特斯拉和比亞迪如何應對車用晶片短缺?

作者 : 顧正書,EE Times China

在全球汽車晶片產能普遍緊缺的情況下,特斯拉和比亞迪同樣面臨「缺晶片」的困擾。那麼,他們採用了什麼辦法來應對晶片短缺,從而實現銷售量的快速成長?

在全球汽車產業一片「晶片荒」中,通用(General Motors)和豐田(Toyota)等傳統汽車大廠被迫關閉裝配線,數以萬計的新車因為缺少某些晶片或半導體元件而積壓在停車場。然而,新能源車卻一枝獨秀,產銷量繼續保持高速成長的勢頭。據TrendForce最新發佈的2021年前三季度全球新能源車市場報告顯示,今年1~9月全球總共銷售新能源汽車420萬輛。其中純電動車(BEV) 292萬輛,與去年同比成長153%;插電式混合動力車(PHEV) 128萬輛,同比成長135%。

特斯拉(Telsa)以21.5%的市佔率高居榜首(約62.78萬輛),其前三季銷量已經超過了去年整年的銷售量。特斯拉市值也超過1萬億美元,將其創始人馬斯克推向了世界首富寶座。比亞迪純電動車市場份額為6.3% (排名第三),插電式混合動力車則以11.5%佔據第二名,總銷量排名僅次於特斯拉。不過,隨著比亞迪刀片電池的產能提升,以及DM-i超級混合動力車的爆發,比亞迪插電式混合動力車車型銷量將會保持爆發式成長。有機構預測,明年比亞迪插電式混合動力車車型銷量將會翻倍,接近150萬輛,穩坐全球市場第一的位置。

新能源車比傳統燃油車的半導體含量更高,單電池管理和馬達驅動就需要上百個晶片和半導體元件,配置智慧座艙、ADAS和自動駕駛功能的高階車型所用的半導體含量就更高了。在全球汽車晶片產能普遍緊缺的情況下,特斯拉和比亞迪同樣面臨「缺晶片」的困擾。那麼,他們採用了什麼辦法來應對晶片短缺,從而實現銷售量的快速成長?

特斯拉:重新設計和軟體更新

最近有特斯拉Model 3和Model Y車主聲稱新買的車上沒有USB介面,有的甚至連無線充電器也沒有了。早前特斯拉的部分車型出售時就不具備座椅腰椎支援墊了,特斯拉回應說這是因為晶片短缺而導致部分零組件缺貨,12月可以為客戶安裝缺失的零件。「稍後安裝」這些不影響駕駛的零件是特斯拉應對晶片短缺的一個小策略,對於關鍵零件和半導體元件(比如MCU)的短缺,特斯拉如何應對呢?

晶片短缺對傳統燃油車的影響顯而易見,因為汽車產業普遍採用JIT (Just-In-Time)採購和供應鏈模式,零組件庫存都會儘量降至最低水準。疫情導致汽車需求量下降,進而降低了半導體元件的採購量,等汽車市場回暖時,汽車廠商發現半導體晶圓產能都被其他電子產品佔用了。但是,全球新能源車的需求在2020年始終保持成長(成長率約40%),今年的全球銷售量可望達到500萬輛。因此,汽車廠商對新能源汽車零組件的採購並沒有減少太多,自然受到的晶片產能短缺影響要小一些。

若依現有趨勢成長且供應鏈正常,估計2022年汽車電氣化(純電動車、插電式混合動力車、FCEV、HEV、48V)對半導體的需求將增加74億美元。然而,新能源車帶動的半導體需求主要來自功率電子,而目前晶片短缺最嚴重的主要是微控制器(MCU)。

特斯拉透過重新設計基於MCU的零組件、更換MCU供應商,以及重新編寫軟體程式碼,從而能夠應對今年的晶片危機,確保了銷售量的持續成長。特斯拉創辦人暨CEO伊隆·馬斯克在今年第二季度財報會議上稱,特斯拉可以在幾周內完成新的設計,替換短缺的晶片,並更新軟體和韌體,從而快速適應市場需求。他表示,特斯拉的未來就取決於其快速應對半導體短缺的能力,因為全球範圍的半導體元件短缺不會在短期內得到緩解。特斯拉的成長受制於供應鏈中最緩慢和薄弱的環節,今年第二季度短缺最明顯的是安全氣囊和安全帶控制模組(MCU就是核心元件),顯然這類涉及安全性的關鍵零組件不能「稍後安裝」。

