【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車普遍存在的“冬季續(xù)航縮水”與“夏季空調(diào)耗電”痛點(diǎn)，讓熱管理系統(tǒng)（TMS）從幕后走向臺(tái)前，成為僅次于三電系統(tǒng)的關(guān)鍵成本構(gòu)成。隨著技術(shù)從早期的獨(dú)立回路向高度集成的熱泵系統(tǒng)演進(jìn)，TMS正經(jīng)歷著從分布式向集中式架構(gòu)的深刻變革。這一變革不僅重塑了供應(yīng)鏈格局，更對(duì)底層控制芯片提出了“MCU+驅(qū)動(dòng)一體化”及高集成度的全新要求。本文將深入解讀熱管理系統(tǒng)的技術(shù)迭代路徑，剖析集成化趨勢下芯片廠商面臨的挑戰(zhàn)，并以納芯微為例，探討國產(chǎn)芯片如何通過“一站式”解決方案助力車企突圍。
更值得關(guān)注是，當(dāng)前熱管理系統(tǒng)芯片國產(chǎn)化率都比較低，市場份額約在5%~10%之間，仍有廣闊成長空間。那么，當(dāng)前汽車熱管理領(lǐng)域正經(jīng)歷哪些重要技術(shù)變革？國內(nèi)芯片廠商又該如何幫助車企應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)？圍繞這些問題，納芯微電子技術(shù)專家方舟向EEWorld深入解讀了行業(yè)趨勢與納芯微的戰(zhàn)略布局。
熱管理系統(tǒng)走向集成化
集成化是近幾年汽車行業(yè)的關(guān)鍵詞，比如汽車電子電氣架構(gòu)（EEA）向區(qū)域架構(gòu)（Zonal）轉(zhuǎn)型，熱管理系統(tǒng)也不例外。
回顧過往，第一階段的熱管理系統(tǒng)各個(gè)回路基本獨(dú)立，隨著電機(jī)功率和充電功率的提升，開始在風(fēng)扇強(qiáng)制散熱的基礎(chǔ)上引入液冷和PTC制熱技術(shù)；第二階段實(shí)現(xiàn)電機(jī)電控和電池?zé)峁芾砘芈返拇⒙?lián)，從而充分利用電機(jī)電控的余熱對(duì)電池系統(tǒng)加熱，而對(duì)駕駛艙和電池的加熱仍需通過PTC實(shí)現(xiàn)；第三代引入余熱回收一體化熱泵技術(shù)，冷媒側(cè)和水媒側(cè)實(shí)現(xiàn)集成化，并采用集成歧管模塊和集成閥門模塊，整體結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，集成度和效率顯著提升，還減少了對(duì)PTC元件的依賴。
當(dāng)前，電動(dòng)汽車熱管理已進(jìn)入“系統(tǒng)化競爭”階段，全集成式熱管理方案正被廣泛應(yīng)用于新能源汽車中。這些方案中，閥體、控制器與驅(qū)動(dòng)電路被整合于緊湊空間內(nèi)，控制器貼近閥體布局，所有執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)集成于單塊PCB。這不僅便于在軟件定義汽車（SDV）架構(gòu)下進(jìn)行統(tǒng)一軟件升級(jí)，也提升了整車熱管理策略的執(zhí)行效率。
集成化對(duì)芯片帶來的挑戰(zhàn)
從分布式到集中式，必然會(huì)帶來諸多挑戰(zhàn)，方舟指出，主要體現(xiàn)在以下三方面：
一是供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)重塑。過去分布式系統(tǒng)中，主機(jī)廠、總成廠、控制器廠、執(zhí)行器廠分工明確，核心在于執(zhí)行器的算法開發(fā)部分。而在集中式趨勢下，總成廠及熱管理系統(tǒng)廠商需直接對(duì)接執(zhí)行器業(yè)務(wù)，甚至現(xiàn)在部分主機(jī)廠開始自主研發(fā)，收回原屬于執(zhí)行器廠商的設(shè)計(jì)權(quán)限。
