電動(dòng)汽車低壓系統(tǒng)一級配電eFuse技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題及對策研究

摘 要：隨著電動(dòng)汽車智能化水平不斷提升，傳統(tǒng)低壓電路保護(hù)手段難以滿足日益增長的功能安全需求。電子保險(xiǎn)絲（eFuse）憑借其反應(yīng)速度快、可重復(fù)使用、參數(shù)可調(diào)等多重優(yōu)勢成為新一代電動(dòng)汽車一級配電系統(tǒng)的理想選擇。文章首先介紹了eFuse的基本工作原理及其在現(xiàn)代汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并重點(diǎn)分析了電動(dòng)汽車低壓一級配電eFuse技術(shù)應(yīng)用中器件選型、參數(shù)整定、電磁兼容性設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)集成等關(guān)鍵問題，提出相應(yīng)的優(yōu)化對策，為eFuse在電動(dòng)智能汽車中的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 低壓系統(tǒng) 一級配電 eFuse 關(guān)鍵問題 對策

在以純電驅(qū)動(dòng)為主流的智能網(wǎng)聯(lián)汽車快速發(fā)展的大背景下，新一代電動(dòng)汽車的電子電氣架構(gòu)日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的機(jī)械式保險(xiǎn)絲+繼電器組合方案在故障響應(yīng)速度、在線診斷與維護(hù)等方面逐漸難以適應(yīng)日益提高的要求。作為實(shí)現(xiàn)車載智能化電源管理的核心器件，eFuse技術(shù)在現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝革新與車規(guī)級功能安全架構(gòu)的雙重驅(qū)動(dòng)下，為新能源汽車低壓配電系統(tǒng)的電路保護(hù)提供了一種全新的解決思路。國際新能源車龍頭企業(yè)特斯拉率先在其Model 3車型中大規(guī)模采用eFuse方案，但多數(shù)整車廠仍處于技術(shù)研發(fā)驗(yàn)證階段。eFuse在電動(dòng)汽車一級配電系統(tǒng)中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚需攻克器件可靠性、系統(tǒng)集成等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 電動(dòng)汽車低壓系統(tǒng)一級配電eFuse技術(shù)概述

1.1 eFuse的基本原理及優(yōu)勢

eFuse（Electronic Fuses，電子保險(xiǎn)絲）本質(zhì)上是一種應(yīng)用于電力電子及車載電氣領(lǐng)域的新型智能化集成電路器件，其核心是通過精確控制內(nèi)部高性能MOSFET功率開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載電流的變化，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)閾值實(shí)現(xiàn)高速、可重復(fù)的過流保護(hù)功能。此外，eFuse還集成了電壓檢測、芯片溫度監(jiān)控等多種狀態(tài)監(jiān)測功能，可實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的實(shí)時(shí)故障診斷。與傳統(tǒng)的機(jī)械式熔斷保險(xiǎn)絲相比，eFuse具有響應(yīng)時(shí)間快（通常小于1μs）、可多次復(fù)位使用、保護(hù)參數(shù)可靈活調(diào)節(jié)、體積小、多功能集成度高等顯著優(yōu)勢。以業(yè)界知名的英飛凌公司TLF35584車規(guī)級智能高低壓eFuse芯片為例，該器件可實(shí)現(xiàn)高達(dá)20A電流的連續(xù)可調(diào)限流保護(hù)，且恢復(fù)時(shí)間可編程設(shè)置，多參數(shù)熔斷觸發(fā)如表1所示[1]。

1.2 eFuse技術(shù)在汽車領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

作為國際新能源汽車行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，特斯拉公司早在2017年推出的Model 3車型中就率先大規(guī)模應(yīng)用了eFuse技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對全車12V低壓電氣系統(tǒng)的智能化保護(hù)與管理。隨后，特斯拉在其Model Y、Cybertruck等后續(xù)車型中持續(xù)推廣和迭代eFuse方案，引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)變革潮流。相比之下，傳統(tǒng)整車企業(yè)在eFuse技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程中略顯謹(jǐn)慎，多數(shù)尚處于技術(shù)研發(fā)、小批量驗(yàn)證階段。例如大眾汽車基于其MEB平臺(tái)開發(fā)的下一代電動(dòng)車型計(jì)劃于2020年代中期導(dǎo)入eFuse技術(shù)。在國內(nèi)市場，蔚來、小鵬、理想等造車新勢力企業(yè)也紛紛表達(dá)了在其下一代整車平臺(tái)中應(yīng)用eFuse的意向。值得一提的是，意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）近期推出了創(chuàng)新的VNF1x48 eFuse IC與低壓MOSFET解決方案。該方案將高集成度的eFuse控制器與先進(jìn)的車規(guī)級低壓MOSFET相結(jié)合，可以顯著提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性，同時(shí)降低整車線束復(fù)雜度和成本。這一方案有望加速eFuse技術(shù)在汽車行業(yè)的普及應(yīng)用。2025年標(biāo)桿方案對比如表2所示。

