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数字钥匙解锁无感智能体验,落地更多场景

数字钥匙,顾名思义就是将汽车钥匙数字化,以智能设备为载体实现汽车钥匙功能。根据高工智能汽车,1Q22中国乘用车数字钥匙渗透率达20%,汽车钥匙虚拟化蔚然成风。我们认为数字钥匙是提升人车交互智能体验的重要技术方向,有望伴随技术升级带来更多新的机遇。我们预计,至2025年中国乘用车数字钥匙车端硬件模块市场有望分别在悲观/中性/乐观假设下达到18/27/36亿元,2021-25E CAGR分别为31%/45%/56%。

摘要

数字钥匙将智能手机作为载体,汽车钥匙由实体走向虚拟。1949年克莱斯勒推出第一款集点火、启动于一身的钥匙,拉开现代钥匙演进的大幕,此后汽车钥匙历经机械钥匙、遥控钥匙、数字钥匙时代,沿更便捷、更智能的路线迭代。数字钥匙托身智能手机,可以方便做到远程操作、多人共享、人车互动,大幅提升车主体验的同时增加了消费者和主机厂的粘性,为未来拓展更多的汽车互联网应用提供了可能。一个完整的数字钥匙系统涉及车厂、手机厂、芯片厂商、软件技术厂商等多个领域。我们认为数字钥匙生态体系的建立,需要各领域厂商共同推动。

数字钥匙装载率处于快速上升通道,UWB方案有望成长为重要组成部分。1)市场现状:根据佐思汽研、高工智能汽车数据,2020-1Q22国内乘用车市场前装标配数字钥匙上险量中,比亚迪、特斯拉合计市场份额持续超过35%,引领市场潮流;2)渗透情况:我们发现造车新势力与自主品牌对数字钥匙的接纳度更高,且越新上市的车型中数字钥匙的渗透率越高;整体来看,2021年数字钥匙渗透率达14%,1Q22已提升至20%,增长迅速(高工智能汽车数据);3)技术方案:智能手机中NFC、BLE渗透率接近标配的现状塑造了数字钥匙技术方案的当前格局。2021年BLE方案占比达64%,BLE+NFC方案占比超过30%(佐思汽研数据),占据绝对优势地位。展望未来,我们认为UWB技术有望凭借更高的定位精度与安全性,以及通过硬件复用实现的更多功能(如体征探测、自动泊车等),成长为更有竞争力的方案。4)应用场景:除开关车门,数字钥匙还可落地车辆共享、自动泊车、汽车支付等更多场景,覆盖to C或to B市场。

风险

数字钥匙装载率不及预期,UWB方案渗透率不及预期。

正文

智能终端化身虚拟钥匙,解锁智能体验

数字钥匙:托身智能设备,形态由实体走向虚拟

历经七十年的发展,汽车钥匙的形态发生三阶演变。1949年克莱斯勒推出第一款集点火、启动于一身的汽车钥匙,开启现代钥匙演进序幕。70余年的发展,汽车钥匙跨越“机械钥匙”“遥控钥匙”时代,向“数字钥匙”时代迈进,走出一部便利程度提升、功能不断丰富的进化史。

►“机械钥匙”功能单一,以提升安全性为首要。机械钥匙纯粹用于开关车门、车辆启动,其发展围绕提高安全性展开,期间芯片钥匙(雪佛兰,1986)、激光切割钥匙(雷克萨斯,1990)等安全性更高的机械钥匙不断涌现。

►“遥控钥匙”承前启后,弱化机械钥匙必要性。这一阶段强调远程操控,逐渐由一开始的“遥控器按键模式”发展至后来的“无钥匙进入模式”,便捷程度不断提升。

“无钥匙进入模式”又可称为“PEPS模式”(Passive entry and passive start,被动进入与启动),仅需携带遥控器靠近车辆,无需手动操作便可自动实现开锁、落锁、启动。PEPS本质是遥控器与车辆之间的通信。当车主拉动门把手时,车辆LF天线发射低频信号以唤醒遥控器,遥控器被唤醒之后向车辆发射RF高频信号以传递身份信息,车辆验证成功后开启车门或发动汽车。

►“数字钥匙”以智能设备为载体,钥匙形态由实体走向虚拟。智能手机早已成为人们生活不可或缺的一部分。可以这么说,人们或许会忘带实体汽车钥匙,但智能手机大概率是不会忘记的。如今,支付、刷卡等越来越多的功能集成于智能手机上,我们认为智能手机融入汽车钥匙功能是水到渠成的事情。

