本文將著重介紹汽車產業應改良現有配電架構的原因,描述可做出的改變,並說明此次變革將帶來哪些益處。

當今正在經歷的電氣化

當今正在經歷的車輛電氣化對所有車輛系統都產生了影響,並且為汽車配電架構革新提供充分理由。推動電氣化浪潮的三股主要力量包括:「連網汽車」模型、新動力系統與法規,以及已獲得市場研究人員認可平台的全球化與合併。本文的分析將從兩個方面探討:繼電器替代產品和保險絲(fuse)替代產品。圖1顯示了汽車製造商在六個特定領域中的現況。

從圖1可看到,照明系統(1)已開始更換繼電器,座椅(2)和車門(3)也是如此。而電子控制單元(4)中的冷卻風扇、燃油噴射器、幫浦等裝置仍然非常普遍地使用繼電器,數量為7~20個,採用數量由原始設備製造商(OEM)決定。此領域的趨勢是,在2018~2022年間,將採用固態(solid-state)替代產品完全取代繼電器。

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圖1 汽車各部位更換繼電器的速度存在差異。



電氣化的大未來將依賴配電架構中經過改造的電力分配(5)接線盒(junction box)。要將電力從蓄電池分配到每一個負載模組或每一組負載,需要使用50~60(甚至100)個保險絲及5~10個繼電器。舉例來說,連接至車身控制器的保險絲和電線就能控制數種不同功能。

如今,幾乎所有製造商都會在接線盒中使用繼電器和保險絲,而從2020~2025年,甚至到2030年的趨勢將是更換掉汽車配電盒中的所有機械元件。這個遠景似乎非常宏大,但已發生於世界各地的家庭和建築中,事實上,數十年以前人們用斷路器(circuit breakers)代替保險絲之時就已經發生過。

最後一部分(6)是引擎管理。隨著停止-啟動系統(stop-start systems)和其他輕度混合(mild hybrid)動力應用中的48V系統功率不斷增加,48V匯流排上產生電弧,致使繼電器無法滿足負載開關的要求。這種電弧後續還會造成其他系統問題,因此,48V應用對固態解決方案具有決定性的影響。

連網汽車面臨的挑戰

對於連網汽車趨勢,車輛的電力網路必須與固定結構的外部電源相連。除了電源以外,要將48V輕度混合動力汽車連接至固定結構,車輛需要與車庫中的48V埠或外部48V電源進行通訊。

48V功能將會帶來許多新特性,例如線傳電控技術,要求具備高品質和高安全等級。當下正在探討的趨勢是將線束歸類為ISO 26262元件,適用於關鍵領域,例如線控轉向和線控制動。因此,配線應被視為事關安全的重要一面,需要符合ISO 26262標準。雖然多年來,汽車安全的許多方面都要求遵守ISO規範,但對線束新增這種要求尚屬首次。

在車輛中配備12V和48V兩種電源所增加的複雜性將會給設計、組裝、維修及售後帶來挑戰,難以確保系統之間的相容性和獨立性。

雖然與過去相比,汽車技術將變得更為先進,更適合這些應用,但推動配電架構更替的真正力量卻將來自於連網汽車的新功能,因為繼電器將不能滿足其需求。舉例來說,被許多製造商採用的停止-啟動功能會影響到某些應用,例如擋風玻璃雨刷。採用停止-啟動功能之後,雨刷系統在切換迴圈數量方面的任務會大幅增加,遠遠超出普通繼電器的承受範圍。因此,繼電器無法在車輛的整個生命週期內發揮預期的作用。在諸如幫浦和HVAC系統的其他應用中,繼電器也面臨同樣的窘境。

表1匯整了各種趨勢以及固態電源供應商和半導體公司遇到的相應挑戰。

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表1 汽車配電趨勢以及固態電源供應商和半導體公司遇到的相應挑戰。



動力系統與法規

線束優化和車輛減重背後的成本節省優勢,引發了是否透過電氣化來實現汽車配電架構革新的二次爭論。舉例來說,2019年,歐盟(EU)每克(g)超限二氧化碳排放的費用將會上漲,首克超限費用達95歐元。為了避免支付高昂的罰款,OEM應該會積極優化和減輕線束的重量,尤其是對於線束平均重達30kg的中等車輛而言。

全球化

最後一個趨勢是全球化。借助大型平台方案,OEM能夠盡可能縮短工程時間,降低相關成本,並縮短新車的整體上市時間。單個平台能夠以最低的工程投入和成本,為一系列車輛提供通用性。對於半導體供應商而言,包含電源分配功能的線束必須盡可能靈活,以便與高低端車輛相容。

30多年來,人們一直提議利用半導體技術來取代機械式繼電器;近20年來,取代保險絲的功能已經實現。但是,要使變革的力道足以拒絕現狀,則需要大幅減少現有替代產品的排放量。如今,某些OEM仍然需要啟動必要的設計方式來完成此次的電氣化變革。

系統分析:繼電器

與機械式版本相比,固態繼電器具備多種差異化特性和優勢。表2顯示針對各項已知特徵進行比較的結果。

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表2 機械式繼電器和固態繼電器之間的比較。



機械式繼電器更為人熟知的問題之一即是觸點反彈。如圖2所示,觸點反彈或回彈可以產生高達300V/ μs的dV/dt值。淘汰所有機械式繼電器之後,可以減少線束內的電磁干擾(EMI)雜訊。

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圖2 在啟動機械式繼電器觸點的100μs以內,可能出現數次高壓峰值。



