九章智驾

九章智驾

2022-05-09

从大众、福特跟特斯拉的差距看智能电气架构落地的难点与破局点

  1. 环形隧道

作者:左成钢

前言

如果说车辆智能化是未来,那么智能电气架构一定是其基础。

上篇文章我们也讲过,特斯拉的三个分布式区域控制器已基本实现了智能电气架构,但是你搞清楚了特斯拉怎么实现智能电气架构,就能指导大众和福特实现智能电气架构吗?答案显然是否定的。就像张笑宇老师说的,鸡蛋变成鸡的学问可以指导鸡,但是怎么能够帮助到鸭呢?

本文将从特斯拉、大众与福特 3 款新型 SUV 的电气架构对比开始分析,看特斯拉为何能领先业界 6 年实现智能电气架构,而传统车企的历史包袱是如何阻碍其新技术落地的,从车辆的系统设计,到对成本模式认知及技术模式的认知,最后到落地时要面临哪些技术难点,详细分析如何实现智能电气架构的落地。

本文对乘用车及商用车应用均有涉及,文中也将普及一些基础的车辆电气原理、传统方案器件成本、半导体方案及成本、线束基础知识、负载基础特性、HSD 芯片基础、MOSFET 基础、电流与成本的关系、相关的电子电气设计难点、芯片参数选型等,算是抛砖引玉,希望能和行业小伙伴们一起共同推动智能电气架构的落地。

正文

如今的汽车行业正在经历剧烈的电气化及智能化变革,这种变革必然导致车辆 ECU 数量增多及电气架构复杂度增加,传统车企在架构升级过程中会怎么做?有哪些考量?

刚好,有国外网站 3IS 基于特斯拉 Model Y,对比了大众 ID.4 与福特 Mach E 的电子电气架构,这三款车均为纯电动 SUV,量产时间相近;并且,大众与福特作为传统老牌大型车企,和特斯拉对比就非常具有代表性。

从下图的 ECU 及网络类型节点对比表我们可以看出,Model Y、ID.4、Mach E 的 ECU 数量分别为 26、52、51,特斯拉的集成度明显要高很多,这主要是因为特斯拉将众多小型 ECU 的功能全部集成到区域控制器中。前文我们讲过,比如特斯拉的 Model 3 的 FBCM,既负责配电,还负责一些左前灯控制、空调控制、热管理等功能,横跨了传统的车身、座舱、底盘及动力域。

之前我们就讲过,传统 OEM 是有很大历史包袱的,按以往的经验,基于现有成熟模块进行复用可以显著缩短车辆开发周期及降低开发成本,并保证车辆的可靠性。但如果步子迈得太大,一上来就搞大规模集成,就会牵一发而动全身。

所以,对传统车企来讲,任何的更改都需要很谨慎,因为制约因素很多,改起来就很困难,周期很长,涉及面很广,风险很大,成本也很高。

大家应该还都记得,ID.3 在刚上市时,出现了众多软件 bug,上万辆车停在大众工厂等待升级。大众尚且如此,其他家可想而知。所以我们可以看到,福特和大众尽管宣称是全新纯电架构,但是仍然复用了很多小型 ECU。

但有一点不可否认的是,大众在电子电气架构的升级过程中已经做了很大的更新,大家有兴趣的话可以去看一下奥迪 e-tron 与 ID.4 的电子电气架构的对比,可以看出巨大的变化。

三款车模块数量及网络节点对比(来源:3IS)

从上图 Lin 总线数量也能看出,ID.4 和 Mach E 的数量几乎是特斯拉的 2 倍,这也从侧面就说明他们复用了很多基于 Lin 通信的小型 ECU,这是都是很典型的传统设计方式。

在上两篇文章中我们已经详细分析了特斯拉 Model 3 的智能配电方案及电气架构,有兴趣的小伙伴们可以再去看一下 「特斯拉为什么要 「干掉」 保险丝和继电器?」 和 「自动驾驶商用车需要什么样的电气架构?」。从下表我们刚好可以从另一个侧面了解一下智能电气架构对车辆带来的影响。

我们可以看到,ID.4 和 Mach E 在这方面仍然是传统设计,有 3 个配电盒,前舱 1 个,驾驶舱 2 个,并且有大量的继电器和保险丝,而 Model Y 则沿用了 Model 3 的设计,全部采用半导体方案进行替代,传统继电器和保险丝的数量为 0。

三款车配电模块、保险丝及继电器数量对比(来源:3IS)

这种设计差异就导致大众和福特虽然也都采用了域控架构理念,但是三者的电子电气架构还是有较大差异的。

特斯拉的架构更接近于区控制架构,这个可以从 Model S 内部线束长度长达 3 km,到 Model 3 只有 1.5 km 的进步得到印证,因为区域架构对线束的节省具有明显价值。Aptiv 也曾测算过使用区域架构后可以降低 25% 线束成本,而 Visteon 则认为区架构可以节省 50% 或更多的线束长度。

区控制器对线束的节省(来源:Visteon)

另外 Visteon 还专门阐述了区域智能配电的价值,包括:

