你知道什么是BMS嗎?新能源車(chē)專(zhuān)屬電池管家深度解密
來(lái)源:寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-02 10:06
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電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem,即BMS)是針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)鋰電池的管理系統(tǒng)。
新能源汽車(chē)與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的主要差異在于是以動(dòng)力電池作為主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)來(lái)源,然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握,電池芯出廠時(shí)電量即存在些微差異,且隨著操作環(huán)境、老化、過(guò)充、過(guò)放等因素,電池間不一致性愈趨明顯,電池效率、壽命變差,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問(wèn)題。
隨著人們對(duì)新能源車(chē)?yán)m(xù)航能力以及電池安全性的追求持續(xù)增長(zhǎng),電池管理系統(tǒng)BMS日益受到重視。BMS一般由硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件構(gòu)成,其中硬件電路一般由主控單元(BCU)和從控單元(BMU)組成。
BMU負(fù)責(zé)采集電池的電流、電壓、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)并傳輸給BCU進(jìn)行控制,BCU負(fù)責(zé)控制動(dòng)力電池系統(tǒng)以及與其他控制單元進(jìn)行信息交互。
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BMS作為銜接電動(dòng)汽車(chē)電池組、整車(chē)系統(tǒng)和電機(jī)的重要紐帶,負(fù)責(zé)對(duì)汽車(chē)電動(dòng)系統(tǒng)的全面管理,主要包括三大核心功能,分別為數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)估算、單體電池間的均衡。
數(shù)據(jù)采集,即對(duì)動(dòng)力電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包的總電壓進(jìn)行監(jiān)控,并建立數(shù)據(jù)檔案。
數(shù)據(jù)采集為SOC估算模型提供基礎(chǔ),為進(jìn)一步優(yōu)化和開(kāi)發(fā)新型電、充電器、電動(dòng)機(jī)等提供資料,為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。
電池狀態(tài)估算包括對(duì)電池組荷電狀態(tài)(SOC)估算、功率狀態(tài)(SOP)、健康狀態(tài)(SOH)等。
其中SOC參數(shù)是估算電池狀態(tài)的基礎(chǔ),公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力源于估測(cè)SOC的精度與魯棒性,精度越高,對(duì)于相同容量的電池,可以有更高的續(xù)航里程,高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的電池成本。
均衡技術(shù)目的在于消除單體電池間的不一致性,該技術(shù)對(duì)于維護(hù)新能源車(chē)動(dòng)力電池健康是至關(guān)重要的。
單體電池有一定的溫度耐受范圍,在實(shí)際應(yīng)用中如果體積過(guò)大,會(huì)產(chǎn)生局部的過(guò)熱,從而影響電池的安全性能。
因此,動(dòng)力電池組內(nèi)包含一系列串聯(lián)的單體電池。BMS可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池工作參數(shù),有效的檢測(cè)、控制單體電池之間的不一致性,對(duì)汽車(chē)的安全性與整車(chē)性加以提升。
此外,BMS通過(guò)控制動(dòng)力電池在最佳工作區(qū)間內(nèi)工作,可以避免電池過(guò)充、過(guò)放,從而提高電池使用效率、延長(zhǎng)使用壽命、降低電池成本。
BMS掌握動(dòng)力系統(tǒng)核心數(shù)據(jù),占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值高點(diǎn)
BMS行業(yè)屬于動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的中游行業(yè)。而B(niǎo)MS產(chǎn)業(yè)鏈包括四個(gè)環(huán)節(jié):上游材料、BMS模塊、BMS成品、以及下游應(yīng)用。
