改良汽車的配電架構(gòu)

作者/Philippe Dupuy 恩智浦半導(dǎo)體智能繼電器和智能電網(wǎng)高級研發(fā)經(jīng)理

　　引言

　　汽車行業(yè)經(jīng)歷了一場變革，幾乎涉及汽車設(shè)計的各個方面，從引擎管理到車身控制功能，再到車輪、制動和安全等等。整個車身上下，只有一個地方的架構(gòu)仍和百年前一樣：配電架構(gòu)。這個遺留部分也將和其他領(lǐng)域一樣經(jīng)歷著轉(zhuǎn)變，加入變革的行列。

　　1 當(dāng)今正在經(jīng)歷的電氣化

　　當(dāng)今正在經(jīng)歷的車輛電氣化對所有車輛系統(tǒng)都產(chǎn)生了影響，并且為汽車配電架構(gòu)革新提供了充分理由。推動電氣化浪潮的三股主要力量包括：“互聯(lián)汽車”模型、新動力系統(tǒng)、法規(guī)及已獲得市場研究人員認可的平臺的全球化與合并。圖1顯示了汽車制造商在六個特定領(lǐng)域中的現(xiàn)狀。

　　圖1 汽車各部位更換繼電器的速度存在差異

　　照明(1)系統(tǒng)已經(jīng)開始更換繼電器，座椅(2)和車門(3)也是如此。而電子控制單元(4)中的冷卻風(fēng)扇、燃油噴射器、泵等裝置仍然在非常普遍地使用繼電器，數(shù)量為7-20個，具體由原始設(shè)備制造商(OEM)決定。此領(lǐng)域面臨的趨勢是，在2018年至2022年期間，將采用固態(tài)替代產(chǎn)品完全取代繼電器。

　　電氣化的遠大未來將依賴于配電架構(gòu)經(jīng)過改造的電力分配(5)接線盒。要將電力從蓄電池分配到每一個負載模塊或每一組負載，需要使用50到60(甚至100)根保險絲和5到10個繼電器。例如，連接至車身控制器的保險絲和電線就能控制數(shù)種不同功能。

　　如今，幾乎所有制造商都會在接線盒中使用繼電器和保險絲。而從2020年至2025年，甚至到2030年的趨勢將是更換掉汽車配電盒中的所有機械部件。這個遠景似乎非常宏大，但已發(fā)生于世界各地的家庭和建筑中。事實上，數(shù)十年以前，人們用斷路器代替保險絲之時就已經(jīng)發(fā)生過。

　　最后一部分(6)是引擎管理。隨著停止-啟動系統(tǒng)和其他輕度混合應(yīng)用中的48V系統(tǒng)功率不斷增加，48V總線上產(chǎn)生電弧，致使繼電器不足于滿足負載開關(guān)的要求。這種電弧后續(xù)還會造成其他系統(tǒng)問題。因此，48V應(yīng)用對固態(tài)解決方案具有決定性的影響。

　　2 互聯(lián)汽車面臨的挑戰(zhàn)

　　對于互聯(lián)汽車的未來趨勢，車輛的電力網(wǎng)絡(luò)必須與固定結(jié)構(gòu)的外部電源相連。除了電源以外，要將48V輕度混合汽車連接至固定結(jié)構(gòu)，車輛需要與車庫中的48V端口或外部48V電源進行通信。

　　48V功能將會帶來許多新特性，例如線傳電控技術(shù)，要求具備高品質(zhì)和高安全等級。當(dāng)下正在探討的趨勢是將集線器歸類為ISO 26262元件，適用于關(guān)鍵領(lǐng)域，例如線控轉(zhuǎn)向和線控制動。因此，配線應(yīng)被視為事關(guān)安全的重要一面，需符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。雖然多年來，汽車安全的許多方面都要求遵守ISO規(guī)范，但對集線器新增這種要求尚屬首次。

　　在車輛中配備12V和48V兩種電源所增加的復(fù)雜性將會給設(shè)計、組裝、維修及售后帶來挑戰(zhàn)，難以確保系統(tǒng)之間的兼容性和獨立性。

　　雖然與過去相比，汽車技術(shù)將變得更為先進，更為適合這些應(yīng)用，但推動配電架構(gòu)更替的真正力量卻將來自于互聯(lián)汽車的新功能，因為繼電器將不能滿足其需求。舉例來說，被許多制造商采用的啟停功能會影響到某些應(yīng)用，例如擋風(fēng)玻璃雨刮器。采用啟停動功能之后，雨刮器系統(tǒng)在切換循環(huán)數(shù)量方面的任務(wù)會大幅增大，遠遠超出普通繼電器的承受范圍。因此，繼電器無法在車輛的整個生命周期內(nèi)發(fā)揮預(yù)期的作用。在其他應(yīng)用(例如泵和HVAC系統(tǒng))中，繼電器也面臨同樣的窘境。表1匯總了各種趨勢及固態(tài)電源和半導(dǎo)體公司供應(yīng)商遇到的相應(yīng)挑戰(zhàn)。

