汽车行业经历了一场变革,几乎涉及汽车设计的各个方面,从引擎管理到车身控制功能,再到车轮、制动和安全等等。整个车身上下,只有一个地方的架构仍和百年前一样:配电架构。这个遗留部分也将和其他领域一样经历转变——加入变革的行列。

本文将着重介绍汽车行业应改良现有配电架构的原因,描述可做出的改变,并说明此次变革将带来哪些益处。

当今正在经历的电气化

当今正在经历的车辆电气化对所有车辆系统都产生了影响,并且为汽车配电架构革新提供了充分理由。推动电气化浪潮的三股主要力量包括:“网联汽车”模型、新动力系统与法规,以及已获得市场研究人员认可的平台的全球化与合并。本分析将从两个方面探讨:继电器替代产品和熔断器替代产品。图1显示了汽车制造商在六个特定领域中的现状。

20170122A02 图1:汽车各部位更换继电器的速度存在差异。

照明系统(1)已经开始更换继电器。座椅(2)和车门(3)也是如此。而电子控制单元(4)中的冷却风扇、燃油喷射器、泵等装置仍然在非常普遍地使用继电器,数量为7-20个,具体由原始设备制造商(OEM)决定。此领域面临的趋势是,在2018年至2022年期间,将采用固态替代产品完全取代继电器。

电气化的大未来将依赖于配电架构经过改造的电力分配(5)接线盒。要将电力从蓄电池分配到每一个负载模块或每一组负载,需要使用50到60(甚至100)个熔断器以及5到10个继电器。举例来说,连接至车身控制器的熔断器和电线就能控制数种不同功能。

如今,几乎所有制造商都会在接线盒中使用继电器和熔断器。而从2020年至2025年甚至到2030年的趋势将是更换掉汽车配电盒中的所有机械部件。这个远景似乎非常宏大,但已发生于世界各地的家庭和建筑中。事实上,数十年以前人们用断路器代替熔断器之时就已经发生过。

最后一部分(6)是引擎管理。随着启停系统和其他轻度混合应用中的48V系统功率不断增加,48V总线上产生电弧,致使继电器不足于满足负载开关的要求。这种电弧后续还会造成其他系统问题。因此,48V应用对固态解决方案具有决定性的影响。

网联汽车面临的挑战

对于网联汽车趋势,车辆的电力网络必须与固定结构的外部电源相连。除了电源以外,要将48V轻度混合汽车连接至固定结构,车辆需要与车库中的48V端口或外部48V电源进行通信。

48V功能将会带来许多新特性,例如线传电控技术,要求具备高品质和高安全等级。当下正在探讨的趋势是将线束归类为ISO 26262元件,适用于关键领域,例如线控转向和线控制动。因此,配线应被视为事关安全的重要一面,需要符合ISO 26262标准。虽然多年来,汽车安全的许多方面都要求遵守ISO规范,但对线束新增这种要求尚属首次。

在车辆中配备12V和48V两种电源所增加的复杂性将会给设计、组装、维修以及售后带来挑战,难以确保系统之间的兼容性和独立性。

虽然与过去相比,汽车技术将变得更为先进,更为适合这些应用,但推动配电架构更替的真正力量却将来自于网联汽车的新功能,因为继电器将不能满足其需求。举例来说,被许多制造商采用的启停功能会影响到某些应用,例如挡风玻璃雨刮器。采用启停功能之后,雨刮器系统在切换循环数量方面的任务会大幅增加,远远超出普通继电器的承受范围。因此,继电器无法在车辆的整个生命周期内发挥预期的作用。在诸如泵和HVAC系统的其他应用中,继电器也面临同样的窘境。

表1汇总了各种趋势以及固态电源供应商和半导体公司遇到的相应挑战。

20170122A03 表1,汽车配电趋势以及固态电源供应商和半导体公司遇到的相应挑战。

动力系统与法规

线束优化和车辆减重背后的成本节省优势引发了是否通过电气化来实现汽车配电架构革新的二次争论。举例来说,2019年,欧盟(EU)每克超限二氧化碳排放的费用将会上涨,首克超限费用达95欧元。为了避免支付高昂的罚款,OEM应该会积极优化和减轻线束的重量,尤其是对于线束平均重达30kg的中等车辆而言。

全球化

最后一个趋势是全球化。借助大型平台方案,OEM能够尽可能缩短工程时间,降低相关成本,并缩短新车的整体上市时间。单个平台能够以最低的工程投入和成本,为一系列车辆提供通用性。对于半导体供应商而言,包含电源分配功能的线束必须尽可能灵活,以便与高低端车辆兼容。

30多年来,人们一直提议利用半导体技术来取代机械式继电器;近20年来,取代熔断器的功能已经实现。但是,要使变革的力度足以拒绝现状,则需要大幅减少现有替代产品的排放量。如今,某些OEM仍然需要启动必要的设计活动来完成本次变革。

系统分析:继电器

与机械式版本相比,固态继电器具备多种差异化特性和优势。表2显示了对各项已知特征进行比较的结果。

20170122A04 表2,机械式继电器和固态继电器之间的比较。

机械式继电器更为人熟知的问题之一即是触点反弹。如图2所示,触点反弹或回弹可以产生高达300V/µs的dV/dt值。淘汰所有机械式继电器之后,可以减少线束内的电机干扰(EMI)噪音。

