劉 誠，何 為

（威馬汽車科技集團(tuán)有限公司，四川 成都 610101）

當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，而整車新四化已成為主要的發(fā)展趨勢，即汽車電動化，智能化，網(wǎng)聯(lián)化，共享化。電動化是基礎(chǔ)，代表的是一場能源革命，智能化是目標(biāo)，代表智能革命，網(wǎng)聯(lián)化是手段，代表的是互聯(lián)革命，三化融合發(fā)展，共同促進(jìn)出行方式變革，帶來共享化，成為一場消費的變革。

在整車新四化趨勢下，整車電器功能越來越多，功能安全要求也越來越高。作為電器功能運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，電源分配系統(tǒng)也在順應(yīng)趨勢的變化而不斷進(jìn)化。

1 低壓電源分配系統(tǒng)介紹

電源分配系統(tǒng)，包含線束和保險盒兩部分，在車型電路設(shè)計開發(fā)時線束和保險盒是需要同時考慮的，它們是相互關(guān)聯(lián)的。

線束：汽車線束常被比喻成汽車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，汽車線束是汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體，沒有線束就不存在汽車電路。汽車線束主要由電線、連接器和包裹物等組成，主要功能是傳輸和分配汽車電源與信號。

保險盒：由塑料殼體、上下蓋、匯流條、接插件、直插式或印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）、保險絲及繼電器等物料組成，主要作用是分配電流[1]，將蓄電池的電流通過不同的保險絲及繼電器輸出到不同的孔位，再通過線束連接輸出到不同用電器[2-3]。

2 整車低壓電源分配系統(tǒng)的現(xiàn)狀

2.1 重量較大

目前車輛上的功能成倍增加，車內(nèi)的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、各種電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）的數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式的增長，整車使用的保險絲及繼電器數(shù)量也增多，整車線束承載的功能需求愈加龐大、復(fù)雜，車輛需要更多的回路來驅(qū)動各個用電器，這就導(dǎo)致整車重量增加。

2.2 電流控制不精確

傳統(tǒng)保險絲是在回路電流異常增大時通過發(fā)熱熔斷來保護(hù)回路的，但保險絲額定電流跨度大（如常用的25 A、30 A、40 A、50 A，無32 A、36 A、48 A等規(guī)格），如圖1所示，不能按照用電器的額定工作電流完全精確的匹配安培數(shù)，按照目前傳統(tǒng)的設(shè)計方法都是需要提高保險絲的設(shè)計冗余量。保險絲和導(dǎo)線線徑也是有對應(yīng)的匹配關(guān)系的，保險絲的作用是保護(hù)導(dǎo)線不被燒壞，所以導(dǎo)線的承載電流的能力是要高于保險絲的，所以整體的電源分配系統(tǒng)的承載能力較實際用電器工作時的回路電流是有冗余的。

保險絲依靠過流發(fā)熱熔斷保護(hù)，熔斷時間也有長短，以目前市面上常用的快熔保險絲為例，160%的電流最短0.25 s熔斷，最長50 s熔斷，若在此期間用電器承受不住過電流而發(fā)生故障或燒蝕，嚴(yán)重的也會引起車輛拋錨或燒車等問題（盡管保險絲的作用是保護(hù)導(dǎo)線而不是用電器），如表1和表2所示。

表1 保險絲產(chǎn)品規(guī)格書

表2 熔斷特性

保護(hù)時間受環(huán)境溫度變化影響，環(huán)境溫度越熱，保險絲熔斷的越快，保護(hù)精確性也有所降低[4]。

2.3 系統(tǒng)無法自行檢測

使用傳統(tǒng)保險盒的車型，保險絲和繼電器是被動元器件，是沒有狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷的，保險絲供電和繼電器控制也是開環(huán)的，在回路內(nèi)的實際電流系統(tǒng)是無法監(jiān)測的。其次保險絲只能保護(hù)短路，對較小的過電流基本不會熔斷，如表1所示，保險絲對110%的電流都不能熔斷，若用電器已出現(xiàn)故障，持續(xù)以110%的額定電流工作，系統(tǒng)是無法檢測到故障的，直到用電器發(fā)生故障[5]。