二是開發(fā)能力要求提升。供應(yīng)鏈重構(gòu)后，就要求相關(guān)廠商重新學(xué)習(xí)執(zhí)行器算法和響應(yīng)的相應(yīng)的軟硬件開發(fā)能力，深入了解芯片功能與不同負(fù)載的驅(qū)動(dòng)方式，而這些知識(shí)以往多由專業(yè)控制器廠商掌握。
三是催生大量控制芯片需求。這對(duì)上游芯片設(shè)計(jì)在可靠性、性能與成本控制等方面提出了更高要求。此外，需針對(duì)多通閥、步進(jìn)式電子膨脹閥、水閥、水泵等不同負(fù)載，開發(fā)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片架構(gòu)。例如，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片中增加細(xì)分功能，使電機(jī)運(yùn)行更平滑；在有刷多通閥驅(qū)動(dòng)芯片中集成電流采樣，實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測、開路檢測等診斷功能。
納芯微在其中便扮演著關(guān)鍵角色。據(jù)方舟介紹，公司在銷售布局上既有對(duì)接主機(jī)廠的銷售團(tuán)隊(duì)，也有對(duì)接一級(jí)供應(yīng)商的銷售團(tuán)隊(duì)，無論從產(chǎn)品線哪個(gè)維度，都能快速對(duì)接客戶的研發(fā)人員和項(xiàng)目，及時(shí)獲取最新項(xiàng)目信息，在客戶早期研發(fā)階段就能提供產(chǎn)品評(píng)估支持。此外，納芯微的相應(yīng)速度非常快，會(huì)為客戶提供貫穿產(chǎn)品生命周期的全方位支持，包括：
免費(fèi)評(píng)估支持：提供評(píng)估板套件與配套GUI軟件，幫助客戶快速驗(yàn)證產(chǎn)品性能；
完整技術(shù)文檔：包括應(yīng)用筆記、規(guī)格書等，明確芯片配置方法與使用規(guī)范；
EMC測試支持：提供電磁兼容性測試的相關(guān)文檔、要求及實(shí)測結(jié)果，協(xié)助客戶順利通過認(rèn)證；
全程項(xiàng)目協(xié)同：在實(shí)際開發(fā)中參與原理圖評(píng)審，在板級(jí)測試、DV/PV等關(guān)鍵階段提供現(xiàn)場支持，從前期評(píng)估、原型設(shè)計(jì)到系統(tǒng)調(diào)試、量產(chǎn)落地，全程保障項(xiàng)目順利推進(jìn)。
芯片方案也在走向集成化
無論是電機(jī)還是PTC，都離不開芯片的作用，其中最重要的莫過于控制和驅(qū)動(dòng)。隨著熱管理系統(tǒng)持續(xù)向集中化方向發(fā)展，尺寸越做越小，對(duì)應(yīng)的芯片方案也必然需要更高的集成度，“MCU+驅(qū)動(dòng)一體化”的需求逐漸成為了市場的核心訴求。
方舟表示，分布式涉及較多獨(dú)立控制器節(jié)點(diǎn)，供應(yīng)鏈較長，各控制器難以實(shí)現(xiàn)軟件層面的固件歸一化，整車升級(jí)時(shí)，針對(duì)多個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)的升級(jí)速率和兼容性都不如集中式方案。因此，整車廠在推動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，更傾向于采用統(tǒng)一管理的集中式方案，以提升維護(hù)效率和系統(tǒng)的整體一致性。
這種轉(zhuǎn)變會(huì)對(duì)芯片架構(gòu)提出新的要求。分布式方案是一個(gè)MCU匹配一個(gè)電機(jī)，集中式方案的架構(gòu)則是一個(gè)MCU搭配多個(gè)負(fù)載或電機(jī)，在芯片層面進(jìn)行功能整合，并在通道匹配上具備明顯的成本優(yōu)勢。
