汽車電子控制系統(tǒng)普遍遵循感知→控制→執(zhí)行的工作流程。傳感器作為感知單元獲取系統(tǒng)的工作狀態(tài),控制單元處理傳感器信號并計算輸出控制指令,最終由執(zhí)行單元完成相應(yīng)動作。
以電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)為例, 車輛運行過程中, 方向盤扭矩轉(zhuǎn)角傳感器監(jiān)測方向盤轉(zhuǎn)角及扭矩信息,輪速傳感器監(jiān)測車輪轉(zhuǎn)速, 控制器(ECU)通過 CAN 總線實時獲取傳感器信號, 并根據(jù)特定邏輯實時處理信號,計算得到一個理想的助力力矩, 最后通過 MOSFET 控制電機,實現(xiàn)助力效果。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)工作原理
汽車動力、底盤、車身、電氣四大系統(tǒng)中,絕大部分的電子控制具備類似的工作原理,從感知、控制到執(zhí)行環(huán)節(jié),半導(dǎo)體器件無處不在,包括感知系統(tǒng)的傳感器,控制環(huán)節(jié)的微控制器(MCU)、通信芯片(CAN/LIN 等)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D),執(zhí)行環(huán)節(jié)的功率器件(MOSFET、 IGBT、 DCDC)等。其中傳感器更是汽車的機會所在。
汽車傳感器可分為車輛感知、 環(huán)境感知兩大類。動力、底盤、車身及電子電氣系統(tǒng)中的傳感器屬于車輛感知范疇, ADAS 以及無人駕駛系統(tǒng)中引入的車載攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等屬于環(huán)境感知范疇。本文重點介紹車輛感知傳感器,環(huán)境感知傳感器將在后續(xù)專題中介紹。
按照工作原理,傳感器主要可分為 MEMS、磁、化學(xué)、溫度四大類,我們統(tǒng)計傳統(tǒng)汽油車上 MEMS 傳感器超 50 個, 磁傳感器超過 30 個,合計占比約 90%。
汽車主要傳感器分類(按工作原理)
每一類傳感器的競爭格局普遍集中度較高,主流企業(yè)一般在 5 家左右,比如 MEMS壓力傳感器供應(yīng)商主要為 Bosch、 Sensata、 Infineon、 NXP、 Denso,磁傳感器供應(yīng)商主要是 NXP、 Infineon、 Allegro、 TDK-Micronas、 Melexis,氣體傳感器供應(yīng)商主要是Bosch、 NTK。
傳感器企業(yè)中,既有 Bosch、 Infineon、 NXP 這些巨頭, 產(chǎn)品線齊全,產(chǎn)業(yè)鏈完整,從芯片設(shè)計、生產(chǎn),到傳感器產(chǎn)品的研發(fā)、配套,均具備很強的能力;也有 Allegro、Melexis、 ST、 NTK、Audiowell 等專注在部分領(lǐng)域或產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié),規(guī)模相對適中,同樣具備很強的市場競爭力。
據(jù)我們統(tǒng)計,目前一臺中高配汽油車擁有超過 90 個傳感器,單車價值量超過 2000元。其中動力傳動系統(tǒng) 45-60 個左右,單車價值 1000-1700 元;底盤安全系統(tǒng) 30-40 個,單車價值 500-1000 元;車身系統(tǒng)超過 20 個,單車價值至少 200-600 元。
傳統(tǒng)汽油車(中高配) 主要傳感器種類及個數(shù)匯總
動力系統(tǒng):需要進排氣壓力類、冷卻液/燃油/機油溫度類、空氣流量、曲軸/凸輪軸位臵及轉(zhuǎn)速、爆震、氧傳感器等多類型傳感器同時監(jiān)測發(fā)動機運行狀態(tài),我們估計所需傳感器數(shù)量為 30-40 個。從價值量來看, 轉(zhuǎn)速及位臵類磁傳感器大多在 10-30 元范圍,低中壓 MEMS 15-30 元,熱敏元件普遍 5-10 元,氣體類、高溫、高壓類技術(shù)壁壘較高,比如尾氣壓差 GPF、排氣溫度傳感器大約 50-60 元, 氧傳感器大約 100-150 元。
傳動系統(tǒng):涉及到離合器和變速器等復(fù)雜機械工況,需要離合器/變速器齒輪、變速器檔位等位臵傳感器、輸入/輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器以及液壓油/冷卻液溫度傳感器等多種類型的傳感器,我們估計大約 15-20 個。
底盤及車身安全系統(tǒng):傳感器遍布制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身穩(wěn)定系統(tǒng)及安全氣囊系統(tǒng)中,我們估計共有 30-40 個。比如,加速度/角速度傳感器廣泛應(yīng)用于安全氣囊系統(tǒng)、ESP 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、慣導(dǎo)模塊系統(tǒng)中。
車身舒適性系統(tǒng):包括雨量傳感器、日照傳感器、雨刷電機/車窗升降電機轉(zhuǎn)子位臵傳感器、空調(diào)系統(tǒng)傳感器等,我們估計會超過 20 個,普遍單價較低。
磁傳感器:新場景、新技術(shù)