  1. 双电源分级供电;

  2. 推动配电技术电子化,取消传统保险丝;

  3. 中央配电盒虚拟化,保护特性优化;

  4. 智能电源管理,基于电流及电压诊断的故障预测;

  5. 保险丝及负载优化带来的其它价值。

区域智能配电的价值(来源:Visteon)

其实这些东西我们在上两篇文章都已进行过多角度的深入分析,你总不能说大众和福特不了解区域架构,或者没有分析过区域智能配电带来的价值吧?Model 3 是 2017 年 9 月下线的,大众和福特是 2020 和 2021 年量产的,中间有三四年的时间,但特斯拉至今仍是全球唯一采用区域智能配电的 OEM,这足以说明问题。

另外,3IS 最后给的结论也很有意思 ——3IS 说:「很难简单地说谁的架构是最好的,这取决于目的和约束条件。传统 OEM 使用沿用技术可以降低研发成本,虽然这并不是最好的。特斯拉别无选择地必须从零开始,所以可以走一条完全不同的路,它没有任何约束。」

架构对比结论(来源:3IS)

实际上,特斯拉针对旧车型,也是有约束的。针对 2012 年推出的 Model S 和 2015 年推出的 Model X,特斯拉直到 2022 年才能在所有新车上采用这种技术,从 model 3 开始第一次用智能配电方案算起,这中间已相隔 5 年时间,所以针对旧车型的升级改造难度可见一斑,这还是在特斯拉拥有成熟的区域智能配电架构的基础上。

特斯拉将在 2022 年全线切换电子保险丝(来源:teslatap)
特斯拉将在 2022 年全线切换电子保险丝(来源:teslatap)

另外,通过对特斯拉老款车型 Model X (2015-2020) 及 Model s (2016-2020) 的分析我们也能看出来,即使传统配电盒方案,特斯拉的设计也异于传统 OEM。

特斯拉 Model S/X 前舱配电盒(来源:teslatap)
特斯拉 Model S/X 座舱配电盒(来源:网络)

从上图我们可以看出,特斯拉整车使用的 Plug-in 继电器数量极少,仅有 5 个(传统车接近 20 个),座舱配电盒上仅有保险丝,没有继电器,这为特斯拉在 model 3 上采用区域智能配电的创新架构埋下了伏笔;相比之下,5 年后量产的 ID.4 和 Mach E 分别为 7 和 22。

那么,大众、福特跟特斯拉在电气架构上的差距为何如此之大呢?接下来,我们将从系统角度、成本角度、认知角度、技术角度对智能电气架构落地中的难点进行详细的分析。

整车系统角度

上一章我们也讲过,汽车上很多设计其实是牵一发而动全身的,因为汽车是一个很复杂的集成系统,一台车有上万个零部件,很多系统是相互关联的。比如我们就拿特斯拉的 「高压不下电」 策略来说,这一点牵涉到了非常多的具体设计:

  1. 特斯拉 Model 3 停车后高压动力电池会一直保持连接,高压电池以约每天 1% 的放电速度放电;

  2. Model 3 的 「静态」 工作电流为 2.6A,而传统高压下电的车辆静态电流在 15mA~20mA 左右,以保证蓄电池不亏电,下次能正常启动(低压没电是上不了高压的,因为 BMS、VCU 都是用的 12V 蓄电池的电);

  3. 如此大的电流会导致铅酸蓄电池很快耗光,据估计是一天时间,所以特斯拉又首创了 BMS 集成小型 DC-DC 的设计,在停车后为整车提供 12V 电源,防止蓄电池亏电;

  4. 这个设计的初衷是为了支持所有的 Online 服务,比如哨兵模式;

  5. 这种设计进而推动特斯拉直接取消了高压预充电路,这估计也是全球首创的了;

  6. 特斯拉采用了大家闻所未闻的低压蓄电池 DC-DC 逆变进行高压预充,这种设计也不支持频繁的高压上下电,所以相对应的设计就是特斯拉的高压在首次上电后,一般就不下电了。

说起来比较绕,我做了一个脑图,大家看一下:

特斯拉高压不下电设计(来源:左成钢)

从这里就能看出来,一项功能的实现需要整个系统设计进行配合。这里还仅仅是高压部分的,就涉及到了预充方案、BMS、DC-DC 等模块及策略的全新设计;实际上,低压电源分配及控制方面特斯拉也有相应的设计来支撑。

所以说,如果不站在整车系统角度对一个功能的实现进行深入分析,步子迈得太大,一上来就搞很多新功能,做很多集成设计,就会牵一发而动全身,改了 A 就会导致 B 有问题,动了 B 才发现 C 又不行了。制约因素很多,改起来就很困难,周期很长,涉及面很广,风险就会很大,成本也很高。

上万辆 ID.3 停在大众工厂等待升级的画面还历历在目,甚至连特斯拉也要花好几年来升级老款车型,因此,传统 OEM 不得不谨慎,沿用设计就成了不得不用的 「最好选择」。