BMS生產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)研發(fā)、生產(chǎn)BMS模塊,根據(jù)動(dòng)力電池廠商或整車(chē)廠商的具體要求整合所需模塊,最終組成BMS成品。
BMS作為汽車(chē)動(dòng)力電池的管理者,擁有車(chē)輛運(yùn)行時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)對(duì)于改進(jìn)提升汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、乃至整車(chē)性能都具備極高價(jià)值,因而占據(jù)了電池產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值高點(diǎn)。
多重因素利好BMS,未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展空間巨大國(guó)家新能源政策方向明確,乘行業(yè)東風(fēng)BMS增長(zhǎng)正當(dāng)其時(shí)受益于國(guó)家政策推動(dòng),新能源汽車(chē)行業(yè)近年來(lái)迎來(lái)井噴式發(fā)展。
根據(jù)我國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》,截至2020年,我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)生產(chǎn)能力將達(dá)200萬(wàn)輛、累計(jì)產(chǎn)銷(xiāo)量超過(guò)500萬(wàn)輛。
根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù),2016年我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)量約為52萬(wàn)輛,預(yù)計(jì)2016年至2020年我國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)復(fù)合年平均增長(zhǎng)率約為40%。
據(jù)中信證券研究部測(cè)算,截至2025年,我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量將超過(guò)500萬(wàn)輛,全球新能源汽車(chē)市場(chǎng)將超過(guò)1000萬(wàn)輛。
隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模的高速發(fā)展,電池安全問(wèn)題日益凸顯,直接帶動(dòng)BMS需求的快速擴(kuò)張。
據(jù)工信部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),自2009以來(lái),我國(guó)新能源汽車(chē)安全事故共31例,其中2015年以來(lái)發(fā)生17起,在這17起事故中有4起是電池系統(tǒng)的事故、有6起是相關(guān)部件的事故、有2起是充電系統(tǒng)缺陷引起的,另外還有5起是違規(guī)改裝或者不當(dāng)使用引起的。
受益于新能源汽車(chē)高增長(zhǎng)紅利,我們判斷BMS市場(chǎng)規(guī)模三年內(nèi)有望進(jìn)入爆發(fā)期,長(zhǎng)期有望形成數(shù)百億級(jí)市場(chǎng)。BMS價(jià)格與電芯的類(lèi)型、電量、電壓等因素有關(guān),在不計(jì)算電池封裝的情況下,結(jié)合目前市場(chǎng)現(xiàn)狀看,通常每輛車(chē)BMS價(jià)格在3000-20000元不等。
客車(chē)電池容量大,電壓等級(jí)高,BMS較貴;乘用車(chē)和專(zhuān)用車(chē)電壓等級(jí)較低,價(jià)格也相對(duì)便宜。
預(yù)計(jì)到2020年,中國(guó)新能源汽車(chē)年銷(xiāo)量將達(dá)到200萬(wàn)輛。對(duì)于市場(chǎng)空間測(cè)算,我們假設(shè)隨著未來(lái)新能源汽車(chē)放量下,單車(chē)BMS價(jià)格在2019年前保持穩(wěn)定,2020年小幅下降。
預(yù)計(jì)新能源乘用車(chē)BMS單套價(jià)格2,500元,新能源客車(chē)BMS單套價(jià)格6,000元,專(zhuān)用車(chē)BMS單套價(jià)格8,000元,2017年新能源汽車(chē)BMS約有54億元市場(chǎng)規(guī)模,到2020年市場(chǎng)空間有望達(dá)到247億,到2025年BMS市場(chǎng)將超過(guò)五百億規(guī)模。
若參考第三方數(shù)據(jù),據(jù)中國(guó)智研咨詢(xún)發(fā)布的《2017-2022年中國(guó)電池管理系統(tǒng)(BMS)市場(chǎng)分析及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告,預(yù)計(jì)全球BMS市場(chǎng)規(guī)模將在2020年達(dá)到635億元,2017-2022年復(fù)合增長(zhǎng)率為55%;我國(guó)BMS市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)200億元,2017-2022年復(fù)合增長(zhǎng)率為64%。