20170122A05 图2:在激活机械式继电器触点的100µs以内,可能出现数次高压峰值。

推动实施机械式继电器更换的一个诱因,就是有一项安全法规要求执行防夹诊断/保护。要使机械式继电器满足这项法规要求,将需要许多额外的器件,这会大幅增加机械式设计的成本。这些昂贵的元件为提高系统要求增加了更多理由(例如,由于启停系统的任务增大和质量相关问题,需要加大继电器,以应对浪涌电流)。采用48V电源之后,机械式继电器将面临严峻的兼容性挑战。

系统分析:熔断器

现代化的高端汽车很可能会配备100个熔断器和4个熔断器盒,它们必须容易接触,以便进行维修和熔断器更换。车厢内这个空间和接触的代价非常高昂,因为它会降低乘客的舒适感。在发生短路之后,固态受保护器件(电子器件或电子熔断器)不需要进行更换,因此可以将其放置在不容易接触的地方。这种配置能够简化车辆设计,还能够提供更多车厢空间。

相比采用单值设计、不能编程的机械式熔断器,电子熔断器可以设置为10、15、20等值,或者所需要的任意安培值。电子熔断器的这种灵活性使它能够完全兼容大型平台车辆的设计。

机械式熔断器,尤其是当今生产的机械式熔断器,它们的最小值和最大值都不准确,因此需要使用大号电线,确保在所有极端条件下都提供足够的安全裕量。为满足超尺寸要求、规避不安全的操作条件,以及确保熔断器能在所有操作条件下保护电线,通用的售后更换熔断器发挥了重大作用。图3显示了在现今机械式熔断器不够准确的情况下,电线尺寸必须具备更高安全裕量的原因。

20170122A06 图3:不准确是机械式熔断器本身存在的一个重大问题,也是过大指定电线尺寸的原因。

机械式熔断器还具有其他缺点。机械式熔断器不提供诊断和监测安全功能,而电子熔断器能够时常报告合乎网联汽车趋势的动态操作状态。电子熔断器还能够通过自身提供的诊断和健康监测功能,提升线束的安全等级。这层额外的保护已经被部分汽车制造商在座椅和车门应用中展示并在数量有限的车辆中可见。

表3显示的是传统熔断器和电子熔断器之间的比较结果。在总共8个方面的比较中,电子熔断器在其中7个方面都比机械式熔断器更具优势。图表中没有显示可靠性这一项。由于人为干预,有些熔断器会熔断,这不会对熔断器要保护的电子设备构成威胁。不同于机械式熔断器,电子熔断器在遭遇人为事件之后可以复位,不会给车主带来后续成本或麻烦。

20170122A07 表3,电子熔断器相比机械式熔断器的优势。

然而,人们现在仍在大量使用继电器和熔断器,尤其是在更大型的负载中,这是因为它们的性价比一直较高。因此,时至今日,通过电子解决方案淘汰接线盒甚至减少接线盒数量的举措并未获得显著进展。

目前,对电子更换起主要推动作用的是汽车制造商,而不是半导体行业。OEM了解这种变革的价值,并要求汽车实现电气化。虽然芯片解决方案价格更高,但汽车制造商在计算之后得出结论,从系统和车辆层面来看,他们可以实现成本节省。

电气化可利用电子断路器/开关来降低线束和汽车架构的复杂性。如图4所示,一辆典型中档车的电池和交流发电机最多能提供200A电流,但绝不会超过250A(25%保护带)。然而,对线束和保护线束的每个熔断器实施分析的结果显示,线束中的电流容量水平可以达到950A。类似情况也出现在室内布线中。汽车机械工程师应了解这种过容所具备的重要意义,以及改变这种状况所需采取的措施。

20170122A08 图4:现今规格过高、价格昂贵的配线容量。

预期或可能的变革

汽车配电架构的变更,取决于机械式继电器和熔断器更换解决方案价格的合理性。因此,这种电气化预计会经历多个步骤或阶段。第一步可能发生在2018至2022年期间。在这个阶段,机械零件会实现电气化,但是架构保持不变。电子继电器和电子熔断器将能很容易地取代机械式继电器和熔断器。

之后,在2020至2030年期间将会出现向互联智能接线盒和智能熔断器盒的转变,并且这一转变将充分利用电气化带来的所有优势,包括回顾该架构以优化线束尺寸,使其与电源容量相匹配,并利用完全安全和容错的架构,准备好迎接自动驾驶汽车的到来。恩智浦正在分析某些新兴理念,以做好迎接这种未来变革的准备。

行业携手

向完全电气化的配电装置转变的举措并非全无困难。以下介绍了在更替继电器和熔断器过程中遇到的两个问题:

►机械式继电器开路时,无论两个输出是何种极性,它都是开路。即使电池反向,继电器仍是开路。但是,MOSFET内部有一个体二极管,在电池反向的情况下,会直接发生短路。为了避免发生短路,固态继电器需要阻挡反方向上的电流。这种阻挡需要使用背靠背MOSFET,因此使得解决方案的成本很高。成本大幅增加是许多继电器未被更换的一个重要原因。

►熔断器的情况相类似。由于熔断器只是一片金属,是一种完全无源的器件,在车辆被长时间停放时,熔断器会继续保护线缆,防止出现任何短路,且在这个过程中,它不会消耗任何电流。而电子熔断器则需要消耗一些电流才能工作。现今的解决方案都处于毫安范围,而我们需要有一款微安解决方案。否则,只需一周左右时间,电池电量就会完全用完。

作者:Philippe Dupuy博士,恩智浦半导体智能继电器和智能电网高级研发经理

《电子技术设计》2017年1月刊版权所有,谢绝转载。 20160630000123