整车智能配电系统
整车智能配电系统
背景
随着国家政策引导及核心零部件软件技术的成熟应用，汽车电动化与智能化渐成主机厂共识，消费者购车时的考量也从传统的性能指标，转向以智能车机、自动驾驶为代表的智能化体验视角。当行业供需两端的关注点逐步由性能转变至智能时，汽车创新的核心亦从“动力引擎”发动机转移到“计算引擎”半导体。
一、汽车电网安全的重要性
随着人们生活质量的提高，汽车在现代社会中越来越普及，而随着汽车保有量的持续增长，道路交通安全事故也越来越多，为了减少安全隐患，除了不断完善道路安全法规、加大全民驾驶教育力度，对于OEM来说加强汽车安全设计也是必不可少的。近年来智能汽车、互联网等技术的兴起也使得汽车安全技术的发展面临全新的局面。
首先，电网是什么？发电、供（输、配）电、用电组成电力系统，而电力网包括供电和用电。
其中供电系统是汽车正常运行的基础，随着人们对汽车舒适性和娱乐性需求的提高，汽车的电子电器设备迅速增加，导致了电池易过放电、能源消耗增多、供电线束复杂、供电安全性降低、故障诊断困难等问题。
汽车配电分为低压配电与高压配电两种，故其对应的控制装置(Power Distrubition Unit)也分为两种，即低压PDU与高压PDU。本文简述了低压PDU，高压PDU移步：深入解读PDU/BDU，做好高压配电管理。
二、汽车电网现状
传统的开关–继电器组合的机械式控制方式使得车上的供电回路繁多复杂，供电安全存在更多的隐患，另一方面目前汽车用电器的供电系统未对供电状态和用电信息进行任何的监测和控制，更加无法实现系统的智能化安全管理。
因此利用信息通讯等技术对发电、配电、用电过程中所有节点实时监控，实时获取整个电网的全面信息，实现了汽车供电系统的智能化、网络化，能够有效解决电池管理、能源优化、故障诊断、用电安全等一系列问题。
三、半导体特点
在半导体中最基本的单元是“PN结”，具有单向导电性，当P端加一个正电压，N端接地，且当这个电压足够大时，两端就会有电流产生，接反或电压达不到临界值时，便不会导通，这便是二极管的工作原理。其导电可控性使半导体在集成电路中得到广泛应用。
功率半导体通过半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换功能。按照驱动形式，可将功率半导体分为电流驱动型、电压驱动型、光驱动型。
芯片设计中，生产的最小单位是MOS管，通过MOS管组合封装后就是我们想要的芯片了。
MOS管又分为N通道MOS管和P通道MOS管，在实际应用中NMOS由于其优良特性而被更广泛的使用。总的来说，当NMOS的输入端为高电平时，场效应管导通，输出端接地。可很好地用作低端驱动回路。相反PMOS的输入端为低电平时，场效应管导通，输出端接电源正极，可很好地作高端驱动。但由于导通电阻大，价格贵，交流种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。
图：NMOS导通原理图
四、半导体在汽车上的应用
半导体在现有传统电路的多处发挥着重要的作用，其中跟安全相关的有：在继电器的线圈旁并联一个保护二极管，在仪表电路中利用稳压管，保证稳压管两端的电压维持一定的电压值基本不变。
目前汽车中使用最多的半导体产品分别是传感器、MCU和功率半导体，随着汽车自动驾驶和智能座舱的快速发展，算力更高的SoC芯片需求也将越来越高。
当半导体应用在配电系统中时，与传统配电的元器件对比：
传统的配电系统，整车通过各插线式或PCB式电器盒（传统保险丝和继电器组成）完成对用电器的电源分配工作，适用于当前市场上大部分车型，对应的电气架构和控制逻辑相对来说较简单。各档位下负载回路通过对应ECU控制继电器线圈端电压来实现通断，包括IG继电器、ACC继电器、灯光继电器、喇叭继电器等，还有一些常电需求的负载直接通过保险丝接蓄电池正极。
图：传统电器盒
为应对更复杂更庞大的电气架构和控制逻辑，更小、更轻、更智能、更容易安装的智能电器盒出现了。特斯拉从MODEL 3开始就采用了MOSFET替代保险丝和继电器的智能电器盒方案，目前国内各OEM也对此技术开始进行预研。
图片来源网络
半导体器件对比传统保险丝和继电器的优势：
以传统保险丝为例，假设使用10A的片式保险，一般来说实际负载回路稳态电流最大也就6A左右，而当回路异常电流达到160%也就是16A时，保险丝的熔断时间在0.25~50s内。
图：MINI保险规格书
1、传统的保险丝在断开保护时导电的熔丝会熔断或者被破坏，因此永远无法再使用。
2、过流和短路保护速度慢，线束和用电器长时间大电流情形下会加速老化，对电路极其不利。
3、保险丝作为传统的电器件，无法实现诊断功能。
