通過(guò)靈活且智能的電力控制提升汽車(chē)的可持續性

汽車(chē)行業(yè)正在向可持續性轉變，這一轉變由軟件定義汽車(chē)（SDV）這一創(chuàng )新概念推動(dòng)。這些汽車(chē)利用軟件集成和虛擬化技術(shù)來(lái)增強功能、連接性和自主性。這種創(chuàng )新不僅提高了汽車(chē)的靈活性和用戶(hù)體驗，還對可持續性努力做出了重大貢獻。

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傳統的機械保險絲正在被電子保險絲所取代，后者提供了精確且智能的電路管理功能。它們能夠實(shí)時(shí)監控車(chē)輛的電氣系統，快速檢測并響應電氣異常，從而提高安全性和可靠性。此外，通過(guò)串行外設接口（SPI）控制的電子保險絲能夠無(wú)縫集成到車(chē)輛的軟件中，實(shí)現動(dòng)態(tài)調整和遠程診斷。這種智能電力控制能夠節省能源并減少浪費，確保車(chē)輛高效運行。

盡管基于硬件的I2t（電流平方乘以時(shí)間）保護曲線(xiàn)對導線(xiàn)保護與負載曲線(xiàn)的優(yōu)化能力有限，但基于SPI的產(chǎn)品提供了一種革命性的方法。這種完全可編程的解決方案擁有尖端功能，僅需設置兩個(gè)參數——額定電流和時(shí)間，即可輕松配置。這種開(kāi)創(chuàng )性的設計提供了無(wú)與倫比的適應性和性能，不僅使解決方案更加高效，還特別能夠滿(mǎn)足現代車(chē)輛多樣化且動(dòng)態(tài)變化的電氣保護需求。

汽車(chē)中的電源管理

該領(lǐng)域的一個(gè)顯著(zhù)進(jìn)步是開(kāi)發(fā)了STi2Fuse智能電子保險絲，這種保險絲通過(guò)嵌入式SPI完全可編程，從而實(shí)現數字控制和診斷。

這種創(chuàng )新功能為傳統汽車(chē)和下一代創(chuàng )新SDV中的電源分配與管理帶來(lái)了顯著(zhù)優(yōu)勢：

靈活性：與需要物理修改才能改變保險絲曲線(xiàn)級別的競爭產(chǎn)品不同，STi2Fuse產(chǎn)品可以通過(guò)軟件輕松調整，無(wú)需修改板上的組件。

易用性：用戶(hù)可以通過(guò)圖形用戶(hù)界面（GUI）簡(jiǎn)單地更新保險絲設置，簡(jiǎn)化了調整過(guò)程，減少了所需的時(shí)間和精力。

精確性：專(zhuān)有的I2t功能確保保險絲曲線(xiàn)級別可以高精度微調，提供最佳保護和線(xiàn)束優(yōu)化。

智能STi2Fuse開(kāi)關(guān)是汽車(chē)區域架構中的關(guān)鍵組件，每個(gè)區域通過(guò)電源軌開(kāi)關(guān)（PRS）安全地接收適當的電源，而不是依賴(lài)于集中式的基于域的系統，如圖1所示。

圖1. 汽車(chē)架構（基于域和基于區域）。圖片來(lái)源于Bodo的Power Systems [PDF]

每個(gè)區域都有自己的控制單元，簡(jiǎn)化了布線(xiàn)，減輕了重量，并提高了整個(gè)系統的效率，如圖2所示的電動(dòng)汽車(chē)（EV）電源分配的框圖。

圖2. 電動(dòng)汽車(chē)電源分配的框圖。圖片來(lái)源于Bodo的Power Systems [PDF]

為了在高精度、可靠、安全和彈性的條件下承受惡劣的電流水平，PRS可以使用智能STi2Fuse控制器驅動(dòng)高電流功率MOSFET以背靠背（B2B）配置實(shí)現。這種配置可以雙向管理線(xiàn)路，如圖3所示。

圖3. B2B配置中的PRS框圖。圖片來(lái)源于Bodo的Power Systems [PDF]

