改良汽車(chē)的配電架構

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

　　引言

　　汽車(chē)行業(yè)經(jīng)歷了一場(chǎng)變革，幾乎涉及汽車(chē)設計的各個(gè)方面，從引擎管理到車(chē)身控制功能，再到車(chē)輪、制動(dòng)和安全等等。整個(gè)車(chē)身上下，只有一個(gè)地方的架構仍和百年前一樣：配電架構。這個(gè)遺留部分也將和其他領(lǐng)域一樣經(jīng)歷著(zhù)轉變，加入變革的行列。

　　1 當今正在經(jīng)歷的電氣化

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

　　圖1 汽車(chē)各部位更換繼電器的速度存在差異

　　照明(1)系統已經(jīng)開(kāi)始更換繼電器，座椅(2)和車(chē)門(mén)(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，數量為7-20個(gè)，具體由原始設備制造商(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(lái)將依賴(lài)于配電架構經(jīng)過(guò)改造的電力分配(5)接線(xiàn)盒。要將電力從蓄電池分配到每一個(gè)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(gè)繼電器。例如，連接至車(chē)身控制器的保險絲和電線(xiàn)就能控制數種不同功能。

　　如今，幾乎所有制造商都會(huì )在接線(xiàn)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(chē)配電盒中的所有機械部件。這個(gè)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(shí)上，數十年以前，人們用斷路器代替保險絲之時(shí)就已經(jīng)發(fā)生過(guò)。

　　最后一部分(6)是引擎管理。隨著(zhù)停止-啟動(dòng)系統和其他輕度混合應用中的48V系統功率不斷增加，48V總線(xiàn)上產(chǎn)生電弧，致使繼電器不足于滿(mǎn)足負載開(kāi)關(guān)的要求。這種電弧后續還會(huì )造成其他系統問(wèn)題。因此，48V應用對固態(tài)解決方案具有決定性的影響。

　　2 互聯(lián)汽車(chē)面臨的挑戰

　　對于互聯(lián)汽車(chē)的未來(lái)趨勢，車(chē)輛的電力網(wǎng)絡(luò )必須與固定結構的外部電源相連。除了電源以外，要將48V輕度混合汽車(chē)連接至固定結構，車(chē)輛需要與車(chē)庫中的48V端口或外部48V電源進(jìn)行通信。

　　48V功能將會(huì )帶來(lái)許多新特性，例如線(xiàn)傳電控技術(shù)，要求具備高品質(zhì)和高安全等級。當下正在探討的趨勢是將集線(xiàn)器歸類(lèi)為ISO 26262元件，適用于關(guān)鍵領(lǐng)域，例如線(xiàn)控轉向和線(xiàn)控制動(dòng)。因此，配線(xiàn)應被視為事關(guān)安全的重要一面，需符合ISO 26262標準。雖然多年來(lái)，汽車(chē)安全的許多方面都要求遵守ISO規范，但對集線(xiàn)器新增這種要求尚屬首次。

　　在車(chē)輛中配備12V和48V兩種電源所增加的復雜性將會(huì )給設計、組裝、維修及售后帶來(lái)挑戰，難以確保系統之間的兼容性和獨立性。

　　雖然與過(guò)去相比，汽車(chē)技術(shù)將變得更為先進(jìn)，更為適合這些應用，但推動(dòng)配電架構更替的真正力量卻將來(lái)自于互聯(lián)汽車(chē)的新功能，因為繼電器將不能滿(mǎn)足其需求。舉例來(lái)說(shuō)，被許多制造商采用的啟停功能會(huì )影響到某些應用，例如擋風(fēng)玻璃雨刮器。采用啟停動(dòng)功能之后，雨刮器系統在切換循環(huán)數量方面的任務(wù)會(huì )大幅增大，遠遠超出普通繼電器的承受范圍。因此，繼電器無(wú)法在車(chē)輛的整個(gè)生命周期內發(fā)揮預期的作用。在其他應用(例如泵和HVAC系統)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)電源和半導體公司供應商遇到的相應挑戰。

　　表1 汽車(chē)各部位更換繼電器的速度存在差異

　　3 動(dòng)力系統與法規

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

　　4 全球化

　　最后一個(gè)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(shí)間，降低相關(guān)成本，并縮短新車(chē)的整體上市時(shí)間。單個(gè)平臺能夠以最低的工程投入和成本，為一系列車(chē)輛提供通用性。對于半導體供應商而言，包含電源分配功能的集線(xiàn)器必須盡可能靈活，以便與高低端車(chē)輛兼容。

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

　　5 系統分析：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(jìn)行比較的結果。

　　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(wèn)題之一即是觸點(diǎn)反彈。如圖2所示，觸點(diǎn)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(xiàn)器內的電機干擾(EMI)噪音。

　　圖2 在激活機械式繼電器觸點(diǎn)的100 μs以?xún)?，可能出現數次高壓峰值

　　推動(dòng)實(shí)施機械式繼電器更換的一個(gè)誘因就是有一項安全法規要求執行防夾診斷/保護。7要使機械式繼電器滿(mǎn)足這項法規要求，將需要許多額外的組件，這會(huì )大幅增加機械式設計的成本。這些昂貴的元件為提高系統要求增加了更多理由(例如，由于停止-啟動(dòng)系統的任務(wù)增大和質(zhì)量相關(guān)問(wèn)題，需要加大繼電器，以應對浪涌電流)。采用48V電源之后，機械式繼電器將面臨嚴峻的兼容性挑戰。

