汽車智能配電單元的研究

【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)，通過集成智能熔斷絲eFuse將低安全等級負(fù)載與高安全等級負(fù)載分開，以此來確保高安全等級負(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)計方案，主要介紹其設(shè)計原理以及設(shè)計優(yōu)缺點(diǎn)，方便設(shè)計人員針對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)計基礎(chǔ)，以便滿足日益復(fù)雜的汽車系統(tǒng)需求。

【關(guān)鍵詞】智能配電;IDU;智能熔斷絲;eFuse

中圖分類號：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：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

作者簡介

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

1? 引言

據(jù)統(tǒng)計，每年全球約有500萬輛汽車因為電源網(wǎng)絡(luò)故障而召回，電網(wǎng)功能安全越來越受到關(guān)注。在車輛功能不斷電子化的今天，電網(wǎng)失效會對車輛功能產(chǎn)生很大的影響，尤其是對于駕駛輔助或自動駕駛相關(guān)功能。對于手動駕駛的汽車來說，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，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，駕駛員會突然對轉(zhuǎn)向失去控制，造成事故。對于自動駕駛的汽車來說，電網(wǎng)失效通常會造成自動駕駛系統(tǒng)的失效，如果駕駛員不能及時接管車輛，車輛將會失去控制，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、高性價比的智能電源分配方案。通過不同配置，IDU可滿足手動或自動駕駛汽車的電網(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)通過隔離開關(guān)和集成智能熔斷絲eFuse，將低安全等級負(fù)載與高安全等級負(fù)載分開，確保高安全等級負(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)測等功能，進(jìn)一步提高電網(wǎng)功能安全。相對于傳統(tǒng)配電來說，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、高安全性、網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字化、平臺化和快速化等。該平臺適用于傳統(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)計的進(jìn)電部分DC/DC和MBAT進(jìn)入控制器后，通過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。同理，進(jìn)電部分DC/DC和ABAT進(jìn)入控制器后通過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。

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MP和EP進(jìn)行雙電源供電來滿足ASIL D的需求，同步通過內(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An的雙電源供電，分為MP和EP單獨(dú)供電的Bn、Cn。通過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，即可滿足ASIL B的功能安全需求。

因此只需要硬件設(shè)計的輸出回路的數(shù)量滿足實際輸出負(fù)載回路的需求，可以根據(jù)實際的需求，通過軟件來配置實際的輸出負(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)動進(jìn)行診斷和控制，該單元簡稱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MOS和采樣電阻進(jìn)到MP電源，為整個控制器的外部負(fù)載進(jìn)行供電。同步采樣電阻的電流信號經(jīng)過運(yùn)放和ADC采集器進(jìn)入到MCU進(jìn)行定時監(jiān)測。MCU通過控制信號控制Pre Driver進(jìn)行MOS的開關(guān)控制。同時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Voltage-Diagnosis采集電壓信號送入MCU。MCU運(yùn)算所有的數(shù)據(jù)信息通過CAN外發(fā)至整車的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

睡眠狀態(tài)下，MCU實施監(jiān)測采樣電阻的電流，如果該數(shù)據(jù)超過額定數(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，并對比設(shè)定數(shù)據(jù)，比對出電流大于額定數(shù)值的負(fù)載執(zhí)行關(guān)閉動作。同步通過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)載來進(jìn)行精確的定位維修。該電流的監(jiān)測間隔和監(jiān)測閾值可以通過軟件設(shè)定來適應(yīng)不同的設(shè)計平臺的需求。

根據(jù)以上系統(tǒng)架構(gòu)原理設(shè)計的實物示意圖如圖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，首先需要認(rèn)識傳統(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%額定電流的熔斷時間從0.15～5s不等。因此對應(yīng)的保護(hù)線束設(shè)計時，需要考慮比較多的余量設(shè)計，以及導(dǎo)線規(guī)格大一些的型號。同時本身不能控制部分電源的開與斷，需要額外的控制線束來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)，不需要過多余量設(shè)計。因此經(jīng)過智能配電后同負(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，自身可以通過總線來根據(jù)實車狀態(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比詳見表1。

2）智能配電具有高可靠性、高防護(hù)等級、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)成部件見圖6，智能配電的主要構(gòu)成部件見圖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，MTBF約5000，按照診斷覆蓋率99%來估算，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20萬次，參照遠(yuǎn)近光計算，F(xiàn)IT接近10萬。對于智能配電的半導(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。

當(dāng)負(fù)載發(fā)生故障時，傳統(tǒng)配電的熔斷絲熔斷需要ms級的時間，半導(dǎo)體器件的反應(yīng)速度可以達(dá)到μs級別。詳細(xì)數(shù)據(jù)對比可以參考圖8和圖9，在不同車速下，不同的響應(yīng)時間造成的整車滑行距離是有很大差別的，這個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、過流、過壓、欠壓、負(fù)載異常等）能及時、快速地上傳至整車。基于目前整車的網(wǎng)聯(lián)化的需求，通過T-BOX把數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)后，主機(jī)廠后臺服務(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。

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)智能化地實現(xiàn)自身預(yù)定的邏輯控制，也可以同步通過自身的總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整車共享，通過T-BOX傳輸大數(shù)據(jù)后臺用于運(yùn)行狀態(tài)或故障分析，實現(xiàn)車與車、車與服務(wù)器的網(wǎng)聯(lián)化，以及信息存儲的數(shù)字化。由于引入的總線系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的OAT（Over-the-Air Technology）軟件升級，滿足及時升級智能化的功能需求，通過軟件設(shè)定，可以匹配不同的輸出保護(hù)線束，方便產(chǎn)品設(shè)計的平臺化，便于同步車型的軟件化變更，實現(xiàn)不同車型同硬件平臺，大大縮減開發(fā)周期和設(shè)計研發(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)國產(chǎn)化加速替代，智能配電比2022年初設(shè)計時已經(jīng)有20%～30%的降價空間。伴隨著用量的擴(kuò)大，半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，未來還會有巨大的降價空間。

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負(fù)載、熔斷絲線束診斷及電池狀態(tài)檢測等功能，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