　　表1 汽車各部位更換繼電器的速度存在差異

　　3 動力系統(tǒng)與法規(guī)

　　集線器優(yōu)化和車輛減重背后的成本節(jié)省優(yōu)勢引發(fā)了是否通過電氣化來實現(xiàn)汽車配電架構(gòu)革新的二次爭論。舉例來說，2019年，歐盟(EU)每克超限二氧化碳排放的費用將會上漲，首克超限費用達95歐元。為了避免支付高昂的罰款，OEM應(yīng)該會積極優(yōu)化和減輕集線器的重量，尤其是對于集線器平均重達30kg的中等車輛而言。

　　4 全球化

　　最后一個趨勢是全球化。借助大型平臺方案，OEM能夠盡可能縮短工程時間，降低相關(guān)成本，并縮短新車的整體上市時間。單個平臺能夠以最低的工程投入和成本，為一系列車輛提供通用性。對于半導(dǎo)體供應(yīng)商而言，包含電源分配功能的集線器必須盡可能靈活，以便與高低端車輛兼容。

　　30多年來，人們一直提議利用半導(dǎo)體技術(shù)來取代機械式繼電器;近20年來，取代保險絲的功能已經(jīng)實現(xiàn)。但是，要使變革的力度足以拒絕現(xiàn)狀，則需要大幅減少現(xiàn)有替代產(chǎn)品的排放量。如今，某些OEM仍然需要啟動必要的設(shè)計活動來完成本次變革。

　　5 系統(tǒng)分析：繼電器

　　與機械式版本相比，固態(tài)繼電器具備多種差異化特性和優(yōu)勢。表2顯示了對各項已知特征進行比較的結(jié)果。

　　表2 機械式繼電器和固態(tài)繼電器之間的比較

　　機械式繼電器更為人熟知的問題之一即是觸點反彈。如圖2所示，觸點反彈或回彈可以產(chǎn)生高達300V/μs的dV/dt值。淘汰所有機械式繼電器之后，可以減少集線器內(nèi)的電機干擾(EMI)噪音。

　　圖2 在激活機械式繼電器觸點的100 μs以內(nèi)，可能出現(xiàn)數(shù)次高壓峰值

　　推動實施機械式繼電器更換的一個誘因就是有一項安全法規(guī)要求執(zhí)行防夾診斷/保護。7要使機械式繼電器滿足這項法規(guī)要求，將需要許多額外的組件，這會大幅增加機械式設(shè)計的成本。這些昂貴的元件為提高系統(tǒng)要求增加了更多理由(例如，由于停止-啟動系統(tǒng)的任務(wù)增大和質(zhì)量相關(guān)問題，需要加大繼電器，以應(yīng)對浪涌電流)。采用48V電源之后，機械式繼電器將面臨嚴(yán)峻的兼容性挑戰(zhàn)。

　　6 系統(tǒng)分析：保險絲

　　現(xiàn)代化的高端汽車可以輕松配備100根保險絲和4個保險絲盒，方便進行維修和更換保險絲。這個空間和入口都在車廂之中，其代價非常高昂，因為它會降低乘客的舒適感。在發(fā)生短路之后，固態(tài)受保護設(shè)備(電子器件或電子保險絲)不需要進行更換，因此可以將其放置在不容易接觸的地方。這種配置能夠簡化車輛設(shè)計，還能夠提供更多車廂空間。

　　相比采用單值設(shè)計、不能編程的機械式保險絲，電子保險絲可以設(shè)置為10、15、20等值，或者所需要的任意安培值。電子保險絲的這種靈活性使它能夠完全兼容大型平臺車輛的設(shè)計。

　　機械式保險絲，尤其是當(dāng)今生產(chǎn)的機械式保險絲，它們的最小值和最大值都不準(zhǔn)確，因此需要使用大號電線，確保在所有極端條件下也能提供足夠的安全裕量。為滿足超尺寸要求、規(guī)避不安全的操作條件，以及確保保險絲能在所有操作條件下保護電線，通用的售后更換保險絲發(fā)揮了重大作用。圖3顯示了在現(xiàn)今機械式保險絲不夠準(zhǔn)確的情況下，電線尺寸必須具備更高安全裕量的原因。

　　圖3.不準(zhǔn)確是機械式保險絲本身存在的一個重大問題，也是規(guī)定過大電線尺寸的原因。

　　機械式保險絲還具有其他缺點。機械式保險絲不提供診斷和監(jiān)測安全功能，而電子保險絲能夠時常報告合乎互聯(lián)汽車趨勢的動態(tài)操作狀態(tài)。電子保險絲還能夠通過自身提供的診斷和健康監(jiān)測功能，提升集線器的安全等級。這層額外的保護已經(jīng)可見于部分汽車制造商的座椅和車門應(yīng)用中以及數(shù)量有限的車輛中。

