整车互连技术趋势及元器件投资机遇

汽车智能化水平提升，整车电子电气架构（E&E架构）升级，汽车以太网大有可为： 随着汽车智能化程度提升，整车电子电气应用增加，单车ECU数量激增，导致传统的分布式E&E架构凸显出线束设计复杂、控制逻辑混杂和汽车成本增加等诸多问题。因此，基于“域”的电子电气架构应运而生，解决分布式架构存在的线束设计复杂和控制逻辑混乱等局限性。 传统E&E架构下车载总线通信种类繁多，包括CAN、LIN、MOST、FlexRay、LVDS、A2B等，难以适应汽车智能化发展趋势。而基于功能域或区域控制器的架构下，以太网通信凭借在带宽、时延、可扩展性及安全性等方面的优势正快速渗透。 以太网的快速渗透有望带动以太网网关、Phy芯片、以太网线束及连接器等电子硬件的市场规模取得快速成长，相关标的建议关注：裕太微、电连技术、立讯精密、瑞可达、维峰电子、菱电电控等。 汽车电动化趋势带来高压连接器及充电枪的增量机会： 相较燃油车，新能源汽车上新增众多高压部件：电机、PDU（高压配电盒）、OBC（车载充电机）、DC/DC、PTC加热、直/交流充电接口等。 以上高压部件的连接都需要通过高压连接器，高压连接器市场有望随汽车电动化趋势快速成长。 新能源汽车销量攀升，充电桩需求同步增长。据EVCIPA，2022年我国存量车桩比为2.5:1,补能焦虑现状倒逼充电桩建设增速。充电枪起到充电桩与新能源汽车电气连接的作用，充电桩的建设加速必然带动与之匹配的充电枪市场需求。 高压连接器及充电枪产业链建议关注：永贵电器、瑞可达、中航光电、兴瑞科技、徕木股份、华丰科技等。 风险提示：汽车智能化及电动化发展不及预期，整车销量不及预期，产业链相关环节竞争加剧。 1.高速信息互连支撑汽车智能化发展 1.1.汽车智能化水平快速提升，汽车整车电子电气架构不断演进 汽车电子电气架构（E&E）是指整车电子电气系统的总布置方案，即将汽车中的各类传感器、控制单元、线束和电子电气分配系统整合在一起，完成运算、动力和能量的分配，进而实现整车的各项功能。 传统燃油车功能单一，智能化水平较低，通常采用分布式电子电气架构，汽车里的每个ECU只负责控制一个单一的功能单元，彼此独立，通过CAN、LIN等总线架构进行通讯连接，按照厂商预先定义好的通信协议交换信息，以实现整车的功能。 图1.汽车电子成本占比 随着汽车智能化程度提升，整车电子电气应用增加，单车ECU数量激增。继续采用传统的分布式架构将带来线束设计复杂、控制逻辑混杂和汽车成本增加等诸多问题。为了解决这些问题，基于“域”的电子电气架构应运而生：即根据汽车电子部件功能将整车划分为驾驶辅助、安全、车辆运动、娱乐消息和车身电子等5个功能域，每个功能域由一个域控制器集中控制，域控制器之间主要通过以太网、CAN等高速率总线进行通信，从而解决分布式架构存在的线束设计复杂和控制逻辑混乱等局限性。 图2.传统的分散式分布 图3.功能域分布架构 未来汽车电子电气架构仍将不断演进：目前汽车电子架构尚处于功能集成化阶段。未来汽车智能化发展对电子电气架构的要求会越来越高，汽车电子架构将不断朝着集成式的方向演进，逐步以区域控制器取代传统的功能域控制器，并最终有望实现车辆功能在云端计算。 图4.汽车电子电气架构不断演进 1.2.从传统总线到以太网连接，汽车通信协议不断升级 1.2.1.汽车传统总线通信已难以满足智能化发展需求 车载总线作为汽车领域的通信总线，是指用于车载网络中底层的车用设备或车用仪表互联的通信网络。其实现了车辆内部各个系统的集成和协调工作。传统车载总线技术种类繁多，目前主要的车载总线类型包括CAN、LIN、MOST、FlexRay、LVDS、A2B等，分别在汽车上不同的电子系统进行应用。 图5.传统汽车总线互连架构示例 表1：不同车载总线的比较 传统的车辆总线通信技术由于种类繁杂、带宽有限、灵活性不足和数据安全隐私保护不足等问题，难以适应汽车智能化发展趋势。 类型过于繁杂：过多的总线类型使得系统设计、集成和维护变得复杂而昂贵。