汽車智能配電單元的研究

【摘? 要】智能配電單元是一種應用于汽車領域的低壓電源管理系統，通過集成智能熔斷絲eFuse將低安全等級負載與高安全等級負載分開，以此來確保高安全等級負載的供電安全。文章主要闡述一種汽車智能配電單元的設計方案，主要介紹其設計原理以及設計優缺點，方便設計人員針對不同車型適配不同電網功能安全的解決方案，為整車的輕量化、智能化、網聯化提供可靠的設計基礎，以便滿足日益復雜的汽車系統需求。

【關鍵詞】智能配電;IDU;智能熔斷絲;eFuse

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標識碼：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，天海研究院研發經理，主要從事汽車電子控制器設計工作。

1? 引言

據統計，每年全球約有500萬輛汽車因為電源網絡故障而召回，電網功能安全越來越受到關注。在車輛功能不斷電子化的今天，電網失效會對車輛功能產生很大的影響，尤其是對于駕駛輔助或自動駕駛相關功能。對于手動駕駛的汽車來說，當電網發生故障時，轉向助力系統首先失去功能，在轉向系統失去助力的瞬間，駕駛員會突然對轉向失去控制，造成事故。對于自動駕駛的汽車來說，電網失效通常會造成自動駕駛系統的失效，如果駕駛員不能及時接管車輛，車輛將會失去控制，造成嚴重事故。由此，車輛電網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功能安全及冗余需求。

智能配電單元是一種應用于汽車領域的低壓電源管理系統，旨在提高整車電網的功能安全和可靠性。該系統通過隔離開關和集成智能熔斷絲eFuse，將低安全等級負載與高安全等級負載分開，確保高安全等級負載的供電安全。此外，智能配電單元還支持回路電壓、電流診斷和溫度監測等功能，進一步提高電網功能安全。相對于傳統配電來說，其優點主要有：減少整車線束復雜程度及線束質量、高可靠性、高防護等級、高安全性、網聯化、數字化、平臺化和快速化等。該平臺適用于傳統燃油車或新能源汽車12V電網，且適用于各種電子電氣架構，是一種能適配不同車型的多樣化解決方案。

2? 設計原理

智能配電單元的系統架構包括進電部分、PPU單元、MCU、Pre Driver、MOS、采樣電阻、運放、ADC采集器、NTC、Voltage-Diagnosis等組件。智能配電單元的系統架構如圖1所示。

本設計的進電部分DC/DC和MBAT進入控制器后，通過PPU單元后合成控制器內部的MP電源，MP電源分別給An、Bn負載進行供電。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進行控制和管理。因此An和Bn的負載控制回路（供電和斷電）、診斷回路全部按照ASIL B設計。同理，進電部分DC/DC和ABAT進入控制器后通過PPU合成控制器內部的EP電源。EP電源分別為An和Cn負載進行供電。掛在EP的供電輸入回路、輸出回路、診斷回路全部通過MCU B進行控制和管理。因此An和Bn的負載控制回路和診斷回路全部按照ASIL B進行選型設計。

如果負載供電需要滿足ASIL D的需求，則掛在An的位置，通過MP和EP進行雙電源供電來滿足ASIL D的需求，同步通過內部軟件協調CAN1和CAN2的輸入信息同步控制An負載的供電。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單獨供電的Bn、Cn。通過CANI和CAN2的輸入控制信息單獨控制Bn和Cn的供電或者斷開，即可滿足ASIL B的功能安全需求。

因此只需要硬件設計的輸出回路的數量滿足實際輸出負載回路的需求，可以根據實際的需求，通過軟件來配置實際的輸出負載的需求ASIL B和ASIL D的數量即可。

DC/DC和BAT進入IDU后，經控制單元控制和驅動進行診斷和控制，該單元簡稱PPU（Power Protection Uint）單元。PPU控制單元內部架構圖如圖2所示。

MBAT主蓄電池電源進入IDU控制器，通過MOS和采樣電阻進到MP電源，為整個控制器的外部負載進行供電。同步采樣電阻的電流信號經過運放和ADC采集器進入到MCU進行定時監測。MCU通過控制信號控制Pre Driver進行MOS的開關控制。同時Pre Drviver同步內部比較器采集NTC的數據轉換為溫度數據，發送給MCU。MBAT的進電電源經過Voltage-Diagnosis采集電壓信號送入MCU。MCU運算所有的數據信息通過CAN外發至整車的網關系統。

睡眠狀態下，MCU實施監測采樣電阻的電流，如果該數據超過額定數據的1.5倍（可以軟件設定），則喚醒IDU控制器，對所有睡眠狀態下輸出電流的控制器電流進行采集，并對比設定數據，比對出電流大于額定數值的負載執行關閉動作。同步通過CAN通信線，上傳該負載通道靜態電流異常的故障信息，利用準確定位故障通道的負載來進行精確的定位維修。該電流的監測間隔和監測閾值可以通過軟件設定來適應不同的設計平臺的需求。