　　表3顯示的是傳統(tǒng)保險絲和電子保險絲之間的比較結(jié)果。在總共8個方面的比較中，電子保險絲在其中7個方面都比機械式保險絲更具優(yōu)勢。圖表中沒有顯示可靠性這一項。由于人為干預(yù)，有些保險絲會熔斷，這不會對保險絲要保護的電子設(shè)備構(gòu)成威脅。不同于機械式保險絲，電子保險絲在遭遇人為事件之后可以復(fù)位，不會給車主帶來后續(xù)成本或麻煩。

　　表3 電子保險絲相比機械式保險絲的優(yōu)勢

　　然而，人們現(xiàn)在仍在大量使用繼電器和保險絲，尤其是在更大型的負載中，這是因為它們的性價比一直較高。因此，時至今日，通過電子解決方案淘汰接線盒甚至減少接線盒數(shù)量的舉措并未獲得顯著進展。

　　目前，對電子更換起主要推動作用的是汽車制造商，而不是半導(dǎo)體行業(yè)。OEM了解這種變革的價值，要求汽車實現(xiàn)電氣化。雖然芯片解決方案價格更高，但汽車制造商在計算之后得出結(jié)論，從系統(tǒng)和車輛層面來看，他們可以實現(xiàn)成本節(jié)省。

　　電氣化可利用電子斷路器/開關(guān)來降低集線器和汽車架構(gòu)的復(fù)雜性。如圖4所示，一輛典型中檔車的電池和交流發(fā)電機最多能提供200A電流，絕不會超過250A(25%保護頻帶)。但是，對集線器和保護集線器的每根保險絲實施分析的結(jié)果顯示，集線器中的電流容量水平可以達到950A。類似情況也發(fā)生在室內(nèi)布線應(yīng)用中。汽車機械工程師應(yīng)了解這種容量過剩所具備的重要意義，以及改變這種狀況所需采取的措施。

　　圖4 現(xiàn)今規(guī)格過高、成本高昂的接線容量

　　7 預(yù)期或可能的變革

　　對車輛配電架構(gòu)作何種更改，取決于用于更換機械式繼電器和保險絲的解決方案的可購性。因此，這種電氣化預(yù)計會經(jīng)歷多個步驟或階段。第一步可能發(fā)生于2018至2022期間。在這個階段，機械組件會實現(xiàn)電氣化，但其架構(gòu)保持不變。電子繼電器和電子保險絲將簡單地取代機械式繼電器和保險絲。

　　之后，在2020年至2030年期間，會開始向互聯(lián)智能接線盒和智能保險絲盒轉(zhuǎn)變，充分利用電氣化帶來的所有優(yōu)勢，包括回到該架構(gòu)以優(yōu)化集線器的尺寸，使其與電源容量相匹配，并利用完全安全的容錯架構(gòu)，準(zhǔn)備迎接自動駕駛汽車的到來。恩智浦正在分析某些新興理念，以做好迎接這種未來變革的準(zhǔn)備。

　　8 行業(yè)攜手

　　向完全電氣化的配電裝置轉(zhuǎn)變的舉措并非全無困難。以下介紹了在更替繼電器和保險絲過程中遇到的兩種問題：

　　? 機械式繼電器開啟時，無論兩種輸出是何種極性，它都會開啟。即使電池反向，繼電器仍會開啟。但是，MOSFET配有集成本體二極管，在電池反向的情況下，會直接發(fā)生短路。為了避免發(fā)生短路，固態(tài)繼電器需要阻攔反方向的電流。這種攔截需要使用背靠背MOSFET，大幅提高了解決方案的成本。成本大幅增加是不對許多繼電器進行更換的一大重要原因。

　　? 保險絲的情況也類似。由于保險絲只是一片金屬，是一種非常被動的器件，在車輛長時間停放期間，保險絲會繼續(xù)保護線纜，防止出現(xiàn)短路，且在這個過程中，它不會消耗任何電流。而電子保險絲則需要消耗一些電流才能工作。如今使用的解決方案都處于毫安范圍，但實際卻需要一款微安解決方案。否則，只需一周左右時間，電池電量就會完全用完。

　　9 發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用

　　作為汽車、網(wǎng)絡(luò)、飛行器以及其他行業(yè)的使能技術(shù)供應(yīng)商，恩智浦對于實現(xiàn)互聯(lián)和推動變革非常感興趣。但是，電氣化革命是無法依靠一家公司來完成的，它需要跨行業(yè)的合作。恩智浦已充分準(zhǔn)備發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，讓車輛布線改革成為現(xiàn)實。