 

特斯拉車內有三種安全氣囊:1.前氣囊、2.座椅側氣囊、3.玻璃窗簾氣囊。

 

像功率元件和MCU這類通用型半導體元件,特斯拉都是外購。而對電動車和自動駕駛至關重要的電池、電池管理系統,以及高性能運算CPU晶片,特斯拉都自己研發或與合作夥伴合作研發,確保關鍵技術和供應鏈掌握在自己手中。特斯拉本質上是一家高科技公司,具有新創公司的靈活性和網際網路公司的技術實力,這也是特斯拉與通用汽車和豐田等傳統汽車廠商不同之處,在疫情和晶片短缺的不確定環境下就凸顯出其戰略意義了。

此外,特斯拉位於上海臨港的工廠不但供應中國市場的需求,而且接近40%的產量是出口到美國和歐洲市場。中國汽車供應鏈的半導體短缺程度相對美國要輕一些,畢竟很多零組件供應商都在中國,除美國和中國工廠外,特斯拉還在德州奧斯丁和德國柏林開工設廠,這會進一步緩解其產量瓶頸,充分滿足市場需求的成長。

全球新能源車需求最大的市場就是中國、美國和歐洲,特斯拉在接近市場的地區設廠,這種戰略規劃不僅是應對晶片短缺的權宜之計,而是把握電動汽車市場成長趨勢的長遠戰略佈局。

比亞迪:自研自供MCU和IGBT

據中國汽車工業協會(CAAM)發佈的最新統計,10月中國市場新能源車銷售量為38.3萬輛,佔汽車總銷售量的16.4%。其中比亞迪的銷售量為8.373萬輛,特斯拉為5.4391萬輛,五菱為4.2萬輛。新能源車銷量佔比逐漸增加,年底可望達到20%。

比亞迪新能源乘用車銷售超過8萬輛,同比成長262.9%。在當前汽車晶片短缺困擾全球車廠的局面下,比亞迪在中國新能源車市場一枝獨秀,成為無可爭議的新能源車霸主。新能源車銷量領先應歸功於比亞迪豐富的車型佈局,包括插電式混合動力車和純電動車等多種車型,而其他車廠或者造車新勢力公司大都只有純電動車。比亞迪秦plus DM-i和比亞迪宋DM這兩款車型在10月份銷量都突破了1萬輛,就是屬於插電式混合動力車車型。眼下中國大部分地區純電動車充電樁等基礎設施建設還不完善的情況下,比亞迪的插電式混合動力車車型在價格和充電/加油便利性方面都迎合了消費者的需求。

最讓車廠頭疼的MCU晶片對比亞迪造成了多大的困擾?在今年的AspenCore全球CEO峰會上,比亞迪半導體總經理陳剛提供了明確的答覆:基本沒有什麼困擾。為什麼比亞迪有這麼大的底氣呢?原來比亞迪在半導體領域早有佈局,汽車MCU和車規級IGBT早就開始自研、量產和自供,在大家都處於「晶片荒」時比亞迪仍然可以泰然自若。

早在2004年,比亞迪微電子正式成立,到2008年收購寧波中緯,現在改為比亞迪半導體而成為獨立營運的公司,主要專注在功率半導體、MCU、感測器和光電元件方面的研發。

 

 

比亞迪微電子從2007年進入MCU領域。最早開始研發的是工業級MCU,經過數年的累積,開始結合工業級MCU的技術能力跨越到車規級MCU領域,現已擁有工業級通用MCU晶片、工業級三合一MCU晶片、車規級觸控MCU晶片、車規級通用MCU晶片,以及電池管理MCU晶片。

2018年,比亞迪微電子推出第一代8位元車規級MCU晶片,適用於車身控制等領域,是首款中國車規級MCU晶片;2019年,推出第一代32位元車規級MCU晶片,批量裝載在比亞迪全系列車型上。現在,比亞迪半導體正在推出應用範圍更加廣泛、技術領先的車規級32位元雙核心高性能MCU晶片,基於Arm Cortex-M4F+M0雙核設計,可適用於網域控制站等車身控制領域。

