系統(tǒng)分析：保險(xiǎn)絲 - 改良汽車的配電架構(gòu)

　　系統(tǒng)分析：保險(xiǎn)絲

　　現(xiàn)代化的高端汽車可以輕松配備100根保險(xiǎn)絲和4個(gè)保險(xiǎn)絲盒，方便進(jìn)行維修和更換保險(xiǎn)絲。這個(gè)空間和入口都在車廂之中，其代價(jià)非常高昂，因?yàn)樗鼤?huì)降低乘客的舒適感。在發(fā)生短路之后，固態(tài)受保護(hù)設(shè)備（電子器件或電子保險(xiǎn)絲）不需要進(jìn)行更換，因此可以將其放置在不容易接觸的地方。這種配置能夠簡(jiǎn)化車輛設(shè)計(jì)，還能夠提供更多車廂空間。

　　相比采用單值設(shè)計(jì)、不能編程的機(jī)械式保險(xiǎn)絲，電子保險(xiǎn)絲可以設(shè)置為10、15、20等值，或者所需要的任意安培值。電子保險(xiǎn)絲的這種靈活性使它能夠完全兼容大型平臺(tái)車輛的設(shè)計(jì)。

　　機(jī)械式保險(xiǎn)絲，尤其是當(dāng)今生產(chǎn)的機(jī)械式保險(xiǎn)絲，它們的最小值和最大值都不準(zhǔn)確，因此需要使用大號(hào)電線，確保在所有極端條件下也能提供足夠的安全裕量。為滿足超尺寸要求、規(guī)避不安全的操作條件，以及確保保險(xiǎn)絲能在所有操作條件下保護(hù)電線，通用的售后更換保險(xiǎn)絲發(fā)揮了重大作用。圖3顯示了在現(xiàn)今機(jī)械式保險(xiǎn)絲不夠準(zhǔn)確的情況下，電線尺寸必須具備更高安全裕量的原因。

　　圖3.不準(zhǔn)確是機(jī)械式保險(xiǎn)絲本身存在的一個(gè)重大問題，也是規(guī)定過大電線尺寸的原因。

　　機(jī)械式保險(xiǎn)絲還具有其他缺點(diǎn)。機(jī)械式保險(xiǎn)絲不提供診斷和監(jiān)測(cè)安全功能，而電子保險(xiǎn)絲能夠時(shí)常報(bào)告合乎互聯(lián)汽車趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)操作狀態(tài)。電子保險(xiǎn)絲還能夠通過自身提供的診斷和健康監(jiān)測(cè)功能，提升集線器的安全等級(jí)。這層額外的保護(hù)已經(jīng)可見于部分汽車制造商的座椅和車門應(yīng)用中以及數(shù)量有限的車輛中。

　　表3顯示的是傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和電子保險(xiǎn)絲之間的比較結(jié)果。在總共8個(gè)方面的比較中，電子保險(xiǎn)絲在其中7個(gè)方面都比機(jī)械式保險(xiǎn)絲更具優(yōu)勢(shì)。圖表中沒有顯示可靠性這一項(xiàng)。由于人為干預(yù)，有些保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷，這不會(huì)對(duì)保險(xiǎn)絲要保護(hù)的電子設(shè)備構(gòu)成威脅。不同于機(jī)械式保險(xiǎn)絲，電子保險(xiǎn)絲在遭遇人為事件之后可以復(fù)位，不會(huì)給車主帶來(lái)后續(xù)成本或麻煩。

　　表3.電子保險(xiǎn)絲相比機(jī)械式保險(xiǎn)絲的優(yōu)勢(shì)

　　然而，人們現(xiàn)在仍在大量使用繼電器和保險(xiǎn)絲，尤其是在更大型的負(fù)載中，這是因?yàn)樗鼈兊男詢r(jià)比一直較高。因此，時(shí)至今日，通過電子解決方案淘汰接線盒甚至減少接線盒數(shù)量的舉措并未獲得顯著進(jìn)展。

　　目前，對(duì)電子更換起主要推動(dòng)作用的是汽車制造商，而不是半導(dǎo)體行業(yè)。OEM了解這種變革的價(jià)值，要求汽車實(shí)現(xiàn)電氣化。雖然芯片解決方案價(jià)格更高，但汽車制造商在計(jì)算之后得出結(jié)論，從系統(tǒng)和車輛層面來(lái)看，他們可以實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省。