綜合我們自己的測(cè)算和三方數(shù)據(jù)來(lái)看,未來(lái)兩年內(nèi),BMS市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)區(qū)域?qū)?lái)自新能源車(chē)的爆發(fā)核心市場(chǎng)中國(guó),整體增速有望保持在CAGR60%以上。
三元鋰電池發(fā)展前景明確,BMS加速爆發(fā)可期
目前,市場(chǎng)上新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池主要分為三元鋰離子動(dòng)力電池和磷酸鐵鋰電池。
磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池,三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)三元正極材料的鋰電池。使用三元鋰離子電池的代表企業(yè)如特斯拉,而比亞迪是磷酸鐵鋰電池的主要擁護(hù)者。
三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池對(duì)比,能量密度較高,可以增加汽車(chē)的續(xù)航里程;放電電壓高,輸出功率較大;抗低溫衰減能力強(qiáng),在溫度較低的地區(qū)仍然適用。
從國(guó)際市場(chǎng)來(lái)看,除了在美國(guó)還有用磷酸鐵鋰的部分小眾車(chē)型外,現(xiàn)在日本、歐美的主流新能源汽車(chē)廠商推出的車(chē)型均采用了三元材料;我國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)中,除了比亞迪和上汽外,其他廠商已經(jīng)全面轉(zhuǎn)向三元材料。
此外,比亞迪已從2016年開(kāi)始測(cè)試三元電池;上汽在E50上已經(jīng)開(kāi)始使用三元電池,并且表示下一代車(chē)型會(huì)全部換用三元電池。
此外,根據(jù)《國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車(chē)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施方案(征求意見(jiàn)稿)》規(guī)定,動(dòng)力電池的單體比能量2015年底達(dá)到200瓦時(shí)/公斤,比2010年提高一倍;2020年達(dá)到300瓦時(shí)/公斤,磷酸鐵鋰的理論能量密度在100-150wh/kg,三元材料鋰電池更加接近于這一指標(biāo)。
因此,我們認(rèn)為三元鋰電池是一個(gè)非常明確的新能源汽車(chē)動(dòng)力電池發(fā)展方向。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2016年磷酸鐵鋰電池出貨20.33GWh,三元電池貨出貨6.29GWh,占總出貨量的比例分別為73%和22%,2015年的出貨量比例是69%和27%,然而這個(gè)比例是建立在2016年三元材料在商用車(chē)上被禁用前提下,該比例一定程度上反映了三元電池良好的市場(chǎng)景氣度。
工信部在新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用安全監(jiān)管工作的宣貫會(huì)上宣布自2017年1月1日起,新申請(qǐng)《新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄》的使用三元電池的客車(chē),需補(bǔ)交第三方檢測(cè)報(bào)告,該信息也被視為三元電池即將解封的導(dǎo)火索,市場(chǎng)認(rèn)為三元材料在未來(lái)將進(jìn)一步放量增長(zhǎng)。
高溫下三元材料易燃,存在的安全風(fēng)險(xiǎn)比較大。
特斯拉采用的鎳鈷鋁三元材料18650電池在180°C以上會(huì)出現(xiàn)自燃,而磷酸鐵鋰材料到了250°C以上才會(huì)出現(xiàn)放熱現(xiàn)象,安全性相對(duì)較高。
同時(shí),三元鋰材料的化學(xué)反應(yīng)會(huì)釋放出氧分子,在高溫作用下促進(jìn)電解液迅速燃燒,發(fā)生連鎖反應(yīng);磷酸鐵鋰發(fā)生分解時(shí)不會(huì)釋放氧分子,燃燒劇烈程度較弱。
由于客車(chē)所需電池容量較大,且三元材料較不穩(wěn)定,在2016年中國(guó)電動(dòng)車(chē)百人會(huì)上,工信部表示將組織開(kāi)展對(duì)三元鋰電池的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,在評(píng)估完成前,暫停三元鋰電池客車(chē)列入新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄。
隨著B(niǎo)MS技術(shù)成熟,電池管理系統(tǒng)可以更為有效的監(jiān)控動(dòng)力電池狀態(tài),降低三元鋰電池的風(fēng)險(xiǎn),隨著三元鋰電池的放量,市場(chǎng)對(duì)BMS的需求將加速爆發(fā),未來(lái)市場(chǎng)前景可期。
競(jìng)爭(zhēng)格局:車(chē)廠挾體量得先發(fā)優(yōu)勢(shì),第三方BMS公司擁技術(shù)長(zhǎng)期看好
國(guó)際市場(chǎng)集中度已現(xiàn),整車(chē)廠和專(zhuān)業(yè)BMS公司占優(yōu)