推動實施機械式繼電器更換的一個誘因,就是有一項安全法規要求執行防夾診斷/保護。要使機械式繼電器滿足這項法規要求,將需要許多額外的元件,這會大幅增加機械式設計的成本。這些昂貴的元件為提高系統要求增加了更多理由,例如由於停止-啟動系統的任務增加和品質相關問題,需要加大繼電器,以應對浪湧電流。採用48V電源之後,機械式繼電器將面臨嚴峻的相容性挑戰。

系統分析:保險絲

現代化的高階汽車很可能會配備100個保險絲和4個保險絲盒,它們必須容易接觸,以便進行維修和保險絲更換。車廂內這個空間和接觸的代價非常高昂,因為它會降低乘客的舒適感。在發生短路之後,固態受保護元件(solid-state protected device,亦即電子元件或電子保險絲)不需進行更換,因此可以將其放置在不容易接觸的地方。這種配置能夠簡化車輛設計,還能夠提供更多車廂空間。

和採用單值設計、不能程式設計的機械式保險絲相比,電子保險絲可以設置為10、15、20等值,或者所需要的任意安培(A)值。電子保險絲的這種靈活性使它能夠完全相容於大型平台車輛的設計。

機械式保險絲,尤其是現今生產的機械式保險絲,它們的最小值和最大值都不準確,因此需要使用大號電線,確保在所有極端條件下都提供足夠的安全裕量。為滿足超尺寸要求、規避不安全的操作條件,以及確保保險絲能在所有操作條件下保護電線,通用的售後更換保險絲發揮了重大作用。圖3顯示現今機械式保險絲不夠準確的情況下,電線尺寸必須具備更高安全裕量的原因。

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圖3 不準確是機械式保險絲本身存在的一個重大問題,也是指定過大電線尺寸的原因。



機械式保險絲還具有其他缺點。機械式保險絲不提供診斷和監測安全功能,而電子保險絲能夠時常報告符合連網汽車趨勢的動態操作狀態。電子保險絲還能透過自身提供的診斷和健康監測功能,提升線束的安全等級。這層額外的保護已經被部分汽車製造商在座椅和車門應用中展示並在數量有限的車輛中可見。

表3顯示傳統保險絲和電子保險絲之間的比較結果。在總共8個方面的比較中,電子保險絲在其中7個方面都比機械式保險絲更具優勢,表中沒有顯示可靠性這一項。由於人為干預,有些保險絲會熔斷,這不會對保險絲要保護的電子設備構成威脅。不同於機械式保險絲,電子保險絲在遭遇人為事件之後可以重置,不會給車主帶來後續成本或麻煩。

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表3 電子保險絲相比機械式保險絲的優勢。



然而,人們現在仍在大量使用繼電器和保險絲,尤其是在更大型的負載中,這是因為它們的性價比一直較高。因此,時至今日,透過電子解決方案淘汰接線盒甚至減少接線盒數量的舉措並未獲得顯著進展。

目前,主要推動更換電子元件的是汽車製造商,而不是半導體產業。OEM瞭解這種變革的價值,並要求汽車實現電氣化。雖然晶片解決方案價格更高,但汽車製造商在計算之後得出結論,從系統和車輛層面來看,他們可實現節省成本的目的。

電氣化可利用電子斷路器/開關來降低線束和汽車架構的複雜性。如圖4所示,一輛典型中檔車的電池和交流發電機最多能提供200A電流,但絕不會超過250A(25%防護頻帶)。然而,對線束和保護線束的每個保險絲實施分析的結果顯示,線束中的電流容量水準可以達到950A,類似情況也出現在室內佈線中。汽車機械工程師應瞭解這種過容(overcapacity)所具備的重要意義,以及改變這種狀況所需採取的措施。

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圖4 現今規格過高、價格昂貴的配線容量。



預期或可能的變革

汽車配電架構的變更,取決於機械式繼電器和保險絲更換解決方案價格的合理性,因此這種電氣化預計會經歷多個步驟或階段。第一步可能發生在2018~2022年期間,機械零件會實現電氣化,但是架構保持不變。電子繼電器和電子保險絲將能輕易取代機械式繼電器和保險絲。

之後,在2020~2030年間將會出現向連網智慧接線盒和智慧保險絲盒的轉變,並且這一轉變將充分利用電氣化帶來的所有優勢,包括回顧該架構以優化線束尺寸,使其與電源容量相匹配,並利用完全安全和容錯的架構,準備好迎接自動駕駛汽車的到來。恩智浦(NXP,已被高通收購)正在分析某些新興理念,以做好迎接這種未來變革的準備。

產業攜手合作

向完全電氣化的配電裝置轉變舉措並非全無困難。以下為更換繼電器和保險絲過程中遇到的兩個問題:

1.機械式繼電器開路時,無論兩個輸出是何種極性,它都是開路;即使電池反向,繼電器仍是開路。但MOSFET內部有一個二極體,在電池反向的情況下,會直接發生短路,為了避免發生短路,固態繼電器需要阻擋反方向上的電流。這種阻擋需要使用背靠背MOSFET,因此使得解決方案的成本很高,而成本大幅增加是許多繼電器未被更換的一個重要原因。

2.保險絲的情況相類似。由於保險絲只是一片金屬,是一種完全被動的元件,在車輛被長時間停放時,保險絲會繼續保護線纜,防止出現任何短路,且在這個過程中,它不會消耗任何電流,而電子保險絲則需要消耗一些電流才能工作。現今的解決方案都處於毫安培(mA)範圍,而我們需要有一款微安培(μA)解決方案,否則,只需一周左右時間,電池電量就會完全耗盡。