　　電氣化可利用電子斷路器/開關(guān)來(lái)降低集線器和汽車架構(gòu)的復(fù)雜性。如圖4所示，一輛典型中檔車的電池和交流發(fā)電機(jī)最多能提供200A電流，絕不會(huì)超過250A（25%保護(hù)頻帶）。但是，對(duì)集線器和保護(hù)集線器的每根保險(xiǎn)絲實(shí)施分析的結(jié)果顯示，集線器中的電流容量水平可以達(dá)到950A。類似情況也發(fā)生在室內(nèi)布線應(yīng)用中。汽車機(jī)械工程師應(yīng)了解這種容量過剩所具備的重要意義，以及改變這種狀況所需采取的措施。

　　圖4.現(xiàn)今規(guī)格過高、成本高昂的接線容量

　　預(yù)期或可能的變革

　　對(duì)車輛配電架構(gòu)作何種更改，取決于用于更換機(jī)械式繼電器和保險(xiǎn)絲的解決方案的可購(gòu)性。因此，這種電氣化預(yù)計(jì)會(huì)經(jīng)歷多個(gè)步驟或階段。第一步可能發(fā)生于2018至2022期間。在這個(gè)階段，機(jī)械組件會(huì)實(shí)現(xiàn)電氣化，但其架構(gòu)保持不變。電子繼電器和電子保險(xiǎn)絲將簡(jiǎn)單地取代機(jī)械式繼電器和保險(xiǎn)絲。

　　之后，在2020年至2030年期間，會(huì)開始向互聯(lián)智能接線盒和智能保險(xiǎn)絲盒轉(zhuǎn)變，充分利用電氣化帶來(lái)的所有優(yōu)勢(shì)，包括回到該架構(gòu)以優(yōu)化集線器的尺寸，使其與電源容量相匹配，并利用完全安全的容錯(cuò)架構(gòu)，準(zhǔn)備迎接自動(dòng)駕駛汽車的到來(lái)。恩智浦正在分析某些新興理念，以做好迎接這種未來(lái)變革的準(zhǔn)備。

　　行業(yè)攜手

　　向完全電氣化的配電裝置轉(zhuǎn)變的舉措并非全無(wú)困難。以下介紹了在更替繼電器和保險(xiǎn)絲過程中遇到的兩種問題：

　　? 機(jī)械式繼電器開啟時(shí)，無(wú)論兩種輸出是何種極性，它都會(huì)開啟。即使電池反向，繼電器仍會(huì)開啟。但是，MOSFET配有集成本體二極管，在電池反向的情況下，會(huì)直接發(fā)生短路。為了避免發(fā)生短路，固態(tài)繼電器需要阻攔反方向的電流。這種攔截需要使用背靠背MOSFET，大幅提高了解決方案的成本。成本大幅增加是不對(duì)許多繼電器進(jìn)行更換的一大重要原因。

　　? 保險(xiǎn)絲的情況也類似。由于保險(xiǎn)絲只是一片金屬，是一種非常被動(dòng)的器件，在車輛長(zhǎng)時(shí)間停放期間，保險(xiǎn)絲會(huì)繼續(xù)保護(hù)線纜，防止出現(xiàn)短路，且在這個(gè)過程中，它不會(huì)消耗任何電流。而電子保險(xiǎn)絲則需要消耗一些電流才能工作。如今使用的解決方案都處于毫安范圍，但實(shí)際卻需要一款微安解決方案。否則，只需一周左右時(shí)間，電池電量就會(huì)完全用完。

　　發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用

　　作為汽車、網(wǎng)絡(luò)、飛行器以及其他行業(yè)的使能技術(shù)供應(yīng)商，恩智浦對(duì)于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和推動(dòng)變革非常感興趣。但是，電氣化革命是無(wú)法依靠一家公司來(lái)完成的，它需要跨行業(yè)的合作。恩智浦已充分準(zhǔn)備發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，讓車輛布線改革成為現(xiàn)實(shí)。

　　本文作者：Philippe Dupuy，博士，智能繼電器和智能電網(wǎng)高級(jí)研發(fā)經(jīng)理