2.4 系統(tǒng)無法功能迭代

傳統(tǒng)的保險盒由于設(shè)計理念及結(jié)構(gòu)限制，電源分配狀態(tài)在設(shè)計完成后就凍結(jié)了，為保證保險盒在不同車型上的兼容性會預(yù)留一定的保險絲和繼電器孔位。功能固定，不能升級，設(shè)計驗證復(fù)雜，驗證周期長，基本上一款保險盒開發(fā)出來后會沿用至多款車型，若新車型配置變化較大或原理架構(gòu)不同，則保險盒無法適配，需要重新開發(fā)，使用靈活性差。

3 電源分配系統(tǒng)的要求及發(fā)展方向

3.1 保險盒輕量化

一個高邊驅(qū)動（High Side Drive, HSD）的開關(guān)芯片可以替代一個繼電器加一個保險絲，實物可參如圖1、圖2、圖3所示。一顆芯片和一個快熔保險絲的重量相當(dāng)，約1 g，一個繼電器的重量約30 g，若用芯片替換繼電器+保險絲，在相同功能的情況下，智能保險盒的重量是要輕于傳統(tǒng)保險盒的。

圖1 HSD芯片實物圖

圖2 保險絲實物圖

圖3 繼電器實物圖

目前基于半導(dǎo)體器件的配電方案根據(jù)應(yīng)用場景有兩種：

1）驅(qū)動芯片+金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transis- tor, MOSFET）分立方案。這種方案的復(fù)雜度較高，且該方案的綜合成本較高，適用于大電流場合。

2）HSD智能高邊開關(guān)集成方案，此方案限于小電流負(fù)載應(yīng)用（＜25 A），成本低，可靠性高。

器件級的小型化及輕量化是保險盒小型化及輕量化的基礎(chǔ)，相同功能下，智能保險盒較插線式保險盒體積減少約10%，重量降低約20%，通過控制器域網(wǎng) （Controller Area Network, CAN）、本地連接網(wǎng)絡(luò)（Local Interconnect Network, LIN）通訊可有效減少導(dǎo)線數(shù)量[6]。

3.2 線束輕量化

電子化后的智能保險盒，在設(shè)計上做到了極大的優(yōu)化，配電融合了控制，配電盒變成了ECU，ON檔、KL15等信號線也可以省掉，負(fù)載到蓄電池只經(jīng)過了一個半導(dǎo)體器件控制，線束回路得到了極大的簡化，保險盒繼電器控制回路和繼電器的保險絲回路也省掉了，回路優(yōu)化帶來的線束長度節(jié)省當(dāng)然會減輕線束重量，如圖4和圖5所示。另一方面，智能保險盒也可以一定程度減小導(dǎo)線線徑。上面討論過，保險絲因其保護(hù)不精確，導(dǎo)致線束冗余量很大，而半導(dǎo)體器件因其精確的電流檢測性能，可以準(zhǔn)確識別線路過載及短路故障，做到可靠保護(hù)，進(jìn)而降低對線徑冗余量的要求。

圖4 傳統(tǒng)保險盒電源分配圖

圖5 智能保險盒電源分配圖

3.3 整車架構(gòu)發(fā)展趨勢

過去電子架構(gòu)主要是分布式電子電氣架構(gòu)，每個功能有獨立的ECU，目前主要是域集中電子電氣架構(gòu)，功能集中化，域融合，未來的發(fā)展趨勢則是車輛集中電子電氣架構(gòu)，云計算。以特斯拉為代表的電動車，采用域控制器集成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相比較分布式的電子電氣架構(gòu)，整車線束用量有一定程度的減少。

例：左右前大燈控制回路，在采用分布式電子電氣架構(gòu)時，左右前大燈的控制由車身控制器 （Body Control module, BCM）控制，驅(qū)動回路由BCM控制保險盒內(nèi)的繼電器吸合，再由繼電器分別輸出電流至左右前大燈驅(qū)動大燈點亮，而采用域控方案，左右前大燈直接通過前域控制器驅(qū)動點亮，節(jié)省了導(dǎo)線及繼電器，如圖6和圖7所示。

圖6 分布式電子電氣架構(gòu)圖（前大燈控制回路）

圖7 域控制電子電氣架構(gòu)圖（前大燈控制回路）

3.4 使用鋁導(dǎo)線

鋁供應(yīng)量充足，容易獲取，而銅資源有限，鋁的價格約為銅的價格的三分之一，線束應(yīng)用整體價格可降10%～15%。以鋁節(jié)銅、以鋁代銅技術(shù)分析：鋁重量較銅輕三分之二左右，但鋁的電導(dǎo)率只有銅的64%，采用線徑更大的鋁導(dǎo)線替代銅導(dǎo)線可實現(xiàn)等效替換[7]。性能對比如表3所示。