本质仍是“手机与车辆之间的通信”。手机通过通信信号向车端传递身份信息并验证,车端通过定位技术判断手机是否趋近、远离、进入车辆,从而执行开锁、落锁、启动操作。

为了打造无感、智能的入车体验,越来越多的车型将车身周围划分为迎宾区、解锁区等区域。以清研智行UWB钥匙解决方案为例,当车主进入迎宾区(3-10米范围内),车辆打开车灯迎接车主;进入解锁区(1-3米范围内),车门自动解锁,同时转向灯闪烁、短笛鸣响迎接车主入座。

实现机制:BLE、UWB、NFC是三种主流路线

一个完整的数字钥匙系统不仅包括实现手机端与车端通信硬件模块,还包括云端的软件管理平台,涉及多方生态。为推动数字钥匙落地普及,CCC联盟(Car Connectivity Consortium)成立于2016年,致力于建立智能手机与汽车跨行业的统一连接标准。截至2022年7月,CCC联盟成员单位接近160家,包括手机、汽车、配套技术等多个领域的核心厂商。

目前,CCC联盟数字钥匙标准已迭代至3.0版本,NFC、BLE、UWB被确立为实现“手机-汽车”通信的三项主流技术。三项技术具有各自的比较优势:NFC(Near-field communication,近场通信)优势在于功耗较低,适合手机电量耗尽时的备用场景;BLE(Bluetooth low energy,低功耗蓝牙)已在手机端广泛配置,生态环境易于搭建;UWB(Ultra-wideband,超带宽技术)具有较高的定位精度以及安全性能,能够更好地服务于数字钥匙的智能化体验。

典型的配置方案:BLE系统唤醒、UWB测距定位、NFC备份冗余。在同时配置三项技术的方案中,凭借自身的比较优势,三项技术承担着不同职能。BLE与UWB均可用于测距定位,其中BLE功耗相对更低,负责数字钥匙的发现与用户验证;UWB凭借高定位精度,负责安全测距以达到无感进入的效果。而NFC功耗最小,通常在电量较低的情况下充当备用钥匙。

BLE:主要应用RSSI技术测距定位,精度、安全性有所欠缺

BLE技术在蓝牙设备中已应用广泛。蓝牙是常用的短距无线通信技术,4.0协议中引入BLE技术,自此蓝牙技术被拆分为经典蓝牙(BT)与低功耗蓝牙(BLE)。BLE功耗仅为经典蓝牙的1%-50%,满足了智能手环、智能家居等低功耗场景需求。根据SIG联盟数据,2021年蓝牙设备出货47亿个,其中“纯BLE方案”“BLE+经典蓝牙方案”占比分别在20%、65%左右,BLE技术在蓝牙设备中广泛渗透。

RSSI技术是蓝牙定位的主要技术之一,根据接收信号的强度判断信号源的距离(Received signal strength indicator,接收信号强度指示)。在一定范围内,RSSI值与距离呈正向对应关系,因此可以根据RSSI值推算距离。当数字钥匙进入探测范围后,车端蓝牙模块检测信号源、获取RSSI值并汇集至蓝牙主模块处。蓝牙主模块通过内置的定位算法,根据各模块获取的RSSI值确定信号源位置。简单来说,数字钥匙会落在以蓝牙模块为圆心、RSSI值为半径的圆周上,多个蓝牙模块圆周的交点即可判断为数字钥匙位置。

蓝牙定位的缺点在于精度不高、易受中继攻击侵扰——

►定位精度方面,BLE精度在分米级,而UWB、NFC精度在厘米级,定位精度较差。

►安全性方面,RSSI技术主要依靠静态信号强度进行定位,容易暴露在中继攻击的风险之下(通过中继手段,欺骗车辆认为数字钥匙位于附近)。若能实现连续动态定位,则有望减弱中继攻击有效性;但由于较大的定位误差,RSSI技术的动态定位难以取得理想结果,蓝牙定位在安全性上存在较大的漏洞。

2022年5月,NCC集团研究人员利用中继工具、iPhone 13 mini与2020款Tesla Model 3,在远超蓝牙通信范围的25米距离实现了中继攻击,并宣称该攻击适用于所有采用BLE通信技术的数字钥匙方案[1]。

UWB:TDoA是较为广泛的定位方式,定位精度高

UWB技术具有大带宽、低功率频谱密度、窄脉冲等物理特征。

►大带宽:UWB工作频率为3-10.6 GHz,横跨超过500 MHz的带宽,相较蓝牙、Wi-Fi等无线通信技术,覆盖更宽的频谱范围。根据香农公式,系统最大传输速率与带宽成正比,因此UWB具有较快的数据传输速率。此外,信号的距离分辨力亦与带宽成正比,使得UWB的定位精度也大幅高于其他通信方式。

►低功率频谱密度:UWB功率频谱密度较低,接近于自然噪声;经编码伪随机化之后,对其信号的检测更加困难,因此UWB具备更高的安全性。

►窄脉冲:UWB利用纳米级窄脉冲进行数据传输,与其他多径信号相互重叠时能够轻松分离出来,可以有效抗多径干扰

ToF(Time of flight,飞行时间)是UWB技术测距的核心原理。通过记录两个内置UWB芯片的设备之间发射信号与接收信号的时间戳,得到信号在两设备之间传播所需要的时间,进而根据信号传播速度得到两设备间距离。