迄今為止,比亞迪半導體的車規級MCU裝車量已超過1,000萬顆,搭載了超100萬輛車。若加上工業級MCU,累計出貨量已經超過20億顆。汽車電子電氣架構在電動化、智慧化發展過程中迎來重大升級,MCU的運算控制能力需適用於網域控制站。此外,其車規級8位元、32位元MCU晶片都達到了可靠性標準AEC-Q100,是依照功能安全標準ISO 26262設計。

新能源車整車電子電氣架構從分散式向集中式的轉變對MCU產生了很大影響。十年前,比亞迪F3裝有12個控制器,線束長度789公尺;十年後,電子元件設備數量顯著成長,全新一代唐EV的控制器數量增加到55個,線束長至2,650公尺。分散的電子和電氣元件導致成本高、管理低效、裝配複雜、整車設計難度大等問題。於是比亞迪對汽車電子電氣架構進行最佳化,依照不同功能維度進行整合,劃分為五大功能域:動力控制域、底盤電子域、安全電子域、資訊娛樂域和車身電子域。

依新的設計架構,原本在分散式電子電氣架構中,車身電子域分散為智慧鑰匙控制器、空調控制器、BCM、高頻資訊接收模組、胎壓監測ECU、倒車雷達ECU等諸多電氣元件;而在集中式佈局中,它們被整合為一個多合一車身控制器。從分散式到集中式,車身控制器對MCU晶片的資料傳輸效率和安全性等運算控制能力的要求越來越高。在這個轉變過程中,MCU的需求數量減少了,但功能更強大、安全性更高,甚至部分系統需要的MCU升級為超強運算力的ASIC、GPU和FPGA等。

除MCU外,比亞迪半導體的另一個產品是汽車IGBT。車規級IGBT向來是英飛凌(Infineon)等國際大廠的地盤,而比亞迪從IGBT 1.0開始做起。三年前,比亞迪從2.5代邁向4.0代,今年會推出6.0代,未來會推出7.0代,跟國際大廠的差距在逐漸縮短。在同樣的電流要求下,新一代IGBT可以把密度做得更高,晶片面積更小,損耗也更低。

 

 

技術和性能提升的同時還可以大大提升產能利用率。幾年前一片6吋晶圓只能滿足一輛車的IGBT需要,現在可以做1.5輛車,未來甚至可以做2~3輛車。在全球晶圓產能無法快速提升的情況下,透過設計和創新讓有限的晶圓支持更多的汽車需求,其價值是巨大的。

除半導體元件的自研和自供外,比亞迪在動力電池和混合動力車技術方面也較領先,比如刀片電池和DM-i超級混合動力車這兩大顛覆性技術。「不會自燃」的刀片電池解決了市場和客戶最關心的「安全痛點」;而DM-i超級混合動力車系統進一步加速了新能源車對燃油車的替代。目前,刀片電池和DM-i超級混合動力車都已經廣泛應用在比亞迪車型上。

最後,與汽車供應鏈上下游的整合能力在比亞迪應對晶片短缺方面也起了不小的作用。傳統的垂直協同模式是:主機廠跟Tier 1零組件廠商溝通,零組件廠商再跟模組廠溝通,模組廠跟晶片供應商溝通,晶片廠商再跟晶圓廠溝通。這種資訊鏈傳遞的困境也造成了現在新能源車半導體的短缺問題。現在,很多汽車廠商已經開始跟半導體供應商甚至晶圓廠進行深度融合。

「現在已經不能這樣了,未來芯生態的協同模式需要整車廠、零組件廠、模組廠、晶片設計廠和晶圓廠共同發展。比亞迪現在定期會跟各大晶圓合作夥伴進行討論,從晶圓廠能拿到新的技術和產業資訊。短期來講,可以讓所有的晶圓廠跟晶片設計公司更相信新能源車的大發展」,陳剛表示。

與產業上下游進行充分合作,加快研發進度,縮短驗證週期,但產品性能要最優、產品要可靠、要保證供應穩定安全。這些要求是簡單垂直協同模式不能做到的,因此,這種產業鏈協作一定是網狀,在各方協同的模式下才能實現。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

 

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