每种总线类型需要专用的硬件和软件支持，且每种总线类型有其特定的物理层、通信协议和带宽要求，增加了系统的成本和复杂性。随着汽车智能化的发展，新的功能和传感器会不断涌现出来，而每次引入新的功能都需要考虑是否需要额外的总线类型来支持，这也导致了系统的扩展性和灵活性受到限制，难以适应未来智能化的需求。 带宽和速度的限制：随着汽车智能化的快速发展，汽车系统对数据传输的需求不断增加。传统的总线通讯技术在带宽和速度方面存在一定的限制，很难满足高速数据传输的要求。例如，对于高分辨率的视频传输、大规模的数据交换和分析等应用，传统总线技术可能无法提供足够的带宽和速度。 灵活性和扩展性不足：传统的总线通讯技术通常采用固定的拓扑结构和通信协议，缺乏灵活性和可扩展性。随着汽车智能化系统的复杂性增加，汽车需要更灵活的通信架构来支持不同类型的传感器、控制单元和外部接口的集成和扩展，而传统总线技术往往难以满足这种需求。 数据安全和隐私保护：随着汽车智能化系统越来越互联互通，数据安全和隐私保护愈发重要。 传统总线通信技术可能缺乏必要的安全机制，将面临数据泄露、篡改和未授权访问的风险。 而新一代通信技术则可以提供更强大的安全功能，包括身份验证、数据加密和访问控制等，以保护汽车数据的安全和隐私。 图6.传统总线通信类型繁多 1.2.2.汽车以太网通信优势明显，可扩展性潜力大 以太网（Ethernet）是目前应用最普遍的局域网技术，最早是由美国的Xerox公司与前DEC公司设计的一种通信方式，用于在家庭等本地环境中连接计算机和其他设备。 图7.以太网用于本地环境中计算机与其他设备的互连 以太网自被发明以来不断在带宽（传输速率）、最大传输距离、传输介质及应用场景实现突破。 以太网标准的命名方式为“X Base Y”，X代表带宽，Y若为数字则代表最大传输距离，若为字母则代表传输介质。以太网的传输速度已从上个世纪80年代的10Mbps提升到了几十Gbps，传输距离也已可达几十千米。 表2：以太网通信协议不断发展 以太网的优势主要体现在带宽、时延、可扩展性及安全性等方面。以太网要实现不同的带宽，只需选择相应的物理层芯片，而不用更改上层的协议和软件，可以根据应用实现带宽的灵活选择。时延方面，以太网遵循AVB/TSN协议，提供有保障的QoS（Quality of Service），保证传输的带宽，降低传送的时延，降低数据的丢包率以及时延抖动等。以太网具有灵活的拓扑，方便物理节点的增加，因此具有较高的可扩展性。此外，以太网的可扩展性也体现在其兼容性上，汽车与各类车外的终端（手机、RSU等）均使用以太网，便于FOTA、V2X等功能的实现。以太网利用各类安全协议、防火墙等实现增强自身安全性。 以太网凭借其优势，开始在汽车上取得广泛应用：经过十余年的发展,针对汽车的以太网标准已发展了三代。2013年第一代以太网标准100Base-T1产生，其传输速率可达100Mbps； 2016年的1000Base-T1标准将汽车以太网的传输速率标准提升至1000Mbps。2020年，为了填补CAN总线和100Base-T1标准之间的以太网标准空白，相对低速的以太网标准10Base-T1S出台，进一步拓宽了以太网通讯在汽车的应用领域。因此以太网不仅在传输带宽上限方面远超传统总线类标准，满足智能化发展的需求，亦能兼容低速标准，实现应用领域的向下兼容。 以太网亦可以实现PoDL（数据线供电），消除一部分电源线。此外，以太网是基于双绞线进行传输，相对于LVDS这类总线，线束的重量和成本都可以得到降低。 近两年车载以太网主要以独立的节点正加速应用于智能座舱与智能驾驶等对带宽需求较高的系统中，单车车载以太网节点达到9-10个。长期来看，以太网将集成动力总成、底盘、车身、多媒体、辅助驾驶等功能，形成一个域级别的汽车网络，成为整车骨干网络。 图8.以太网在汽车上的应用（蓝线部分为车载以太网） 1.3.汽车以太网连接硬件基础及相关元器件 1983年IEEE802.3委员会将以太网规范化。