在消費(fèi)電子產(chǎn)品時(shí)代,單個(gè)電子產(chǎn)品使用的電池容量小、數(shù)量少,BMS通常隸屬于電池PACK廠商;2008年之前,新能源汽車(chē)剛剛興起的時(shí)候,由于BMS領(lǐng)域技術(shù)門(mén)口較高,BMS的研發(fā)生產(chǎn)仍以整車(chē)廠或者電池PACK廠商自行設(shè)計(jì)為主;
近年來(lái),由于新能源汽車(chē)電池安全事故頻發(fā),BMS的重要性不斷上升,已成為新能源汽車(chē)三大核心技術(shù)之一,被稱(chēng)作動(dòng)力電池系統(tǒng)的“大腦”。鑒于對(duì)新能源汽車(chē)有著舉足輕重的影響,BMS行業(yè)不斷吸引著更多玩家加入。
目前在全球BMS市場(chǎng),主要有三類(lèi)企業(yè)參與:第一類(lèi)是專(zhuān)業(yè)BMS廠商,第二類(lèi)是電池廠商,第三類(lèi)是整車(chē)廠商。
通過(guò)ResearchinChina統(tǒng)計(jì)的全球主要電動(dòng)車(chē)型及BMS配套情況,我們對(duì)BMS提供商進(jìn)行定性分析,發(fā)現(xiàn)國(guó)際BMS市場(chǎng)的行業(yè)集中度已經(jīng)較高,其中具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的大型車(chē)廠與第三方汽車(chē)零部件供應(yīng)商占據(jù)主要市場(chǎng)。
具體而言,在大型車(chē)廠方面,一些國(guó)際汽車(chē)巨頭選擇自主研發(fā)生產(chǎn)BMS,代表企業(yè)有特斯拉、本田、現(xiàn)代等。
車(chē)廠自主研發(fā)BMS具有兩方面先發(fā)優(yōu)勢(shì):體量?jī)?yōu)勢(shì)與技術(shù)壁壘優(yōu)勢(shì)。首先,BMS領(lǐng)域技術(shù)門(mén)檻較高,優(yōu)質(zhì)的BMS產(chǎn)品需要長(zhǎng)期的研發(fā)積累與大量的數(shù)據(jù)積淀。新能源汽車(chē)廠商擁有極大體量與雄厚的研發(fā)實(shí)力,能夠給BMS團(tuán)隊(duì)提供有力支持。
此外,車(chē)廠擁有的汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)反饋數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)BMS的進(jìn)一步完善極具意義。優(yōu)秀的BMS產(chǎn)品可以為車(chē)廠贏得技術(shù)壁壘優(yōu)勢(shì),例如特斯拉BMS系統(tǒng),可以有效實(shí)現(xiàn)超過(guò)7000節(jié)18650號(hào)電池的一致性管理,達(dá)到高安全性和可靠性目標(biāo),在電池冷卻、安全、電荷平衡等與BMS相關(guān)的領(lǐng)域,特斯拉申請(qǐng)的核心專(zhuān)利超過(guò)140項(xiàng),因此BMS技術(shù)是特斯拉的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一,并為其筑得較高技術(shù)壁壘。
在專(zhuān)業(yè)BMS廠商方面,以Denso、Preh為代表的傳統(tǒng)汽車(chē)零部件廠商憑借在整車(chē)廠供應(yīng)鏈中的重要地位,已經(jīng)搶占了先機(jī)。
前者作為豐田汽車(chē)最重要的零部件供應(yīng)商,先后為Prius、CamryHybrid等車(chē)型提供電池管理模塊;后者主要為寶馬I系純電動(dòng)車(chē)配套電池管理系統(tǒng)。電池廠商中,LGC與通用、福特、沃爾沃等多家企業(yè)建立了合作關(guān)系,為其提供動(dòng)力電池組并配套BMS。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)玩家良莠不齊,各方混戰(zhàn)局面未見(jiàn)分曉
目前我國(guó)BMS企業(yè)有上百家,然而市場(chǎng)集中度不高、競(jìng)爭(zhēng)激烈、技術(shù)優(yōu)勢(shì)不明顯,呈現(xiàn)“多而不強(qiáng)”特點(diǎn)。
此外,目前我國(guó)由于技術(shù)參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)缺失或落后于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),缺乏權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)BMS產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證,導(dǎo)致了市面上BMS產(chǎn)品良莠不齊。
大型新能源汽車(chē)廠商為確保產(chǎn)品安全,通常會(huì)選擇自主研發(fā)電池管理系統(tǒng)或采用具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的德日美為首的BMS生產(chǎn)企業(yè)。
具體而言,我國(guó)BMS市場(chǎng)供應(yīng)商情況如下:
(1) 整車(chē)廠商:整車(chē)企業(yè)對(duì)電芯的參與較少,一般通過(guò)兼并購(gòu)、戰(zhàn)略合作等方面進(jìn)入,而B(niǎo)MS則為大的企業(yè)重點(diǎn)考慮的領(lǐng)域。