“不過，分布式和集成式方案會(huì)長期共存，雖然有部分市場份額會(huì)向集成式切換，但分布式方案存量市場仍然很大。”方舟解釋道，一方面，集成式控制器需靠近執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而特別大的功率負(fù)載往往安裝位置較遠(yuǎn)，長距離布線會(huì)使集成方案成本升高，因此這類負(fù)載更適合采用分布式控制；另一方面，部分客戶傾向于在執(zhí)行機(jī)構(gòu)底層實(shí)現(xiàn)算法或能力歸一化，再通過上層進(jìn)行整車任務(wù)管理系統(tǒng)的調(diào)配，分布式架構(gòu)因其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、無需針對(duì)通道數(shù)量做定制，在控制邏輯和方案實(shí)現(xiàn)上更為簡潔。
聚焦集中式方案
“無論是分布式還是集中式，國產(chǎn)芯片都有機(jī)會(huì)，所以我們都會(huì)布局，但相對(duì)更加聚焦于集中式方案。分布式方案以納芯微NSUC系列產(chǎn)品為代表，集成式方案則以NSD系列為代表。”方舟介紹道。
從市場演進(jìn)來看，集中式方案目前處于逐步起量階段，市場份額不斷上升。2020年以前熱管理基本以分布式為主，普遍采用納芯微NSUC系列芯片；但在2021~2022年，集中式熱管理進(jìn)入早期階段，相關(guān)產(chǎn)品多采用國際品牌的芯片；2022~2023年，受特斯拉集中式熱管理方案影響，部分客戶開始轉(zhuǎn)向集成式方案；自2024年起，以納芯微為代表的國產(chǎn)芯片開始進(jìn)入該集中式熱管理市場并迅速獲得客戶認(rèn)可。
首先，在風(fēng)門控制部分，納芯微主推NSD83xx-Q1系列產(chǎn)品。該系列包含6/8/10/12通道產(chǎn)品，能夠幫助客戶控制更多種類的負(fù)載，內(nèi)部集成PWM生成器，支持SPI通信控制，同時(shí)集成故障檢測功能，主要用于控制風(fēng)道流向，比如控制風(fēng)從主駕出風(fēng)口或后排出風(fēng)口流出。
其次，電子膨脹閥控制方面，納芯微主推NSD8381-Q1、NSD8389-Q1兩代步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。其中，NSD8389-Q1實(shí)現(xiàn)了最高256細(xì)分模式和8種decay模式，更高的細(xì)分模式意味著客戶使用該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的電機(jī)控制，電機(jī)運(yùn)行噪音更小、轉(zhuǎn)動(dòng)更絲滑無抖動(dòng)。此外，產(chǎn)品針對(duì)電子膨脹閥提供無感堵轉(zhuǎn)檢測、負(fù)載開路檢測和每通道的過流檢測等功能。值得一提的是，電子膨脹閥要求對(duì)冷卻劑流量實(shí)現(xiàn)高精度控制，因此必須采用雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，目前納芯微是國內(nèi)少數(shù)具備該類專用車規(guī)驅(qū)動(dòng)量產(chǎn)能力的企業(yè)之一。
最后，在分布式方案中，納芯微主推NSUC1610，主要應(yīng)用于執(zhí)行器與電機(jī)集成的模塊中，該產(chǎn)品支持FOC、單電阻采樣等關(guān)鍵技術(shù)。
目前納芯微也在布局MCU業(yè)務(wù)，雖然起步較晚，但同樣是納芯微技術(shù)體系的重要組成部分，并與模擬產(chǎn)品線形成互補(bǔ)關(guān)系。對(duì)此，方舟強(qiáng)調(diào)，納芯微保持開放合作模式，產(chǎn)品通過標(biāo)準(zhǔn)SPI接口即可配置控制，不限定客戶MCU選型；在系統(tǒng)方案中，聚焦模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，與合作伙伴協(xié)同完成方案落地；同時(shí)公司內(nèi)部設(shè)有系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)MCU與模擬芯片的整體聯(lián)調(diào)與優(yōu)化，確保芯片與系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)同。
