【摘? 要】智能配電單元是一種應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域的低壓電源管理系統(tǒng)，通過(guò)集成智能熔斷絲eFuse將低安全等級(jí)負(fù)載與高安全等級(jí)負(fù)載分開(kāi)，以此來(lái)確保高安全等級(jí)負(fù)載的供電安全。文章主要闡述一種汽車(chē)智能配電單元的設(shè)計(jì)方案，主要介紹其設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)，方便設(shè)計(jì)人員針對(duì)不同車(chē)型適配不同電網(wǎng)功能安全的解決方案，為整車(chē)的輕量化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化提供可靠的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以便滿(mǎn)足日益復(fù)雜的汽車(chē)系統(tǒng)需求。

【關(guān)鍵詞】智能配電;IDU;智能熔斷絲;eFuse

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）05-0026-03

Research on Intelligent Distribution Units for Automobiles

HUO Qitao

（Henan Tianhai Electric Appliance Co.，Ltd.，Henan Tianhai Electronic Technology Co.，Ltd.，

Zhengzhou 450001，China）

【Abstract】Intelligent distribution unit is a low-voltage power management system applied in the automotive field，which separates low safety level loads from high safety level loads by integrating intelligent fuse eFuses to ensure the power supply safety of high safety level loads. The article mainly elaborates on a design scheme of an intelligent distribution unit for automobiles，including its design principles and advantages and disadvantages. It facilitates designers to adapt different power grid functional safety solutions for different vehicle models，providing a reliable design foundation for the lightweight，intelligent，and networked design of the entire vehicle，in order to meet the increasingly complex needs of automotive systems.

【Key words】intelligent power distribution;IDU;intelligent fuse;eFuse

作者簡(jiǎn)介

霍其濤，天海研究院研發(fā)經(jīng)理，主要從事汽車(chē)電子控制器設(shè)計(jì)工作。

1? 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全球約有500萬(wàn)輛汽車(chē)因?yàn)殡娫淳W(wǎng)絡(luò)故障而召回，電網(wǎng)功能安全越來(lái)越受到關(guān)注。在車(chē)輛功能不斷電子化的今天，電網(wǎng)失效會(huì)對(duì)車(chē)輛功能產(chǎn)生很大的影響，尤其是對(duì)于駕駛輔助或自動(dòng)駕駛相關(guān)功能。對(duì)于手動(dòng)駕駛的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)首先失去功能，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失去助力的瞬間，駕駛員會(huì)突然對(duì)轉(zhuǎn)向失去控制，造成事故。對(duì)于自動(dòng)駕駛的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，電網(wǎng)失效通常會(huì)造成自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的失效，如果駕駛員不能及時(shí)接管車(chē)輛，車(chē)輛將會(huì)失去控制，造成嚴(yán)重事故。由此，車(chē)輛電網(wǎng)功能安全的重要性日益凸顯。在此背景下，智能電源分配模塊產(chǎn)品（Intelligent Distribution Unit，IDU），為客戶(hù)提供高功能安全、高性?xún)r(jià)比的智能電源分配方案。通過(guò)不同配置，IDU可滿(mǎn)足手動(dòng)或自動(dòng)駕駛汽車(chē)的電網(wǎng)功能安全及冗余需求。

智能配電單元是一種應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域的低壓電源管理系統(tǒng)，旨在提高整車(chē)電網(wǎng)的功能安全和可靠性。該系統(tǒng)通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)和集成智能熔斷絲eFuse，將低安全等級(jí)負(fù)載與高安全等級(jí)負(fù)載分開(kāi)，確保高安全等級(jí)負(fù)載的供電安全。此外，智能配電單元還支持回路電壓、電流診斷和溫度監(jiān)測(cè)等功能，進(jìn)一步提高電網(wǎng)功能安全。相對(duì)于傳統(tǒng)配電來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)主要有：減少整車(chē)線束復(fù)雜程度及線束質(zhì)量、高可靠性、高防護(hù)等級(jí)、高安全性、網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字化、平臺(tái)化和快速化等。該平臺(tái)適用于傳統(tǒng)燃油車(chē)或新能源汽車(chē)12V電網(wǎng)，且適用于各種電子電氣架構(gòu)，是一種能適配不同車(chē)型的多樣化解決方案。