4、保险丝的寿命一般在10万次左右。
E-Fuse是一种集成MOSFET的有源电流保护器件，主要元件是一个用于调制负载电流的电源开关、一个电流感应元件和控制逻辑。
图：智能MOSFET控制器电路
1、半导体器件的关断操作是通过打开和关闭内置的MOSFET来实现的，因此可以重复使用。
2、能实现电流、电压检测功能，且精度能达到5%。
3、优良的电路保护功能：
. 过压保护：将VOUT保持在设定限制值内，并防止过电压作用于后级负载电路。
. 过流、短路保护：相比传统保险丝在过流保护上的精度低和反应慢，E-Fuse能够在IOUT短时间内大幅超过限制电流时，迅速切断回路，时间仅150us，降低回路损害的风险，待回路恢复正常或施加一个外部使能信号后再接通。
. 欠压锁定：与输入电压过高相反，当输入电压比E-Fuse工作电压低时，E-Fuse可能会出现故障，当VIN低于E-Fuse工作值时，它会停止工作。
. 热关断：过流、过压情况下都会产生大量的热量，当温度超过一定值时，E-Fuse关闭不输出，从而保护E-Fuse。
. 反向电流阻断：对芯片来说，最影响其使用寿命的因素就是过压和反接，情况严重可能会击穿芯片，毁掉整个电路板。对于感性负载产生的反向电压，可以采用一个NMOS实现反向电流阻断功能，实例中我们可以直接选用内置MOSFET用于反向电流阻断的E-FUSE，也可使用E-FUSE和外置MOSFET的组合方式来实现反向电流阻断功能。
五、极氪智能配电系统
ZEEA 3.0上将整车所有负载划分到不同的Zone(域)控制器中，MCU根据各用电器上下电逻辑，通过各半导体器件对回路通断、回路检测、回路保护进行有效且及时的管理。
整车智能配电框图
汽车上单颗智能MOSFET行业的标准阈值为30A，在实际设计中30A以上的大电流用电器仍然采用传统保险丝方案。
对于常电回路可使用E-Fuse的低功耗工作特性以降低休眠电流，选择E-Fuse+外置MOSFET方案，可直接通过软件来设置过流保护的电流限值大小，有利于硬件的平台化应用。此方案结合了过压、过流、短路和热保护等一系列内置保护功能，能够实现传统熔断器无法实现的各种高性能、高精度保护。E-Fuse还具有诊断功能，例如电源正常、电流监控、使能和报错，当电路出现异常时会发送外部信号，能够更加轻松监测出潜在故障，有效地降低维护成本和维修恢复时间，非常电使用HSD（High Side Driver高边驱动），此方案在车载小电流负载控制方面已被广泛应用。
采用叠板设计，I/O和电源分开布置，能够有效地解决温升问题。
Zone控制器PCB板分层设计
对整车带来的好处：
1、便于整车能源管理
作为智慧电网的基础支持，采用这些可编程的半导体器件分别控制每个回路后，不再像传统电器盒通过继电器将整车分为OFF、ACC、ON档，且每个档位下规定好对应的负载，而是可实现整车复杂的VMM（Vehicle Model Management），并且当需要设计变更时，还可支持OTA（Over-the-Air Technology空中下载技术）升级。
2、主动检测，降低维修成本
实现配电及负载的闭环控制，通过电流/电压检测，实现故障诊断、存储，且故障断开后可自恢复无需更换器件。
3、开启状态功耗小
传统保险丝加继电器回路能源损耗＞1W，而E-FUSE回路能源损耗＜0.5W，为整车节省能源，有利提升续航里程。
4、降低线束复杂性，减少线束重量
上面讨论保险丝和半导体器件性能时讲过，保险丝因其保护不精确，导致线束裕量很大，而半导体器件因其精确的电流检测性能，可以准确识别线路过载及短路故障，做到可靠保护，进而降低对线径裕量的要求。同时根据下图可以看出采用智能配电盒方案可以省去配电盒到 ECU 和继电器控制回路，这样又节省了线长。
E-Fuse、传统保险丝、线束熔断特性图
5、减少安全事故的发生
对于很严重的火烧车事故，从电气故障上来看主要原因是：一是内部电气线路短路引起火灾。电源线相接或相碰撞、电气线路接触电阻过大发热将绝缘层引燃起火引起火灾；二是线路接点接触不良，局部电阻过大发热使导线或接点受热熔化，引燃导线或周围的可燃物引起火灾；三是蓄电池内的电流倒回发电机，使发电机线圈产生高温引起火灾。结合上面所提到的半导体器件拥有卓越的电气保护特性来看，此设计能够及时断开故障回路，避免大量热量的产生，从而降低火烧车的风险。
6、满足功能安全需求
电源回路功能安全等级ASIL B，可支持L4自驾ASIL D需求。
六、总结
越来越多的智能化功能对电路的安全等级有了更高的要求，半导体在整车上的需求也将增加，在整车电路中发挥着越来越重要的作用。
材料的日新月异，势必会把电动汽车推上高潮。