TDoA(Time difference of arrival,到达时间差)是市场上使用最为广泛的UWB定位方案之一。当数字钥匙进入UWB探测范围后,车端UWB模块首先与数字钥匙进行通信,得到两者之间距离。接着,两个车端UWB模块之间同步距离信息,计算距离之差,则数字钥匙落在以UWB模块为焦点的双曲线上。多个双曲线的交点,即可判断为数字钥匙的位置。

NFC:通信距离较短、安全性较高,多充当备份钥匙

NFC利用磁场进行短距离通信,包括卡模拟、读卡器、点对点通信三种工作模式。NFC脱胎于RFID(Radio frequency identification,射频识别),技术原理相似:整个系统包括读卡器、身份标签两个部分,读卡器向身份标签发射射频信号,碰到身份标签后,将携带身份标签的信息反射回读卡器。NFC芯片可模拟读卡器或身份标签,或借由射频信号进行简单的数据传输。NFC数字钥匙实际上是利用了其“卡模拟”的工作模式。

由于通信距离非常短,NFC的安全性相对较高。NFC通信距离通常小于10cm,有时甚至需要紧贴才能完成通信,因而中继攻击无法应用于NFC钥匙上,安全性相对较高。但缺点在于无法获得远距感应、无感进入的体验,故在包含BLE、UWB的数字钥匙方案中,NFC通常充当在手机电量耗尽情况下备份钥匙的角色。

车企装载率提升迅速,数字钥匙有望快速普及

市场现状:特斯拉、比亚迪引领潮流,合计占比超过35%

特斯拉、比亚迪是最早搭载数字钥匙的车企。数字钥匙首度问世于2014年,特斯拉Model S、比亚迪G5上线蓝牙数字钥匙;但彼时蓝牙数字钥匙需要手动点触,相当于数字化的按键遥控钥匙。2017年,特斯拉Model 3取消实体钥匙,仅配备NFC卡片钥匙以及手机蓝牙钥匙,此时的蓝牙钥匙无需点触即可自动感应,开启数字钥匙的“无感时代”。

根据高工智能汽车数据,1Q22国内乘用车市场中,比亚迪、特斯拉前装标配数字钥匙上险量分别达25.24万辆、10.89万辆,分别占全市场总上险量的25.8%、11.1%,在所有车企中占据领先地位;且按佐思汽研统计,这样的领先地位自2020年以来维持稳定,比亚迪、特斯拉目前在数字钥匙方面仍引领市场潮流。


渗透情况:新能源汽车、新智能车型渗透率较高

新能源汽车中数字钥匙渗透率更高。根据高工智能汽车1Q22各品牌数字钥匙装载率数据,特斯拉(100%)、理想(100%)、小鹏(86%)以及长城欧拉(100%)、比亚迪(96%)的数字钥匙装载率均处于较高水平,反映出造车新势力与新能源汽车对数字钥匙拥有较高的热情。

数字钥匙逐渐成为新上市车型的标配方案。以蔚来为例,观察其2021年前11月销售情况(佐思汽研数据),我们能明显看到越新上市的车型,数字钥匙装载率越高,且ES8(在尚未应用数字钥匙时上市)也在改款车型中将数字钥匙作为标配(11M21装配率达63%),体现出数字钥匙接纳度持续提升的未来趋势。

技术方案:蓝牙、NFC占据主流,UWB有望加速渗透

智能手机现有生态塑造了当前数字钥匙技术方案的格局,蓝牙、NFC占据主流地位。根据TechNavio数据,搭载NFC模块的手机渗透率于2019年已经达到81%;而SIG联盟宣称,2021年BLE模块已经几乎成为智能手机标配。蓝牙与NFC模块在手机中有如此之高的渗透率,使得在基于手机开发的数字钥匙解决方案中,蓝牙、NFC成为最主流的技术方案。根据佐思汽研数据,2021年应用了数字钥匙的上险车辆中,蓝牙方案占比达64%,此外超过30%的车辆选择“蓝牙+NFC”方案。

UWB在手机端、车端的渗透尚处于初期阶段。2019年苹果发布iPhone 11,推出市场上首款搭载UWB芯片的智能手机;2022年宝马BMW iX M60与iX xDrive40上市,是首个搭载UWB模块的车型;无论是手机端还是车端,UWB都是新兴的定位技术。