IEEE 802.3标准规定了以太网物理层和数据链路层协议的内容。物理层和数据链路层是OSI模型中的最基础两层（OSI模型即开放式系统互联通信参考模型，是一种使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架）。 图9.OSI模型 图10.以太网的硬件基础 以太网物理层协议主要任务是增强网络通信硬件需求，并确保数据能够被准确传输。通过控制比特传输速率来调整发送端和接收端之间的数据流传输,其在高效共享可用通信资源方面起着重要作用，它能有效避免多个用户间网络争用事故的发生。 物理层的硬件主要包括线束（包括连接器）和设备两个层面，线束由最开始的同轴线发展到双绞线再到光纤传输，传输速率不断提升。设备包括网卡（Network Interface Card）、网关（Gateway）、物理层芯片（PHY）等。 数据链路层分为上层LLC（逻辑链路控制）和下层的MAC（介质访问控制）。数据链路层定义了在单个链路上如何传输数据，其最关键的技术就是媒体访问控制（MAC），它的作用是平均分配存在竞争和高吞吐量节点之间的信道资源。其规定了数据帧能被网卡接收的条件，最常见的方式是利用利用网卡的MAC地址，发送方会在欲发送的数据帧的首部加上接收方网卡的MAC地址信息，接收方只有监听到属于自己的MAC地址信息后，才会去接收并处理该数据。 1.3.1.PHY芯片 以太网的电路接口一般由CPU、MAC控制器和物理层PHY组成。PHY连接一个数据链路层的设备（MAC）到一个物理媒介，如光纤或铜缆线。PHY芯片负责接收模拟信号，经过解调和A/D转换后通过MII接口发送至MAC控制器。 在设计上，主流方案是CPU内部集成MAC，PHY采用独立芯片；CPU内部集成MAC和PHY的方案由于难度较高并不多见；CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用独立芯片或集成芯片方案是时下更灵活、密度更高的高端芯片技术。 图11.以太网芯片拥有多种设计架构 PHY具体定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等信息，当设备从外部接收数据时，PHY会将模拟信号转换为数字信号，并经过解码得到数据，经过接口传输到MAC；当设备向外部发送数据时，MAC会通过MII/RGMII/SGMII接口传送数据，PHY收到数据后将并行数据转化为串行流数据、按照物理层的编码规则进行数据编码，再变为模拟信号把数据传输出去。 PHY包含高性能SerDes、高性能ADC/DAC、高精度PLL等AFE设计，同时也包括滤波算法和信号恢复等DSP设计。模拟电路负责模拟信号与数字信号之间的转换，数字电路负责数字信号的处理，实现降噪、干扰抵消、均衡、时钟恢复等功能。 图12.以太网物理层芯片功能 以太网物理层芯片PHY作为以太网传输的基础芯片之一，终端应用广泛分布于信息通讯、汽车电子、消费电子、监控设备及工业控制等领域。目前汽车大部分处理器已包含MAC控制，智能汽车的传感器侧和交换机节点都需要配置PHY芯片，用以（向MAC）输入从传感器端传输过来的数据，PHY作为连接处理器与通信介质的作用不断凸显。 以太网物理层芯片领域市场集中度较高。欧美和中国台湾厂商经过多年发展，凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的积累，形成了较大的领先优势。根据中汽研的数据统计，在全球以太网物理芯片市场竞争中，博通、美满电子、瑞昱、德州仪器、高通和微芯稳居前列，前五大以太网物理层芯片供应商市场份额占比高达91%。在中国大陆市场，以太网物理层芯片市场基本被海外国际巨头或中国台湾的企业所主导。 表3：2020年全球和中国大陆以太网物理层芯片市场竞争格局 1.3.2.以太网线束及连接器 以太网线束是指用于传输以太网信号的电缆组合，它通常由多个以太网电缆捆绑在一起，电缆两端压接连接器，以便于在建筑物或数据中心等场所进行布