2? 設(shè)計(jì)原理

智能配電單元的系統(tǒng)架構(gòu)包括進(jìn)電部分、PPU單元、MCU、Pre Driver、MOS、采樣電阻、運(yùn)放、ADC采集器、NTC、Voltage-Diagnosis等組件。智能配電單元的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

本設(shè)計(jì)的進(jìn)電部分DC/DC和MBAT進(jìn)入控制器后，通過(guò)PPU單元后合成控制器內(nèi)部的MP電源，MP電源分別給An、Bn負(fù)載進(jìn)行供電。而掛在MP的供電輸入回路、診斷回路和輸出回路全都通過(guò)MCU A進(jìn)行控制和管理。因此An和Bn的負(fù)載控制回路（供電和斷電）、診斷回路全部按照ASIL B設(shè)計(jì)。同理，進(jìn)電部分DC/DC和ABAT進(jìn)入控制器后通過(guò)PPU合成控制器內(nèi)部的EP電源。EP電源分別為An和Cn負(fù)載進(jìn)行供電。掛在EP的供電輸入回路、輸出回路、診斷回路全部通過(guò)MCU B進(jìn)行控制和管理。因此An和Bn的負(fù)載控制回路和診斷回路全部按照ASIL B進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

如果負(fù)載供電需要滿(mǎn)足ASIL D的需求，則掛在An的位置，通過(guò)MP和EP進(jìn)行雙電源供電來(lái)滿(mǎn)足ASIL D的需求，同步通過(guò)內(nèi)部軟件協(xié)調(diào)CAN1和CAN2的輸入信息同步控制An負(fù)載的供電。如果An不需要ASIL D的需求，只需要ASIL B的需求，則可以釋放一個(gè)An的雙電源供電，分為MP和EP單獨(dú)供電的Bn、Cn。通過(guò)CANI和CAN2的輸入控制信息單獨(dú)控制Bn和Cn的供電或者斷開(kāi)，即可滿(mǎn)足ASIL B的功能安全需求。

因此只需要硬件設(shè)計(jì)的輸出回路的數(shù)量滿(mǎn)足實(shí)際輸出負(fù)載回路的需求，可以根據(jù)實(shí)際的需求，通過(guò)軟件來(lái)配置實(shí)際的輸出負(fù)載的需求ASIL B和ASIL D的數(shù)量即可。

DC/DC和BAT進(jìn)入IDU后，經(jīng)控制單元控制和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行診斷和控制，該單元簡(jiǎn)稱(chēng)PPU（Power Protection Uint）單元。PPU控制單元內(nèi)部架構(gòu)圖如圖2所示。

MBAT主蓄電池電源進(jìn)入IDU控制器，通過(guò)MOS和采樣電阻進(jìn)到MP電源，為整個(gè)控制器的外部負(fù)載進(jìn)行供電。同步采樣電阻的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放和ADC采集器進(jìn)入到MCU進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)。MCU通過(guò)控制信號(hào)控制Pre Driver進(jìn)行MOS的開(kāi)關(guān)控制。同時(shí)Pre Drviver同步內(nèi)部比較器采集NTC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，發(fā)送給MCU。MBAT的進(jìn)電電源經(jīng)過(guò)Voltage-Diagnosis采集電壓信號(hào)送入MCU。MCU運(yùn)算所有的數(shù)據(jù)信息通過(guò)CAN外發(fā)至整車(chē)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