目前磁傳感器有四代技術(shù), 分別為霍爾效應(yīng)、 AMR(Anisotropic magnetoresistance effect)、 GMR(Giant magnetoresistance effect)、 TMR(Tunnel magnetoresistance effect),主要用于測量運動量,具體產(chǎn)品形式為速度傳感器、 線性及角度位臵傳感器、電流傳感器等。
縱觀整條產(chǎn)業(yè)鏈, 磁傳感器芯片競爭格局十分集中,全球 5 家芯片供應(yīng)商 Allegro、TDK、 Melexis、 Infineon、 NXP 幾乎壟斷市場;相比較而言, 全球汽車磁傳感器供應(yīng)商相對分散, Bosch、 Delphi、 Conti、 Denso 等眾多 Tier1 均有相應(yīng)產(chǎn)品系列,與具體應(yīng)用的汽車電子系統(tǒng)為 OEM 統(tǒng)一配套。
對于磁傳感器來說, 我們估計芯片的成本占比超過 60%(磁性元件通常與 ASIC 封裝在一起),傳感器供應(yīng)商在產(chǎn)品端二次開發(fā)的空間被壓縮,導(dǎo)致產(chǎn)品趨于同質(zhì)化,因此與整車廠的配套關(guān)系尤為關(guān)鍵,其中產(chǎn)品品質(zhì)、價格、服務(wù)是制勝要素。
我們認(rèn)為芯片主導(dǎo)了磁傳感器的發(fā)展趨勢,集成度越來越高:1)磁性元件與 ASIC集成:從多芯片到單芯片的集成封裝;2)雙傳感器集成:EPS 等功能安全等級高的系統(tǒng),對傳感器冗余要求高,通常配備兩個轉(zhuǎn)矩、踏板位臵傳感器,雙傳感器集成封裝有助于縮小尺寸、降低成本。
(一)霍爾傳感器:技術(shù)、市場成熟,關(guān)注 3D 霍爾和電流
目前汽車上應(yīng)用的磁傳感器大多基于霍爾效應(yīng)的原理,簡稱為霍爾傳感器。主要用來測量運動量,如位臵、角度、速度、電流等, 分為霍爾開關(guān)、位臵霍爾(線性/角度/3D)、轉(zhuǎn)速霍爾、電流霍爾及導(dǎo)航系統(tǒng)磁力計等類型。
霍爾傳感器的技術(shù)以及產(chǎn)品應(yīng)用已十分成熟, 平均每輛汽油車 35-50 個,單車價值量 500-1200 元。
我們認(rèn)為需求增長主要來自 3 個方面:
1、汽車電子配臵不斷提升,比如電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)、電子踏板、電動座椅等;
2、 3D 霍爾的應(yīng)用,主要產(chǎn)品為旋鈕式換擋器、 電子節(jié)氣門閥位臵傳感器、 EGR 閥位臵傳感器等, 從高檔車向經(jīng)濟型車不斷滲透。
3、新能源汽車中的電流傳感器,隨全球市場,同步放量。
全球主流的汽車霍爾傳感器供應(yīng)商主要有 Bosch、 Denso、 Continental、 Valeo 等眾多 Tier1,普遍從 Melexis、 Infineon、 TDK-Micronas 等芯片廠商處采購磁傳感器芯片,根據(jù)自身電控系統(tǒng)要求來設(shè)計傳感器產(chǎn)品,最終大多以系統(tǒng)的形式供應(yīng)給 OEM。而Sensata 則是一個特例,不以系統(tǒng)的形式配套,而是僅將單個傳感器產(chǎn)品出售給 OEM。
霍爾傳感器的測量原理?;魻栃?yīng)是指當(dāng)電流通過磁場中的霍爾元件時,磁場會對霍爾元件中的電子產(chǎn)生垂直于電子運動方向的作用力,使得在垂直導(dǎo)體與磁感線方向正負(fù)電荷聚集,形成霍爾電壓?;魻杺鞲衅鞯臏y量原理是運動切割磁感線引起磁場以及感應(yīng)電流的變化,最終導(dǎo)致霍爾電壓的變化,依據(jù)該變化來探測目標(biāo)的運動狀態(tài)變化。
(二)xMR 磁阻:性能出眾,開始嶄露頭角
AMR、 GMR、 TMR 均基于磁阻原理,作為下一代磁傳感器技術(shù),憑借性能優(yōu)勢,滲透率正日益提升,主要磁傳感器芯片廠商均有所布局。
目前 AMR/GMR 技術(shù)已經(jīng)在輪速、方向盤轉(zhuǎn)角/扭矩、電子節(jié)氣門位臵、曲軸和凸輪軸轉(zhuǎn)速等傳感器領(lǐng)域得到規(guī)?;瘧?yīng)用, 我們估計 TMR 有望于未來 2 年在電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)中開始切入。
傳感器廠商中, Conti 及 Denso 大力推廣 xMR 技術(shù), Conti 采購 NXP 芯片,將 AMR技術(shù)引入大部分產(chǎn)品線,而 Denso 依靠其在霍爾傳感器領(lǐng)域豐富的產(chǎn)品經(jīng)驗,自制 AMR芯片以開發(fā)新一代傳感器。目前來看, AMR 傳感器配套的 OEM 以美系、日系為主。
從芯片廠商的技術(shù)路線來看, xMR 領(lǐng)域布局各有側(cè)重。NXP 在 AMR 領(lǐng)域優(yōu)勢顯著,2015 年其 AMR 芯片市占率 70%, Allegro 及 Infineon 有小批量的 GMR 芯片出貨,而TDK 依靠傳統(tǒng)磁頭業(yè)務(wù) TMR 技術(shù)積淀深厚。
TMR 傳感器的性能提升十分顯著,利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng),與霍爾元件、 AMR、 GMR 相比, 優(yōu)勢突出:
第一, 溫度性能好,前端模塊電鍍了納米厚度的氧化層, 而不是半導(dǎo)體;
第二, 電流功耗小,從霍爾的 5-20mA 減少到 μA 級別;
第三, 敏感性很強,規(guī)模上量后成本更低, 霍爾元件需要用釹鐵硼等強力磁鐵。
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