根據以上系統架構原理設計的實物示意圖如圖3所示。

3? 產品的優缺點

為了更準確理解全智能配電單元的優勢，首先需要認識傳統配電和智能配電的基本原理。圖4為傳統配電原理圖，圖5為智能配電原理圖。

傳統配電主要由熔斷絲、繼電器和結構件組成，目的是保護配電輸出的線束不被燒蝕。智能配電的主要構成部件有半導體功率器件、半導體預取、控制器和結構件，目的同傳統配電一致，都是保護輸出線束。智能配電相對于傳統配電的優點如下。

1）減少整車線束復雜程度和線束質量，為輕量化和低成本化做貢獻。傳統電器盒使用熔斷絲保護線束。由于熔斷絲的保護需要靠發熱，其保護時間隨環境溫度變化而變化，外面越熱，熔斷得越快，導致保護很不精確。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。因此對應的保護線束設計時，需要考慮比較多的余量設計，以及導線規格大一些的型號。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。而智能配電用的是半導體元器件，能準確采樣流過半導體的電流，精確進行I 2 t的曲線保護，不需要過多余量設計。因此經過智能配電后同負載的情況下線徑變細，進而降低線束的質量，做到整車線束的輕量化。而智能配電內置半導體，自身可以通過總線來根據實車狀態變化進行電源控制，省去外接控制線束，因此，有利于減少線束設計的復雜程度和線束質量。傳統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、高防護等級、高安全性。為了更好理解傳統配電和智能配電，需要了解其對應的配電主要構成部件。傳統配電的主要構成部件見圖6，智能配電的主要構成部件見圖7。

傳統配電主要部件為熔斷絲和繼電器，熔斷絲負載的I 2 t參數在熔斷額定I 2 t的20%以內，熔斷壽命105，按照遠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，FIT值還有2000，遠超功能安全ASIL B的FIT 10。而繼電器機械壽命20萬次，參照遠近光計算，FIT接近10萬。對于智能配電的半導體器件，壽命一般高達1015以上，FIT約2。因此從功能安全層面而言，傳統配電盒無法達到基本的ASIL B要求，智能配電有極其高的可靠性。

由于傳統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到IP54，而智能配電均為半導體器件，因此可以輕松達到IP67，甚至更高的防護等級。

當負載發生故障時，傳統配電的熔斷絲熔斷需要ms級的時間，半導體器件的反應速度可以達到μs級別。詳細數據對比可以參考圖8和圖9，在不同車速下，不同的響應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）智能配電具有網聯化、數字化、平臺化和快速化特點。智能配電內置運算MCU和通信單元，可以和整車進行數據交互，即智能配電的所有采集信息（電流、電壓、過流、過壓、欠壓、負載異常等）能及時、快速地上傳至整車。基于目前整車的網聯化的需求，通過T-BOX把數據上傳云服務后，主機廠后臺服務器進行數據的搜集、分析、警示等功能。智能配電內部信息采集如圖10所示，整車信息網聯化如圖11所示。

智能配電可以與內部的控制器MCU同步進行電流、電壓、負載變化等信息的搜集，根據搜集的數據智能化地實現自身預定的邏輯控制，也可以同步通過自身的總線系統數據信息進行整車共享，通過T-BOX傳輸大數據后臺用于運行狀態或故障分析，實現車與車、車與服務器的網聯化，以及信息存儲的數字化。由于引入的總線系統可以實現遠程的OAT（Over-the-Air Technology）軟件升級，滿足及時升級智能化的功能需求，通過軟件設定，可以匹配不同的輸出保護線束，方便產品設計的平臺化，便于同步車型的軟件化變更，實現不同車型同硬件平臺，大大縮減開發周期和設計研發費用。

然而智能配電產品成本比傳統配電昂貴，但根據國產化加速替代，智能配電比2022年初設計時已經有20%～30%的降價空間。伴隨著用量的擴大，半導體技術的成熟，未來還會有巨大的降價空間。

4? 結論

該智能配電的產品功能豐富，具有隔離低安全等級負載、熔斷絲線束診斷及電池狀態檢測等功能，其安全性高，最高可滿足整車電網ASIL D要求;擴展性強，適用于多種電子電氣電網架構，提供適配不同車型的多樣化電網功能安全解決方案，為整車的輕量化、智能化、網聯化提供可靠的設計基礎，以滿足日益復雜的汽車系統需求，為汽車工業的未來發展做出貢獻。

參考文獻：

[1]ISO 26262：2018，Road vehicles-Functional safety[S].

（編輯? 凌? 波）

收稿日期：2023-12-01