淺談低壓電源分配系統在整車新四化 加持下的發展趨勢

劉 誠，何 為

（威馬汽車科技集團有限公司，四川 成都 610101）

當前汽車產業發展迅猛，而整車新四化已成為主要的發展趨勢，即汽車電動化，智能化，網聯化，共享化。電動化是基礎，代表的是一場能源革命，智能化是目標，代表智能革命，網聯化是手段，代表的是互聯革命，三化融合發展，共同促進出行方式變革，帶來共享化，成為一場消費的變革。

在整車新四化趨勢下，整車電器功能越來越多，功能安全要求也越來越高。作為電器功能運轉的基礎，電源分配系統也在順應趨勢的變化而不斷進化。

1 低壓電源分配系統介紹

電源分配系統，包含線束和保險盒兩部分，在車型電路設計開發時線束和保險盒是需要同時考慮的，它們是相互關聯的。

線束：汽車線束常被比喻成汽車的神經網絡系統，汽車線束是汽車電路的網絡主體，沒有線束就不存在汽車電路。汽車線束主要由電線、連接器和包裹物等組成，主要功能是傳輸和分配汽車電源與信號。

保險盒：由塑料殼體、上下蓋、匯流條、接插件、直插式或印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）、保險絲及繼電器等物料組成，主要作用是分配電流[1]，將蓄電池的電流通過不同的保險絲及繼電器輸出到不同的孔位，再通過線束連接輸出到不同用電器[2-3]。

2 整車低壓電源分配系統的現狀

2.1 重量較大

目前車輛上的功能成倍增加，車內的傳感器、執行機構、各種電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）的數量呈現爆炸式的增長，整車使用的保險絲及繼電器數量也增多，整車線束承載的功能需求愈加龐大、復雜，車輛需要更多的回路來驅動各個用電器，這就導致整車重量增加。

2.2 電流控制不精確

傳統保險絲是在回路電流異常增大時通過發熱熔斷來保護回路的，但保險絲額定電流跨度大（如常用的25 A、30 A、40 A、50 A，無32 A、36 A、48 A等規格），如圖1所示，不能按照用電器的額定工作電流完全精確的匹配安培數，按照目前傳統的設計方法都是需要提高保險絲的設計冗余量。保險絲和導線線徑也是有對應的匹配關系的，保險絲的作用是保護導線不被燒壞，所以導線的承載電流的能力是要高于保險絲的，所以整體的電源分配系統的承載能力較實際用電器工作時的回路電流是有冗余的。

保險絲依靠過流發熱熔斷保護，熔斷時間也有長短，以目前市面上常用的快熔保險絲為例，160%的電流最短0.25 s熔斷，最長50 s熔斷，若在此期間用電器承受不住過電流而發生故障或燒蝕，嚴重的也會引起車輛拋錨或燒車等問題（盡管保險絲的作用是保護導線而不是用電器），如表1和表2所示。

表1 保險絲產品規格書

表2 熔斷特性

保護時間受環境溫度變化影響，環境溫度越熱，保險絲熔斷的越快，保護精確性也有所降低[4]。

2.3 系統無法自行檢測

使用傳統保險盒的車型，保險絲和繼電器是被動元器件，是沒有狀態監控和故障診斷的，保險絲供電和繼電器控制也是開環的，在回路內的實際電流系統是無法監測的。其次保險絲只能保護短路，對較小的過電流基本不會熔斷，如表1所示，保險絲對110%的電流都不能熔斷，若用電器已出現故障，持續以110%的額定電流工作，系統是無法檢測到故障的，直到用電器發生故障[5]。

2.4 系統無法功能迭代

傳統的保險盒由于設計理念及結構限制，電源分配狀態在設計完成后就凍結了，為保證保險盒在不同車型上的兼容性會預留一定的保險絲和繼電器孔位。功能固定，不能升級，設計驗證復雜，驗證周期長，基本上一款保險盒開發出來后會沿用至多款車型，若新車型配置變化較大或原理架構不同，則保險盒無法適配，需要重新開發，使用靈活性差。

3 電源分配系統的要求及發展方向

3.1 保險盒輕量化

一個高邊驅動（High Side Drive, HSD）的開關芯片可以替代一個繼電器加一個保險絲，實物可參如圖1、圖2、圖3所示。一顆芯片和一個快熔保險絲的重量相當，約1 g，一個繼電器的重量約30 g，若用芯片替換繼電器+保險絲，在相同功能的情況下，智能保險盒的重量是要輕于傳統保險盒的。

圖1 HSD芯片實物圖

圖2 保險絲實物圖

圖3 繼電器實物圖

目前基于半導體器件的配電方案根據應用場景有兩種：

1）驅動芯片+金屬氧化物半導體場效應管（Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transis- tor, MOSFET）分立方案。這種方案的復雜度較高，且該方案的綜合成本較高，適用于大電流場合。

2）HSD智能高邊開關集成方案，此方案限于小電流負載應用（＜25 A），成本低，可靠性高。

器件級的小型化及輕量化是保險盒小型化及輕量化的基礎，相同功能下，智能保險盒較插線式保險盒體積減少約10%，重量降低約20%，通過控制器域網 （Controller Area Network, CAN）、本地連接網絡（Local Interconnect Network, LIN）通訊可有效減少導線數量[6]。