國(guó)內(nèi)如長(zhǎng)安、北汽、吉利等車(chē)企均有專(zhuān)門(mén)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行BMS的研發(fā),除了核心技術(shù)的掌握外,在成本和效率方面較其他企業(yè)有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
(2) 動(dòng)力電芯廠商:目前國(guó)內(nèi)第一梯隊(duì)動(dòng)力電池企業(yè)均涉足,且大多是“BMS+PACK”模式,掌握了動(dòng)力電池電芯到電池包的整套核心技術(shù),具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。代表企業(yè)有BYD、CATL、中航鋰電、國(guó)軒等。
(3) 專(zhuān)業(yè)BMS廠商:目前國(guó)內(nèi)第三方BMS廠商仍占據(jù)主要位置。一部分由動(dòng)力電池BMS企業(yè),另一部分是傳統(tǒng)數(shù)碼電池及BMS企業(yè)轉(zhuǎn)型而來(lái)。
相對(duì)來(lái)講,作為專(zhuān)業(yè)的第三方BMS企業(yè),技術(shù)積累有天然的優(yōu)勢(shì)。目前這類(lèi)企業(yè)參與者眾多,但技術(shù)相差較大,國(guó)內(nèi)處于競(jìng)爭(zhēng)前列的企業(yè)主要有科列技術(shù)、億能電子、冠拓、力高新能源、華霆?jiǎng)恿Α⑸虾C钜娴取?/div>
對(duì)標(biāo)海外行業(yè)細(xì)化分工在即,標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)利好專(zhuān)業(yè)BMS廠商
對(duì)標(biāo)國(guó)際市場(chǎng),我們認(rèn)為BMS市場(chǎng)未來(lái)細(xì)化分工已成必然。細(xì)化分工的邏輯主要在于BMS的技術(shù)壁壘較高,核心競(jìng)爭(zhēng)力在于算法,且標(biāo)準(zhǔn)化程度較高,相同的BMS軟件可以應(yīng)用于不同車(chē)型。
新能源汽車(chē)的核心在于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),而動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心在于電池,電池管理系統(tǒng)可以有效的延長(zhǎng)電池使用壽命以及提高其安全性。
電池管理系統(tǒng)的規(guī)?;a(chǎn)可以有效降低汽車(chē)成本,有利于數(shù)據(jù)的反饋與整合,有利于整個(gè)行業(yè)生態(tài)發(fā)展。
另一方面,由于電池管理對(duì)于新能源汽車(chē)安全保障具有重大意義,而當(dāng)前國(guó)內(nèi)落后和缺失的BMS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無(wú)法滿足安全要求,出臺(tái)更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證制度迫在眉睫。
2016年,工信部發(fā)言人已經(jīng)表示:國(guó)家已經(jīng)組織制定了電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn),并且電動(dòng)客車(chē)安全條件即將發(fā)布實(shí)施。電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件、動(dòng)力電池的編碼、規(guī)格尺寸等標(biāo)準(zhǔn)正在編制、修訂,并且也要盡快出臺(tái)。
與此同時(shí),正在組織修訂新能源汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)和產(chǎn)品準(zhǔn)入規(guī)則,擬大幅度提高企業(yè)的研發(fā)能力和生產(chǎn)條件要求,提高性能和安全的要求。
隨著國(guó)家對(duì)BMS標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái),將長(zhǎng)期利好具備核心技術(shù)實(shí)力的第三方BMS廠商。我們認(rèn)為當(dāng)BMS產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定之后,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的第三方BMS廠商將無(wú)需擔(dān)憂市場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)品的質(zhì)疑,憑借專(zhuān)業(yè)化和規(guī)?;a(chǎn),競(jìng)爭(zhēng)力將愈發(fā)凸顯。
而車(chē)廠作為集成商,也可以更放心地使用通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的第三方BMS產(chǎn)品而無(wú)需自己研發(fā),轉(zhuǎn)而把重點(diǎn)放在BMS系統(tǒng)與整車(chē)系統(tǒng)的銜接以及整車(chē)性能的提升上。