1.3 eFuse在電動(dòng)汽車低壓一級配電系統(tǒng)中的應(yīng)用形式

縱觀當(dāng)前業(yè)界eFuse器件及方案，其在車載系統(tǒng)中主要呈現(xiàn)出分立器件及單芯片高度集成兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式。分立式eFuse方案采用標(biāo)準(zhǔn)化的封裝器件，電路設(shè)計(jì)相對簡單，成本較低，但其功能可編程性受限，且在電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)方面難度較大[2]。以英飛凌公司的AURIX系列車規(guī)級MCU為代表的高集成eFuse方案可在單芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)包括過流保護(hù)、電源管理、LIN總線控制、CAN通信網(wǎng)絡(luò)診斷等多種功能的無縫集成，大幅簡化了整車線束設(shè)計(jì)，但相應(yīng)的器件成本較高。目前，eFuse在整車低壓配電系統(tǒng)中的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案尚無定論，仍需要整車企業(yè)根據(jù)其E/E架構(gòu)及成本效益等因素進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

2 電動(dòng)汽車低壓系統(tǒng)一級配電eFuse技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

2.1 器件選型問題

當(dāng)前市場上可供選擇的eFuse芯片型號和規(guī)格繁多，不同的應(yīng)用場景對器件的關(guān)鍵特性參數(shù)如導(dǎo)通內(nèi)阻、靜態(tài)功耗、功能集成度、EMC性能以及成本等提出了差異化的要求。例如在高壓大電流負(fù)載回路的過流保護(hù)中，設(shè)計(jì)者通常選擇分立式封裝的eFuse器件以獲得更優(yōu)的散熱性能和更低的導(dǎo)通損耗。而在面向整車的集中式配電控制場景，eFuse則需要集成電源管理、通信總線控制、故障診斷等多種功能，對器件的集成度提出了更高要求。此外，部分eFuse器件作為定制化的車規(guī)級產(chǎn)品，其供貨周期較長，難以完全滿足整車企業(yè)快速迭代開發(fā)的需求，如何在前期設(shè)計(jì)中統(tǒng)籌兼顧器件性能、成本與供應(yīng)鏈安全是一大挑戰(zhàn) [3]。

2.2 參數(shù)整定問題

作為一種智能化的過流保護(hù)器件，eFuse的參數(shù)整定涉及諸多關(guān)鍵因素，如負(fù)載額定工作電流、過流保護(hù)觸發(fā)閾值、故障響應(yīng)時(shí)間、復(fù)位條件等。在實(shí)際應(yīng)用中，這些參數(shù)的設(shè)定需要在保護(hù)靈敏度和誤動(dòng)作抑制能力之間進(jìn)行平衡優(yōu)化。一方面，eFuse需要能夠快速、準(zhǔn)確地檢測到危險(xiǎn)的過載故障工況并及時(shí)切斷電路，避免災(zāi)難性的后果。另一方面，負(fù)載啟動(dòng)涌流、瞬態(tài)浪涌干擾等正常工況不應(yīng)觸發(fā)eFuse的誤保護(hù)動(dòng)作，以提高系統(tǒng)可用性。此外，eFuse保護(hù)參數(shù)的整定還需考慮負(fù)載特性隨溫度等工況的變化、器件長期工作的參數(shù)漂移等現(xiàn)實(shí)因素，而這類復(fù)雜場景下的整定工作目前尚缺乏成熟、系統(tǒng)化的理論方法和仿真工具支撐。