睡眠狀態(tài)下，MCU實(shí)施監(jiān)測(cè)采樣電阻的電流，如果該數(shù)據(jù)超過(guò)額定數(shù)據(jù)的1.5倍（可以軟件設(shè)定），則喚醒IDU控制器，對(duì)所有睡眠狀態(tài)下輸出電流的控制器電流進(jìn)行采集，并對(duì)比設(shè)定數(shù)據(jù)，比對(duì)出電流大于額定數(shù)值的負(fù)載執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作。同步通過(guò)CAN通信線，上傳該負(fù)載通道靜態(tài)電流異常的故障信息，利用準(zhǔn)確定位故障通道的負(fù)載來(lái)進(jìn)行精確的定位維修。該電流的監(jiān)測(cè)間隔和監(jiān)測(cè)閾值可以通過(guò)軟件設(shè)定來(lái)適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)平臺(tái)的需求。

根據(jù)以上系統(tǒng)架構(gòu)原理設(shè)計(jì)的實(shí)物示意圖如圖3所示。

3? 產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)

為了更準(zhǔn)確理解全智能配電單元的優(yōu)勢(shì)，首先需要認(rèn)識(shí)傳統(tǒng)配電和智能配電的基本原理。圖4為傳統(tǒng)配電原理圖，圖5為智能配電原理圖。

傳統(tǒng)配電主要由熔斷絲、繼電器和結(jié)構(gòu)件組成，目的是保護(hù)配電輸出的線束不被燒蝕。智能配電的主要構(gòu)成部件有半導(dǎo)體功率器件、半導(dǎo)體預(yù)取、控制器和結(jié)構(gòu)件，目的同傳統(tǒng)配電一致，都是保護(hù)輸出線束。智能配電相對(duì)于傳統(tǒng)配電的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）減少整車(chē)線束復(fù)雜程度和線束質(zhì)量，為輕量化和低成本化做貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)電器盒使用熔斷絲保護(hù)線束。由于熔斷絲的保護(hù)需要靠發(fā)熱，其保護(hù)時(shí)間隨環(huán)境溫度變化而變化，外面越熱，熔斷得越快，導(dǎo)致保護(hù)很不精確。以快熔片式熔斷絲為例，200%額定電流的熔斷時(shí)間從0.15～5s不等。因此對(duì)應(yīng)的保護(hù)線束設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮比較多的余量設(shè)計(jì)，以及導(dǎo)線規(guī)格大一些的型號(hào)。同時(shí)本身不能控制部分電源的開(kāi)與斷，需要額外的控制線束來(lái)配合繼電器控制供電狀態(tài)。而智能配電用的是半導(dǎo)體元器件，能準(zhǔn)確采樣流過(guò)半導(dǎo)體的電流，精確進(jìn)行I 2 t的曲線保護(hù)，不需要過(guò)多余量設(shè)計(jì)。因此經(jīng)過(guò)智能配電后同負(fù)載的情況下線徑變細(xì)，進(jìn)而降低線束的質(zhì)量，做到整車(chē)線束的輕量化。而智能配電內(nèi)置半導(dǎo)體，自身可以通過(guò)總線來(lái)根據(jù)實(shí)車(chē)狀態(tài)變化進(jìn)行電源控制，省去外接控制線束，因此，有利于減少線束設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和線束質(zhì)量。傳統(tǒng)配電和智能配單線束對(duì)比詳見(jiàn)表1。

2）智能配電具有高可靠性、高防護(hù)等級(jí)、高安全性。為了更好理解傳統(tǒng)配電和智能配電，需要了解其對(duì)應(yīng)的配電主要構(gòu)成部件。傳統(tǒng)配電的主要構(gòu)成部件見(jiàn)圖6，智能配電的主要構(gòu)成部件見(jiàn)圖7。

傳統(tǒng)配電主要部件為熔斷絲和繼電器，熔斷絲負(fù)載的I 2 t參數(shù)在熔斷額定I 2 t的20%以?xún)?nèi)，熔斷壽命105，按照遠(yuǎn)近光燈的操作頻率換算熔斷絲的FIT 20萬(wàn)，MTBF約5000，按照診斷覆蓋率99%來(lái)估算，F(xiàn)IT值還有2000，遠(yuǎn)超功能安全ASIL B的FIT 10。而繼電器機(jī)械壽命20萬(wàn)次，參照遠(yuǎn)近光計(jì)算，F(xiàn)IT接近10萬(wàn)。對(duì)于智能配電的半導(dǎo)體器件，壽命一般高達(dá)1015以上，F(xiàn)IT約2。因此從功能安全層面而言，傳統(tǒng)配電盒無(wú)法達(dá)到基本的ASIL B要求，智能配電有極其高的可靠性。