四個(gè)單通道STi2Fuse控制器確保安全的電源分配，防止過(guò)載和可能對電氣部件造成的損壞，從而提高了車(chē)輛電氣系統的可靠性。

本文基于對一個(gè)完整解決方案的測量，展示了對控制器的全面性能分析，該解決方案集成了硬件和軟件。用于驅動(dòng)和功率部分的評估板如以下圖所示（圖4和圖5）。

圖4. 驅動(dòng)部分的評估板。 圖片來(lái)源于Bodo的Power Systems [PDF]

圖5. 功率部分的評估板。 圖片來(lái)源于Bodo的Power Systems [PDF]

在以下條件下對單條電源軌進(jìn)行了熱分析：

VBAT = 12 V
IRAIL = 100 A
其中，VBAT為電池電壓，IRAIL為流經(jīng)單條電源軌的電流。

圖6展示了電源軌組件的熱圖，特別是功率開(kāi)關(guān)、分流電阻和連接器。

其中：

2表示分流電阻RSHUNT2
3表示功率開(kāi)關(guān)3
4表示功率開(kāi)關(guān)4

圖6. 單條電源軌功率級的熱分析。 圖片來(lái)源于Bodo的Power Systems [PDF]

每個(gè)功率開(kāi)關(guān)由四個(gè)并聯(lián)的功率MOSFET組成，用于管理電流。因此，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)的溫度均達到約85°C。這一結果突顯了評估板在確保電流通過(guò)兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)均勻分配方面的有效性。

智能STi2Fuse開(kāi)關(guān)的I2t功能已通過(guò)以下測試電路進(jìn)行了測試，以確定其對電路組件和布線(xiàn)的保護水平（圖7）。

圖7. 保護功能的測試電路。 圖片來(lái)源于Bodo的Power Systems [PDF]

如果L1和L2電源軌線(xiàn)路同時(shí)發(fā)生短路，智能保險絲設備將介入以保護負載。這些設備的響應時(shí)間會(huì )隨著(zhù)過(guò)電流水平的增加而縮短。這種響應時(shí)間由智能保險絲內配置的I2t曲線(xiàn)決定。實(shí)驗數據如表1所示。

表1. 智能保險絲響應時(shí)間的實(shí)驗數據。

圖8展示了在L2電源軌線(xiàn)路中負載過(guò)電流為30 A時(shí)，智能保險絲的行為電壓和電流波形。

圖8. 電源軌短路條件下的測量波形。 圖片來(lái)源于Bodo的Power Systems [PDF]

在檢測到短路條件后，智能保險絲4會(huì )觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，導致其柵極電壓（VG4）降至低電平。隨后，智能保險絲3的漏源電壓（VDS3）增加，使其柵極電壓（VG3）也降至低電平。這一動(dòng)作切斷了L2電源軌，導致L2電源軌中的電流降至零。L1電源軌線(xiàn)路也觀(guān)察到類(lèi)似的行為。因此，負載電流降至零，從而有效地保護了負載。整個(gè)事件序列僅在幾毫秒內完成。

其他故障事件可能直接涉及電路負載。在這種情況下，如果兩條電源軌檢測到的電流超過(guò)軟件定義的短路閾值，兩條線(xiàn)路將被切斷，通過(guò)兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)的背靠背體二極管阻斷電流流動(dòng)。

如果僅有一條電源軌發(fā)生短路，為了滿(mǎn)足連接負載的安全要求，同時(shí)避免仍在運行的DC-DC轉換器繼續為短路供電，電源軌開(kāi)關(guān)（PRS）會(huì )檢測到涉及電源軌的過(guò)電流，將其斷開(kāi)，并為關(guān)鍵安全負載提供永久偏置條件。

結論

全面的性能分析已證實(shí)STi2Fuse開(kāi)關(guān)在實(shí)際場(chǎng)景中的有效性。這些智能電子保險絲以其無(wú)與倫比的靈活性、精確性和快速響應能力，徹底革新了汽車(chē)應用中的電源管理。STi2Fuse開(kāi)關(guān)對于提高現代車(chē)輛的安全性、可靠性和效率至關(guān)重要。它們在汽車(chē)區域架構中的集成凸顯了其在推進(jìn)車(chē)輛電氣系統中的關(guān)鍵重要性。