表3 銅、鋁性能對比表

3.5 智能化

智能化主要是針對保險盒，保險盒實現(xiàn)遠(yuǎn)程升級，從功能角度看，軟硬件實現(xiàn)了分離，硬件可以隨著需求的變化被軟件重新定義，而不用修改硬件本身。單個HSD芯片即可取代1個保險絲加1個繼電器，同時實現(xiàn)可控開關(guān)和線路保護(hù)及診斷功能，且功能更多、更智能、更可靠。

保險盒通過軟件控制，將保險絲和繼電器通過MOSFET及HSD芯片替換，將保護(hù)和控制融合，意義極大。其優(yōu)勢就是，每條線路都變得可以獨立控制了，針對每條線路單獨編程控制了，這樣可以更精確地做電源分配管理，也可以根據(jù)不同的用電器的使用場景設(shè)定具體的通斷條件[8]。

基于半導(dǎo)體器件的配電帶來的另一個優(yōu)勢就是，原來開環(huán)的電路，現(xiàn)在可以做到閉環(huán)了。每一條線路都是可以監(jiān)控，可以診斷，且信息可聯(lián)網(wǎng)，整車每一路電流、電壓都能隨時監(jiān)控，負(fù)載工作狀態(tài)一目了然，可以在車輛出現(xiàn)故障時及時預(yù)警，并可快速提供故障分析。監(jiān)測每條回路的電流情況，又可以幫助主機(jī)廠更有效的掌握客戶駕駛習(xí)慣及情況，給車企在后續(xù)的車型設(shè)計上提供參考[9]。

相比較傳統(tǒng)的保險盒，集成了半導(dǎo)體及芯片的電氣盒能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能，如表4所示。

表4 傳統(tǒng)/智能保險盒功能差異對比

3.6 提升可靠性，提升功能安全等級

參考特斯拉 Model 3的配電架構(gòu)，其有雙供電電源+雙接線柱輸入的高可靠性。兩個輸入電源從兩個獨立的接線柱進(jìn)入前域控制器，而目前傳統(tǒng)的保險盒是單線輸入的，特斯拉的可靠性較好。比較說明如下：

1）針對單路開路故障，兩者基本等效，任意一個電源失效，都不影響供電。

2）針對單路短路故障：① 傳統(tǒng)設(shè)計是雙電源在蓄電池正極并聯(lián)，單線輸入保險盒，短路可能導(dǎo)致供電失效，如圖8所示；而雙獨立供電電源方案是兩個電源接線柱，如圖9所示，可靠性明顯更高。② 傳統(tǒng)供電即使雙線進(jìn)入配電盒，并加雙保險，因保險保護(hù)速度問題，電源可能會瞬時被拉低到欠壓，導(dǎo)致供電故障。自動駕駛要求供電支路故障快速關(guān)斷，隔離時間在100 μs左右，保險絲顯然無法做到，而半導(dǎo)體的保護(hù)動作速度可以快至10 μs級別。

圖8 傳統(tǒng)電源分配圖

雙獨立供電電源方案，其電源分配架構(gòu)及負(fù)載控制全部采用半導(dǎo)體器件，電源分配架構(gòu)充分考慮了目前高度自動駕駛輔助系統(tǒng)供電及控制功能安全所需要的電源冗余要求。例如其12 V電池的電源（BATT+）和高壓直流/直流（Direct Current/ Direct Current, DC/DC）模塊輸出的12 V電源（DC/ DC IN）組成電源輸入冗余，如圖9所示。

圖9 雙獨立供電電源分配圖

從性能對比可以看出來，基于半導(dǎo)體器件的智能保險盒，無論是從壽命、維修頻率、工作溫度變化、應(yīng)用范圍、開關(guān)速度、保護(hù)速度等，其性能均全面超越傳統(tǒng)保險盒，如表5所示[10]。

表5 傳統(tǒng)/智能保險盒性能差異對比

4 結(jié)束語

在快速發(fā)展的當(dāng)下，整車低壓電源分配系統(tǒng)的進(jìn)化已逐漸拉開序幕，智能化、輕量化將成為下一階段的發(fā)展重點，提升可靠性，能夠自我診斷、檢測并持續(xù)迭代的電源分配系統(tǒng)會為整車四化的發(fā)展助力，推動整車行業(yè)快速向前發(fā)展。