在廣闊的市場中闖
在熱管理領(lǐng)域，納芯微的核心戰(zhàn)略可歸結(jié)為兩個(gè)關(guān)鍵詞：“集中式”與“一站式”。
針對(duì)“集中式”，方舟指出，全行業(yè)正共同推動(dòng)電子電氣架構(gòu)（EEA）從分布式向集中式演進(jìn)。短期來看，集中式熱管理方案在客戶端仍處于推廣初期，許多客戶正處于第一代產(chǎn)品落地及第二代產(chǎn)品開發(fā)階段，未來納芯微仍將持續(xù)推進(jìn)這一進(jìn)程。
針對(duì)”一站式“，方舟指出，在集中式熱管理系統(tǒng)中，單個(gè)控制器需要驅(qū)動(dòng)水泵、電子膨脹閥、多通閥、截止閥、香氛系統(tǒng)閥門、風(fēng)門等五六種負(fù)載，這些負(fù)載在驅(qū)動(dòng)方式、電流需求與參數(shù)特性上各不相同，納芯微可為各類負(fù)載提供匹配的芯片方案，實(shí)現(xiàn)客戶需求的全面覆蓋，使其無需分散采購。客戶只需提供負(fù)載列表，就能根據(jù)負(fù)載的電流、電機(jī)類型、調(diào)速需求、診斷要求等，匹配對(duì)應(yīng)的芯片，客戶的選型和決策過程相對(duì)簡單高效。另外，一站式還意味著如果客戶全部從納芯微這里采購產(chǎn)品，后續(xù)任何問題納芯微都會(huì)負(fù)責(zé)解決，不會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)芯片出現(xiàn)適配問題產(chǎn)生責(zé)任不清晰情況。
從產(chǎn)品策略來看，納芯微在電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈路上始終聚焦于模擬核心能力的強(qiáng)化，包括電流精度、熱性能一致性、保護(hù)與診斷機(jī)制及整體可靠性表現(xiàn)。這些能力關(guān)系到系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，是納芯微持續(xù)投入的重點(diǎn)方向。對(duì)于熱管理產(chǎn)品的研發(fā)，納芯微通常先推出功能全面的平臺(tái)型芯片，再針對(duì)具體場景進(jìn)行優(yōu)化。
納芯微對(duì)熱管理市場有很強(qiáng)的信心。據(jù)方舟預(yù)估，一套典型集中式熱管理系統(tǒng)包含2個(gè)水泵、3個(gè)電子膨脹閥、3~4路風(fēng)門、1~2個(gè)多通閥，其中芯片價(jià)值約20~25元。按國內(nèi)年銷乘用車約2200萬輛、自主品牌占比60%~70%、集中式熱管理在新能源車中滲透率約20%估算，當(dāng)前覆蓋車輛約300萬~400萬輛，對(duì)應(yīng)芯片市場規(guī)模約8000~9000萬元。
“隨著集中式熱管理滲透率的不斷提升，以及國產(chǎn)化率的逐步提高，未來市場規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大，發(fā)展前景非常廣闊。”方舟如是說。
這一趨勢為國產(chǎn)芯片廠商打開了巨大的市場窗口，但也對(duì)產(chǎn)品的集成度、可靠性及算法支持能力提出了嚴(yán)苛考驗(yàn)。納芯微通過布局“MCU+驅(qū)動(dòng)”的一站式策略，精準(zhǔn)覆蓋了從電子膨脹閥到多通閥的多樣化負(fù)載需求，有效解決了客戶選型難、適配難的問題。隨著集中式熱管理滲透率的提升及國產(chǎn)化替代的加速，具備全鏈路解決方案能力的芯片企業(yè)，將在這一千億級(jí)賽道中占據(jù)核心生態(tài)位。