由于傳統(tǒng)配電需要外置插拔的熔斷絲和繼電器，因此防塵、防水的等級(jí)最高只能達(dá)到IP54，而智能配電均為半導(dǎo)體器件，因此可以輕松達(dá)到IP67，甚至更高的防護(hù)等級(jí)。

當(dāng)負(fù)載發(fā)生故障時(shí)，傳統(tǒng)配電的熔斷絲熔斷需要ms級(jí)的時(shí)間，半導(dǎo)體器件的反應(yīng)速度可以達(dá)到μs級(jí)別。詳細(xì)數(shù)據(jù)對(duì)比可以參考圖8和圖9，在不同車(chē)速下，不同的響應(yīng)時(shí)間造成的整車(chē)滑行距離是有很大差別的，這個(gè)滑行距離有極高的安全隱患，因此智能配電顯得更加安全。

3）智能配電具有網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字化、平臺(tái)化和快速化特點(diǎn)。智能配電內(nèi)置運(yùn)算MCU和通信單元，可以和整車(chē)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即智能配電的所有采集信息（電流、電壓、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、負(fù)載異常等）能及時(shí)、快速地上傳至整車(chē)。基于目前整車(chē)的網(wǎng)聯(lián)化的需求，通過(guò)T-BOX把數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)后，主機(jī)廠后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的搜集、分析、警示等功能。智能配電內(nèi)部信息采集如圖10所示，整車(chē)信息網(wǎng)聯(lián)化如圖11所示。

智能配電可以與內(nèi)部的控制器MCU同步進(jìn)行電流、電壓、負(fù)載變化等信息的搜集，根據(jù)搜集的數(shù)據(jù)智能化地實(shí)現(xiàn)自身預(yù)定的邏輯控制，也可以同步通過(guò)自身的總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整車(chē)共享，通過(guò)T-BOX傳輸大數(shù)據(jù)后臺(tái)用于運(yùn)行狀態(tài)或故障分析，實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與服務(wù)器的網(wǎng)聯(lián)化，以及信息存儲(chǔ)的數(shù)字化。由于引入的總線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的OAT（Over-the-Air Technology）軟件升級(jí)，滿(mǎn)足及時(shí)升級(jí)智能化的功能需求，通過(guò)軟件設(shè)定，可以匹配不同的輸出保護(hù)線束，方便產(chǎn)品設(shè)計(jì)的平臺(tái)化，便于同步車(chē)型的軟件化變更，實(shí)現(xiàn)不同車(chē)型同硬件平臺(tái)，大大縮減開(kāi)發(fā)周期和設(shè)計(jì)研發(fā)費(fèi)用。

然而智能配電產(chǎn)品成本比傳統(tǒng)配電昂貴，但根據(jù)國(guó)產(chǎn)化加速替代，智能配電比2022年初設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)有20%～30%的降價(jià)空間。伴隨著用量的擴(kuò)大，半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，未來(lái)還會(huì)有巨大的降價(jià)空間。

4? 結(jié)論

該智能配電的產(chǎn)品功能豐富，具有隔離低安全等級(jí)負(fù)載、熔斷絲線束診斷及電池狀態(tài)檢測(cè)等功能，其安全性高，最高可滿(mǎn)足整車(chē)電網(wǎng)ASIL D要求;擴(kuò)展性強(qiáng)，適用于多種電子電氣電網(wǎng)架構(gòu)，提供適配不同車(chē)型的多樣化電網(wǎng)功能安全解決方案，為整車(chē)的輕量化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化提供可靠的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以滿(mǎn)足日益復(fù)雜的汽車(chē)系統(tǒng)需求，為汽車(chē)工業(yè)的未來(lái)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]ISO 26262：2018，Road vehicles-Functional safety[S].

（編輯? 凌? 波）

收稿日期：2023-12-01