【摘 要】 智能配電單元是一種應(yīng)用于汽車領(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)不同車型適配不同電網(wǎng)功能安全的解決方案，為整車的輕量化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化提供可靠的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以便滿足日益復(fù)雜的汽車系統(tǒng)需求。

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全球約有500萬(wàn)輛汽車因?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。在車輛功能不斷電子化的今天，電網(wǎng)失效會(huì)對(duì)車輛功能產(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)接管車輛，車輛將會(huì)失去控制，造成嚴(yán)重事故。由此，車輛電網(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），為客戶提供高功能安全、 高性價(jià)比的智能電源分配方案。通過(guò)不同配置，IDU可滿足手動(dòng)或自動(dòng)駕駛汽車的電網(wǎng)功能安全及冗余需求。

智能配電單元是一種應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的低壓電源管理系統(tǒng)，旨在提高整車電網(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)燃油車或新能源汽車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。

圖1 智能配電單元的系統(tǒng)架構(gòu)

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PPU（Power Protection Uint）單元。PPU控制單元內(nèi)部架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 PPU控制單元內(nèi)部架構(gòu)圖

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。

圖3 實(shí)物示意圖

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。

圖4 傳統(tǒng)配電原理圖

圖5 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。

表1 傳統(tǒng)配電和智能配單線束對(duì)比表

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。

圖6 傳統(tǒng)配電部件

圖7 智能配電部件

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 2t參數(shù)在熔斷額定I 2t的20%以內(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，在不同車速下，不同的響應(yīng)時(shí)間造成的整車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。

圖8 熔斷絲熔斷時(shí)間

圖9 車速和延時(shí)行駛距離

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?；谀壳罢嚨木W(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，整車信息網(wǎng)聯(lián)化如圖11所示。

圖10 智能配電內(nèi)部信息采集

圖11 整車信息網(wǎng)聯(lián)化

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)車與車、 車與服務(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，便于同步車型的軟件化變更，實(shí)現(xiàn)不同車型同硬件平臺(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，最高可滿足整車電網(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)，提供適配不同車型的多樣化電網(wǎng)功能安全解決方案，為整車的輕量化、 智能化、 網(wǎng)聯(lián)化提供可靠的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以滿足日益復(fù)雜的汽車系統(tǒng)需求，為汽車工業(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].