2.3 EMC設(shè)計(jì)問題

相較于傳統(tǒng)的電阻式或可熔斷式保險(xiǎn)絲，eFuse作為一種高速功率開關(guān)器件，其靈敏的高頻開關(guān)特性在抑制過流故障的同時(shí)，也可能在電源線上引入難以避免的電磁騷擾。尤其在高壓、大電流負(fù)載的驅(qū)動(dòng)回路中，eFuse的開關(guān)di/dt幅值可能較大，須采取周全的電磁兼容性設(shè)計(jì)對策方能避免對毗鄰敏感器件的干擾[4]。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，eFuse器件布局布線的合理性、開關(guān)電流回路的最小化、良好的接地和屏蔽設(shè)計(jì)等諸多因素均會(huì)顯著影響系統(tǒng)EMC性能。此外，在存在多路eFuse器件的復(fù)雜系統(tǒng)中，如何協(xié)調(diào)不同eFuse單元在開關(guān)瞬間的EMI疊加是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)的課題。

2.4 系統(tǒng)集成問題

作為一種在汽車領(lǐng)域興起的創(chuàng)新型智能器件，eFuse在ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)成、車載通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜诤?、故障診斷策略的制定等方面仍缺乏成熟的行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。不同eFuse單元之間的級聯(lián)式分級保護(hù)機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)化通信及診斷協(xié)議等關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步創(chuàng)新與驗(yàn)證。此外，在當(dāng)前電動(dòng)汽車主流的集中式域控制架構(gòu)下，嵌入eFuse方案通常意味著需要對既有的整車E/E架構(gòu)進(jìn)行軟硬件層面的升級改造，相關(guān)開發(fā)成本不容忽視。最后，eFuse面向未來智能電動(dòng)汽車需長期工作在高溫、高濕、振動(dòng)等惡劣工況下，對器件的長期可靠性提出了遠(yuǎn)高于消費(fèi)類電子的苛刻要求，這對整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈從器件到封裝再到系統(tǒng)集成的可靠性設(shè)計(jì)能力都是一大考驗(yàn)。

3 電動(dòng)汽車低壓系統(tǒng)一級配電eFuse技術(shù)應(yīng)用對策

3.1 優(yōu)化器件選型，提高適用性和可靠性

針對電動(dòng)汽車低壓系統(tǒng)中不同類型負(fù)載的電氣特性差異，有針對性地選擇分立式或高度集成的eFuse器件方案。對于需要重點(diǎn)保障的關(guān)鍵器件，應(yīng)優(yōu)先選用通過AEC-Q等車規(guī)級可靠性認(rèn)證的產(chǎn)品，以適應(yīng)惡劣工況的長期工作需求。鼓勵(lì)eFuse方案供應(yīng)商與整車廠開展定制化開發(fā)合作，縮短供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，提高響應(yīng)速度和產(chǎn)品契合度。在具體選型時(shí)，建議將電源管理、LIN/CAN通信等功能盡量集成到單一的微控制器（MCU）芯片內(nèi)，以減少器件總量，提高系統(tǒng)可靠性。生產(chǎn)供貨階段則應(yīng)采用加強(qiáng)篩選、加速壽命試驗(yàn)等手段，對eFuse器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選與老煉，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量與成品率，極端工況測試如表3所示。

3.2 合理整定參數(shù)，平衡保護(hù)靈敏度和誤動(dòng)率

建立完善的eFuse保護(hù)參數(shù)整定流程，首先需要通過對系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，精確識(shí)別各類負(fù)載在啟動(dòng)涌流、堵轉(zhuǎn)等瞬態(tài)工況下的典型電流波形特征。在此基礎(chǔ)上，合理劃分故障的嚴(yán)重等級（如預(yù)警、限流、斷開），并匹配不同等級對應(yīng)的eFuse保護(hù)動(dòng)作邏輯。應(yīng)充分挖掘eFuse多參數(shù)可調(diào)的特性優(yōu)勢，開發(fā)自適應(yīng)整定策略，根據(jù)故障類型與嚴(yán)重程度，動(dòng)態(tài)優(yōu)化觸發(fā)閾值、響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，建議開發(fā)專用的參數(shù)整定工具軟件，支持根據(jù)仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行快速迭代優(yōu)化，在故障檢測的靈敏度與誤動(dòng)作抑制能力之間尋求最佳平衡點(diǎn)[5]。