　　6 系統分析：保險絲

　　現代化的高端汽車(chē)可以輕松配備100根保險絲和4個(gè)保險絲盒，方便進(jìn)行維修和更換保險絲。這個(gè)空間和入口都在車(chē)廂之中，其代價(jià)非常高昂，因為它會(huì )降低乘客的舒適感。在發(fā)生短路之后，固態(tài)受保護設備(電子器件或電子保險絲)不需要進(jìn)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(jiǎn)化車(chē)輛設計，還能夠提供更多車(chē)廂空間。

　　相比采用單值設計、不能編程的機械式保險絲，電子保險絲可以設置為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(chē)輛的設計。

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

　　圖3.不準確是機械式保險絲本身存在的一個(gè)重大問(wèn)題，也是規定過(guò)大電線(xiàn)尺寸的原因。

　　機械式保險絲還具有其他缺點(diǎn)。機械式保險絲不提供診斷和監測安全功能，而電子保險絲能夠時(shí)常報告合乎互聯(lián)汽車(chē)趨勢的動(dòng)態(tài)操作狀態(tài)。電子保險絲還能夠通過(guò)自身提供的診斷和健康監測功能，提升集線(xiàn)器的安全等級。這層額外的保護已經(jīng)可見(jiàn)于部分汽車(chē)制造商的座椅和車(chē)門(mén)應用中以及數量有限的車(chē)輛中。

　　表3顯示的是傳統保險絲和電子保險絲之間的比較結果。在總共8個(gè)方面的比較中，電子保險絲在其中7個(gè)方面都比機械式保險絲更具優(yōu)勢。圖表中沒(méi)有顯示可靠性這一項。由于人為干預，有些保險絲會(huì )熔斷，這不會(huì )對保險絲要保護的電子設備構成威脅。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位，不會(huì )給車(chē)主帶來(lái)后續成本或麻煩。

　　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?xún)r(jià)比一直較高。因此，時(shí)至今日，通過(guò)電子解決方案淘汰接線(xiàn)盒甚至減少接線(xiàn)盒數量的舉措并未獲得顯著(zhù)進(jìn)展。

　　目前，對電子更換起主要推動(dòng)作用的是汽車(chē)制造商，而不是半導體行業(yè)。OEM了解這種變革的價(jià)值，要求汽車(chē)實(shí)現電氣化。雖然芯片解決方案價(jià)格更高，但汽車(chē)制造商在計算之后得出結論，從系統和車(chē)輛層面來(lái)看，他們可以實(shí)現成本節省。

　　電氣化可利用電子斷路器/開(kāi)關(guān)來(lái)降低集線(xiàn)器和汽車(chē)架構的復雜性。如圖4所示，一輛典型中檔車(chē)的電池和交流發(fā)電機最多能提供200A電流，絕不會(huì )超過(guò)250A(25%保護頻帶)。但是，對集線(xiàn)器和保護集線(xiàn)器的每根保險絲實(shí)施分析的結果顯示，集線(xiàn)器中的電流容量水平可以達到950A。類(lèi)似情況也發(fā)生在室內布線(xiàn)應用中。汽車(chē)機械工程師應了解這種容量過(guò)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 現今規格過(guò)高、成本高昂的接線(xiàn)容量

　　7 預期或可能的變革

　　對車(chē)輛配電架構作何種更改，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，這種電氣化預計會(huì )經(jīng)歷多個(gè)步驟或階段。第一步可能發(fā)生于2018至2022期間。在這個(gè)階段，機械組件會(huì )實(shí)現電氣化，但其架構保持不變。電子繼電器和電子保險絲將簡(jiǎn)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(huì )開(kāi)始向互聯(lián)智能接線(xiàn)盒和智能保險絲盒轉變，充分利用電氣化帶來(lái)的所有優(yōu)勢，包括回到該架構以?xún)?yōu)化集線(xiàn)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，準備迎接自動(dòng)駕駛汽車(chē)的到來(lái)。恩智浦正在分析某些新興理念，以做好迎接這種未來(lái)變革的準備。

　　8 行業(yè)攜手

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

　　? 機械式繼電器開(kāi)啟時(shí)，無(wú)論兩種輸出是何種極性，它都會(huì )開(kāi)啟。即使電池反向，繼電器仍會(huì )開(kāi)啟。但是，MOSFET配有集成本體二極管，在電池反向的情況下，會(huì )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(jìn)行更換的一大重要原因。

　　? 保險絲的情況也類(lèi)似。由于保險絲只是一片金屬，是一種非常被動(dòng)的器件，在車(chē)輛長(cháng)時(shí)間停放期間，保險絲會(huì )繼續保護線(xiàn)纜，防止出現短路，且在這個(gè)過(guò)程中，它不會(huì )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(shí)際卻需要一款微安解決方案。否則，只需一周左右時(shí)間，電池電量就會(huì )完全用完。

　　9 發(fā)揮領(lǐng)導作用

　　作為汽車(chē)、網(wǎng)絡(luò )、飛行器以及其他行業(yè)的使能技術(shù)供應商，恩智浦對于實(shí)現互聯(lián)和推動(dòng)變革非常感興趣。但是，電氣化革命是無(wú)法依靠一家公司來(lái)完成的，它需要跨行業(yè)的合作。恩智浦已充分準備發(fā)揮領(lǐng)導作用，讓車(chē)輛布線(xiàn)改革成為現實(shí)。