變動

  

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