3.3 加強(qiáng)EMC設(shè)計(jì)，確保電磁兼容性

在eFuse器件與外圍驅(qū)動(dòng)電路的PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先考慮合理的板級布局布線，對電源、地、信號等關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行針對性優(yōu)化。采用緊湊的布線策略，最小化開關(guān)電流環(huán)路面積，抑制寄生電感耦合。高低壓信號走線應(yīng)嚴(yán)格隔離，并對eFuse的驅(qū)動(dòng)信號及采樣反饋信號線進(jìn)行必要的屏蔽處理。對于功率密度較高的場合，宜在eFuse器件輸入端外掛RC或LC型濾波電路，抑制高頻開關(guān)噪聲的傳導(dǎo)。在系統(tǒng)集成階段，應(yīng)統(tǒng)籌優(yōu)化eFuse器件的拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)，避免因不當(dāng)布局引起的電磁耦合干擾。并通過與整車的協(xié)同仿真，對eFuse在特定線束布置下可能產(chǎn)生的輻射騷擾，制定有針對性的抑制方案。

3.4 優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能化集成

面向未來智能化電動(dòng)汽車的一級配電系統(tǒng)，eFuse器件應(yīng)結(jié)合車載高壓與低壓網(wǎng)絡(luò)的功能域劃分，對負(fù)載回路進(jìn)行分區(qū)域、分級別智能保護(hù)，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的能量分配管理策略。電池管理系統(tǒng)（BMS）、DC/DC變換器等重要節(jié)點(diǎn)的eFuse器件應(yīng)盡量布置在靠近負(fù)載設(shè)備的分支末端，縮短布線長度，降低線纜阻抗。車載通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)基于雙絕緣CAN總線等高可靠物理層，實(shí)現(xiàn)eFuse監(jiān)控、控制、故障診斷等功能的無縫集成。對關(guān)鍵的eFuse單元應(yīng)設(shè)置硬件冗余，提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力。同時(shí)，整車eFuse系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留遠(yuǎn)程升級接口，支持軟件的空中下載（OTA），實(shí)現(xiàn)故障修復(fù)與功能擴(kuò)展。

3.5 完善診斷策略，增強(qiáng)故障定位和隔離能力

智能化的eFuse器件應(yīng)具備實(shí)時(shí)診斷與故障記錄等先進(jìn)功能，通過內(nèi)置的檢測電路對負(fù)載電流、電壓等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)施持續(xù)監(jiān)測。一旦發(fā)生故障，eFuse應(yīng)能夠快速判斷故障類型和嚴(yán)重等級，并采取相應(yīng)等級的保護(hù)動(dòng)作，如報(bào)警提示、限流控制或直接切斷故障回路。通過在eFuse中集成CAN收發(fā)器、LIN 收發(fā)器等通信接口，可實(shí)現(xiàn)與整車故障診斷系統(tǒng)的信息交互，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精確定位。此外，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展基于eFuse的設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測性維護(hù)技術(shù)，及時(shí)更換性能退化的器件，消除潛在安全隱患。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)化供電架構(gòu)下，還應(yīng)開發(fā)智能化的多eFuse協(xié)同管理策略，使故障發(fā)生時(shí)相鄰的eFuse器件能快速識(shí)別并隔離故障支路，避免局部失效演變?yōu)闉?zāi)難性的級聯(lián)故障。

4 結(jié)語

隨著自動(dòng)駕駛、48V系統(tǒng)、中央控制線束化等技術(shù)的不斷發(fā)展，eFuse有望成為新能源汽車低壓一級配電系統(tǒng)的新寵。據(jù)預(yù)測，中國eFuse市場規(guī)模有望從2023年的13億元人民幣增長到2030年的149億元，年復(fù)合增長率將達(dá)到41%。憑借軟硬件集成的優(yōu)勢，汽車電子廠商將成為eFuse應(yīng)用的主力軍。隨著智能汽車電子電氣架構(gòu)的變革，eFuse在保護(hù)、診斷、控制、節(jié)能等方面的優(yōu)勢將進(jìn)一步凸顯，可以使能下一代面向智能與安全的車用電源管理系統(tǒng)。eFuse作為智能汽車電子電氣架構(gòu)變革的重要組成部分，其廣闊的應(yīng)用前景正在吸引越來越多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

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