3.2 線束輕量化

電子化后的智能保險盒，在設計上做到了極大的優化，配電融合了控制，配電盒變成了ECU，ON檔、KL15等信號線也可以省掉，負載到蓄電池只經過了一個半導體器件控制，線束回路得到了極大的簡化，保險盒繼電器控制回路和繼電器的保險絲回路也省掉了，回路優化帶來的線束長度節省當然會減輕線束重量，如圖4和圖5所示。另一方面，智能保險盒也可以一定程度減小導線線徑。上面討論過，保險絲因其保護不精確，導致線束冗余量很大，而半導體器件因其精確的電流檢測性能，可以準確識別線路過載及短路故障，做到可靠保護，進而降低對線徑冗余量的要求。

圖4 傳統保險盒電源分配圖

圖5 智能保險盒電源分配圖

3.3 整車架構發展趨勢

過去電子架構主要是分布式電子電氣架構，每個功能有獨立的ECU，目前主要是域集中電子電氣架構，功能集中化，域融合，未來的發展趨勢則是車輛集中電子電氣架構，云計算。以特斯拉為代表的電動車，采用域控制器集成的網絡架構，相比較分布式的電子電氣架構，整車線束用量有一定程度的減少。

例：左右前大燈控制回路，在采用分布式電子電氣架構時，左右前大燈的控制由車身控制器 （Body Control module, BCM）控制，驅動回路由BCM控制保險盒內的繼電器吸合，再由繼電器分別輸出電流至左右前大燈驅動大燈點亮，而采用域控方案，左右前大燈直接通過前域控制器驅動點亮，節省了導線及繼電器，如圖6和圖7所示。

圖6 分布式電子電氣架構圖（前大燈控制回路）

圖7 域控制電子電氣架構圖（前大燈控制回路）

3.4 使用鋁導線

鋁供應量充足，容易獲取，而銅資源有限，鋁的價格約為銅的價格的三分之一，線束應用整體價格可降10%～15%。以鋁節銅、以鋁代銅技術分析：鋁重量較銅輕三分之二左右，但鋁的電導率只有銅的64%，采用線徑更大的鋁導線替代銅導線可實現等效替換[7]。性能對比如表3所示。

表3 銅、鋁性能對比表

3.5 智能化

智能化主要是針對保險盒，保險盒實現遠程升級，從功能角度看，軟硬件實現了分離，硬件可以隨著需求的變化被軟件重新定義，而不用修改硬件本身。單個HSD芯片即可取代1個保險絲加1個繼電器，同時實現可控開關和線路保護及診斷功能，且功能更多、更智能、更可靠。

保險盒通過軟件控制，將保險絲和繼電器通過MOSFET及HSD芯片替換，將保護和控制融合，意義極大。其優勢就是，每條線路都變得可以獨立控制了，針對每條線路單獨編程控制了，這樣可以更精確地做電源分配管理，也可以根據不同的用電器的使用場景設定具體的通斷條件[8]。

基于半導體器件的配電帶來的另一個優勢就是，原來開環的電路，現在可以做到閉環了。每一條線路都是可以監控，可以診斷，且信息可聯網，整車每一路電流、電壓都能隨時監控，負載工作狀態一目了然，可以在車輛出現故障時及時預警，并可快速提供故障分析。監測每條回路的電流情況，又可以幫助主機廠更有效的掌握客戶駕駛習慣及情況，給車企在后續的車型設計上提供參考[9]。

相比較傳統的保險盒，集成了半導體及芯片的電氣盒能夠實現更多的功能，如表4所示。

表4 傳統/智能保險盒功能差異對比

3.6 提升可靠性，提升功能安全等級

參考特斯拉 Model 3的配電架構，其有雙供電電源+雙接線柱輸入的高可靠性。兩個輸入電源從兩個獨立的接線柱進入前域控制器，而目前傳統的保險盒是單線輸入的，特斯拉的可靠性較好。比較說明如下：

1）針對單路開路故障，兩者基本等效，任意一個電源失效，都不影響供電。

2）針對單路短路故障：① 傳統設計是雙電源在蓄電池正極并聯，單線輸入保險盒，短路可能導致供電失效，如圖8所示；而雙獨立供電電源方案是兩個電源接線柱，如圖9所示，可靠性明顯更高。② 傳統供電即使雙線進入配電盒，并加雙保險，因保險保護速度問題，電源可能會瞬時被拉低到欠壓，導致供電故障。自動駕駛要求供電支路故障快速關斷，隔離時間在100 μs左右，保險絲顯然無法做到，而半導體的保護動作速度可以快至10 μs級別。

圖8 傳統電源分配圖

雙獨立供電電源方案，其電源分配架構及負載控制全部采用半導體器件，電源分配架構充分考慮了目前高度自動駕駛輔助系統供電及控制功能安全所需要的電源冗余要求。例如其12 V電池的電源（BATT+）和高壓直流/直流（Direct Current/ Direct Current, DC/DC）模塊輸出的12 V電源（DC/ DC IN）組成電源輸入冗余，如圖9所示。

圖9 雙獨立供電電源分配圖

從性能對比可以看出來，基于半導體器件的智能保險盒，無論是從壽命、維修頻率、工作溫度變化、應用范圍、開關速度、保護速度等，其性能均全面超越傳統保險盒，如表5所示[10]。

表5 傳統/智能保險盒性能差異對比

4 結束語

在快速發展的當下，整車低壓電源分配系統的進化已逐漸拉開序幕，智能化、輕量化將成為下一階段的發展重點，提升可靠性，能夠自我診斷、檢測并持續迭代的電源分配系統會為整車四化的發展助力，推動整車行業快速向前發展。