改良汽車的配電架構(gòu)

　　汽車行業(yè)經(jīng)歷了一場變革，幾乎涉及汽車設(shè)計的各個方面，從引擎管理到車身控制功能，再到車輪、制動和安全等等。整個車身上下，只有一個地方的架構(gòu)仍和百年前一樣：配電架構(gòu)。這個遺留部分也將和其他領(lǐng)域一樣經(jīng)歷轉(zhuǎn)變 — 加入變革的行列。

　　50多年以來，作為領(lǐng)先的汽車電子技術(shù)供應(yīng)商，恩智浦了解全球汽車行業(yè)的需求，并且憑借顛覆行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)展現(xiàn)了其滿足這些需求的能力。本白皮書將著重介紹汽車行業(yè)應(yīng)改良現(xiàn)有配電架構(gòu)的原因、描述可做出的改變，并說明此次變革將帶來哪些益處。

　　當(dāng)今正在經(jīng)歷的電氣化

　　當(dāng)今正在經(jīng)歷的車輛電氣化對所有車輛系統(tǒng)都產(chǎn)生了影響，并且為汽車配電架構(gòu)革新提供了充分理由。推動電氣化浪潮的三股主要力量包括：“互聯(lián)汽車”模型、新動力系統(tǒng)與法規(guī)以及已獲得市場研究人員認(rèn)可的平臺的全球化與合并。1本分析將從兩個方面進(jìn)行分析：繼電器替代產(chǎn)品和保險絲替代產(chǎn)品。圖1顯示了汽車制造商在六個特定領(lǐng)域中的現(xiàn)狀。

　　圖1.汽車各部位更換繼電器的速度存在差異

　　照明（1）系統(tǒng)已經(jīng)開始更換繼電器。座椅（2）和車門（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(shù)量為7-20個，具體由原始設(shè)備制造商決定（OEM）。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(yuǎn)大未來將依賴于配電架構(gòu)經(jīng)過改造的電力分配（5）接線盒。要將電力從蓄電池分配到每一個負(fù)載模塊或每一組負(fù)載，需要使用50到60（甚至100）根保險絲以及5到10個繼電器。舉例來說，連接至車身控制器的保險絲和電線就能控制數(shù)種不同功能。

　　如今，幾乎所有制造商都會在接線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配電盒中的所有機械部件。這個遠(yuǎn)景似乎非常宏大，但已發(fā)生于世界各地的家庭和建筑中。事實上，數(shù)十年以前人們用斷路器代替保險絲之時就已經(jīng)發(fā)生過。

　　最后一部分（6）是引擎管理。隨著停止-啟動系統(tǒng)和其他輕度混合應(yīng)用中的48V系統(tǒng)功率不斷增加，48V總線上產(chǎn)生電弧，致使繼電器不足于滿足負(fù)載開關(guān)的要求。這種電弧后續(xù)還會造成其他系統(tǒng)問題。因此，48V應(yīng)用對固態(tài)解決方案具有決定性的影響。

　　互聯(lián)汽車面臨的挑戰(zhàn)

　　對于互聯(lián)汽車趨勢，車輛的電力網(wǎng)絡(luò)必須與固定結(jié)構(gòu)的外部電源相連。除了電源以外，要將48V輕度混合汽車連接至固定結(jié)構(gòu)，車輛需要與車庫中的48V端口或外部48V電源進(jìn)行通信。

　　48V功能將會帶來許多新特性，例如線傳電控技術(shù)，要求具備高品質(zhì)和高安全等級。當(dāng)下正在探討的趨勢是將集線器歸類為ISO 26262元件，適用于關(guān)鍵領(lǐng)域，例如線控轉(zhuǎn)向和線控制動。因此，配線應(yīng)被視為事關(guān)安全的重要一面，需符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。雖然多年來，汽車安全的許多方面都要求遵守ISO規(guī)范，但對集線器新增這種要求尚屬首次。

　　在車輛中配備12V和48V兩種電源所增加的復(fù)雜性將會給設(shè)計、組裝、維修以及售后帶來挑戰(zhàn)，難以確保系統(tǒng)之間的兼容性和獨立性。

　　雖然與過去相比，汽車技術(shù)將變得更為先進(jìn)，更為適合這些應(yīng)用，但推動配電架構(gòu)更替的真正力量卻將來自于互聯(lián)汽車的新功能，因為繼電器將不能滿足其需求。舉例來說，被許多制造商采用的啟停功能會影響到某些應(yīng)用，例如擋風(fēng)玻璃雨刮器。采用啟停動功能之后，雨刮器系統(tǒng)在切換循環(huán)數(shù)量方面的任務(wù)會大幅增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通繼電器的承受范圍。因此，繼電器無法在車輛的整個生命周期內(nèi)發(fā)揮預(yù)期的作用。在其他應(yīng)用（例如泵和HVAC系統(tǒng)）中，繼電器也面臨同樣的窘境。

　　表1匯總了各種趨勢以及固態(tài)電源和半導(dǎo)體公司供應(yīng)商遇到的相應(yīng)挑戰(zhàn)。

　　4.動力系統(tǒng)與法規(guī)

　　集線器優(yōu)化和車輛減重背后的成本節(jié)省優(yōu)勢引發(fā)了是否通過電氣化來實現(xiàn)汽車配電架構(gòu)革新的二次爭論。舉例來說，2019年，歐盟（EU）每克超限二氧化碳排放的費用將會上漲，首克超限費用達(dá)95歐元。2為了避免支付高昂的罰款，OEM應(yīng)該會積極優(yōu)化和減輕集線器的重量，尤其是對于集線器平均重達(dá)30kg的中等車輛而言。

　　全球化

　　最后一個趨勢是全球化。借助大型平臺方案，OEM能夠盡可能縮短工程時間，降低相關(guān)成本，并縮短新車的整體上市時間。單個平臺能夠以最低的工程投入和成本，為一系列車輛提供通用性。對于半導(dǎo)體供應(yīng)商而言，包含電源分配功能的集線器必須盡可能靈活，以便與高低端車輛兼容。

　　30多年來，人們一直提議利用半導(dǎo)體技術(shù)來取代機械式繼電器；近20年來，取代保險絲的功能已經(jīng)實現(xiàn)。345但是，要使變革的力度足以拒絕現(xiàn)狀，則需要大幅減少現(xiàn)有替代產(chǎn)品的排放量。如今，某些OEM仍然需要啟動必要的設(shè)計活動來完成本次變革。

　　系統(tǒng)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(jié)果。

　　機械式繼電器更為人熟知的問題之一即是觸點反彈。如圖2所示，觸點反彈或回彈可以產(chǎn)生高達(dá)300V/μs的dV/dt值。淘汰所有機械式繼電器之后，可以減少集線器內(nèi)的電機干擾（EMI）噪音。

　　推動實施機械式繼電器更換的一個誘因就是有一項安全法規(guī)要求執(zhí)行防夾診斷/保護。7要使機械式繼電器滿足這項法規(guī)要求，將需要許多額外的組件，這會大幅增加機械式設(shè)計的成本。這些昂貴的元件為提高系統(tǒng)要求增加了更多理由（例如，由于停止-啟動系統(tǒng)的任務(wù)增大和質(zhì)量相關(guān)問題，需要加大繼電器，以應(yīng)對浪涌電流）。采用48V電源之后，機械式繼電器將面臨嚴(yán)峻的兼容性挑戰(zhàn)。