赋能短距雷达、自主泊车、无线充电、汽车支付,UWB有望加快车端渗透。UWB模块成本较高,如果仅将UWB模块用于开锁、落锁,则不具备经济效益。基于其高精度定位的优势,NXP、中电昆辰等业内厂商畅想将车端UWB模块复用于自动泊车、无线充电、汽车支付等更多场景。我们认为,“一套硬件、多种用途”的方案在不增加成本的情况下赋予智能汽车更多功能,提高了UWB模块的经济效益,有望加快UWB模块在车端的渗透。反过来,车端渗透也能促进智能设备中的渗透,我们预计搭载UWB的机型有望由iPhone向更多安卓机型拓展。

三项技术彼此并非互斥,我们认为BLE、UWB、NFC有望充分发挥各自在功耗、定位精度、安全性方面的优势,使“BLE+UWB+NFC”联合方案成为未来的主流。

应用场景:解锁更多落地场景,打开车厂与消费者交流的窗口

除开关车门,数字钥匙还可落地更多场景,覆盖to C或to B市场——

►车辆共享:在出借汽车、汽车租赁、车队管理等场景下,汽车钥匙可能先后有多个使用者。在机械钥匙、遥控钥匙时代,由于存在钥匙实体,借车者必须与车主见面或通过邮寄才能拿到汽车钥匙;这不仅会影响双方时间安排,还会受双方不在同一城市、时间无法统一等客观因素影响难以完成出借行为。数字钥匙取消了钥匙实体,通过手机小程序就可以完成钥匙分享,大大方便了车辆的共享。此外,车主还可以限定车辆使用时间、限定速度、限定功能,实时查询车辆轨迹,使车主在出借后也能持续掌控车辆状态。

►自动泊车:该功能涉及停车场UWB基础设施建设。在已搭建UWB基站网络的停车场中,车端UWB模块与停车场UWB基站通信,计算车辆在停车场中的位置,再结合高精度地图,实现自动泊车功能。

►汽车生活:基于“定位+通信”的底层原理,车端模块与外侧模块进行能量或数据的传输,实现车辆无线充电、免下车支付等功能。

展望未来,我们认为数字钥匙不再仅仅是钥匙,更是一个促进车厂、消费者互相交流的窗口。在传统的主机厂与消费者关系中,主机厂与消费者在汽车销售后处于失联状态,主机厂难以获得消费者的使用反馈,无法针对性地对汽车设计做出改进。数字钥匙以App的形式呈现,为主机厂与消费者之间的沟通架起了桥梁。根据银基安全的调研,未采用数字钥匙时App日活不到1%,但采用数字钥匙以后App日活提升至30-40%,消费者使用App的频次大大增加[2]。我们认为,在保证用户隐私前提下,车企可以借由数字钥匙的窗口,与消费者需求建立直接联系;提升用户体验的同时增加消费者和主机厂的粘性,也为拓展汽车互联网更多应用提供了可能。


市场空间:2025年中国数字钥匙车端硬件模块市场空间有望达18-36亿元

►我们预计至2025年,数字钥匙渗透率在悲观假设下有望达30%,乐观假设下有望达60%。根据高工智能汽车数据,2021年数字钥匙上险量达285万辆,装载率为14%,并在2022年一季度继续上升至21%,渗透率不断提升。我们认为随着数字钥匙的功能由简单的开落锁向车辆共享、自动泊车、汽车生活等更多方面拓展,市场对数字钥匙的接受度有望持续提升。

►我们预计至2025年,数字钥匙解决方案中“BLE+UWB+NFC”联合方案有望占比35%。TSR预测,2025年全球汽车UWB普及率有望达到约15%水平。参考该预测,结合我们对数字钥匙渗透率的预测(2025年中值达45%),我们估测2025年UWB方案占比有望接近35%(15%÷45%)。该假设在悲观、中性、乐观预测下一致。

►关于各钥匙方案中NFC、BLE、UWB模块配置数量,我们假设1)在以BLE或NFC为主的钥匙方案中,BLE、NFC分别搭载5个、2个;2)在“BLE+UWB+NFC”联合方案中,BLE、UWB、NFC分别搭载1个、5个、2个。该假设在各种预测假设下一致。

►关于各模块价格,我们参考各厂商在经销商网站上的销售价格。具体是:NFC模块价格参考意法半导体、德州仪器;BLE模块价格参考Nordic、NXP、泰凌微;UWB模块价格参考NXP。我们将2022年NFC、BLE、UWB模块的价格分别估测为20、35、95元,并假设每年以10%的幅度降价。

据我们测算,至2025年,中国乘用车数字钥匙方案中车端NFC、BLE、UWB硬件模块合计市场空间在悲观、中性、乐观假设下分别有望达到18、27、36亿元,2021-2025E CAGR分别达到31%、45%、56%。其中,车端UWB模块市场空间至2025年有望分别在悲观、中性、乐观假设下达到9、14、19亿元,成长为数字钥匙市场中更有潜力的技术路线。