成本角度

从传统车辆设计角度来看,成本是第一位的,智能电气架构大家都知道很好,但是 OEM 一看成本,项目肯定就黄了,连和你往下讨论的冲动都没有了。

笔者曾针对商用车电气架构和几大 OEM 进行过成本分析,整车电气零部件部分(不包含线束),升级到智能电气架构后,成本至少翻一番,即使对成本没那么敏感的商用车,这也是绝对不可接受的,对成本极敏感的乘用车,就更不用说了。

下面这张图片我们在前面的文章中分享过,我再贴出来大家看下,对于 12V 系统,半导体方案是比目前的 30A 继电器要贵的,更不用说在配电盒中占比最大的保险丝,整车全部采用半导体方案后,成本增加是非常大的,特别是大电流回路。

下面我们大概列了一下各种方案的成本对比,大家可以感受一下。

HSD / 继电器电流 - 成本与替代速度(来源:英飞凌)
HSD / 继电器电流 - 成本与替代速度(来源:英飞凌)

12V 系统方案成本对比(来源:左成钢)
车辆保险丝及继电器数量对比(来源:左成钢)

举例来讲,对于一个 10A 回路,采用保险丝是一毛钱,芯片就要七八块钱。但是芯片成本随电流等级增加并不是线性的,比如 30A 的保险丝还是一毛钱,芯片就得二十几块钱了。电流再大,就没有 HSD 了,只能用 MOS 方案。整车那么多保险丝,尤其对于一级配电盒,大电流特别多,智能配电盒成本对比简直就不忍直视,你要是 Tier 1 都不好意思和 OEM 提成本。

那怎么办?

智能电气架构作为一种颠覆式的技术创新,在其带来创新价值的同时,也带来了成本的大幅增加,技术要落地,要应用,就需要有人为创新的成本买单,但 OEM 又不想直接大幅增加成本,这会直接影响利润,对靠卖车赚钱的传统 OEM 来说,这是不能接受的。

一般来说,如果技术带来的成本增加在 20%~30% 之间,这个技术就比较容易落地,而对于智能电气架构,就需要从系统层面来考虑线束的成本降低、研发的成本降低等,但整个系统成本很难估算,你告诉 OEM 是降低的,即使 OEM 认可,具体也不好算,这就导致成本这一关很难过,OEM 的领导很难拍板说上这个技术。

半导体方案的系统成本是降低的(来源:Philippe Dupuy)

NXP 的 Philippe Dupuy 认为 OEM 是了解半导体解决方案的价值的,同时也是车辆电气化的主要推动者,并且经过计算,系统级及整车级的成本是节省的。但同时他也承认,时至今日,半导体解决方案并未获得显著进展。

何帆老师说过,你不可能在同一时间,同一场合,解决所以的问题,你要改变约束条件,换一种思路去解决。这就是我们经常说的,不能头痛医头,脚痛医脚,而是说,治头痛最好的办法,很可能是打一盆热水来泡脚。对智能电气架构而言,成本的增加带来的问题是一样的,我们需要去找到破局点。

「硬件预埋 + 软件付费」 这种创新模式便是智能电气架构落地的一个破局点。前文我们分析过特斯拉引领了 「硬件预埋 + 软件付费」 的创新模式,把硬件成本作为价值预埋的一部分,硬件的成本后期可以通过软件付费模式进行回收了。

传统的车辆设计,需求在一开始就是被明确定义了的,整车在生命周期内是不更新的,所以可以采用高度定制化的低成本硬件,够用就行,不需要强大。但如果硬件不够强大,软硬件就很难解耦,软硬件无法分离,就无法应对新的需求的变化,硬件无法被软件重新定义,因而也很难实现 「硬件预埋 + 软件付费」。

如果没有软件付费这种模式,OEM 靠卖车是不可能有这种硬件预埋的创新做法的,甚至连想法都不会有。因为虽然创新产生了新的价值,但是这种价值当前并未体现在消费端,或者体现得不直接,那么就没有人愿意为创新的成本买单,创新的步伐就会被拉慢下来。

在上一篇文章中我们也讲过,智能电气架构的建设,可以与目前 OEM 软件能力建设的内在需求相呼应,同时还可以提升 OEM 的品牌溢价,延伸价值链条,也为 OEM 从车辆生产商到服务商的转变提供了可能。

在这里想到何帆老师举的另外一个例子,比如非洲国家债务问题,西方国家的思路是,降低利率,或者减免一部分。而中国人可能会说,咱们讨论一下修路的问题吧。我们从小就知道,要想富,先修路。修了路,经济增长了,债务问题不就解决了吗。西方人考虑的是如何直接解决问题,而中国人考虑的是迂回解决,因为直接根本就解决不了嘛!

所以,基于目前阶段,针对智能电气架构的成本问题,我们惟一的办法可能只有迂回,而在未来,智能电气架构将作为区域架构的一部分,是支撑未来新能源卡车及高阶无人驾驶技术的基础设施。

认知角度

除了成本,另一个阻碍新技术或新事物发展的,应该就是人们的认知了吧。就像最初手机集成了分辨率只有 30 万像素的拍照功能时,谁也不认为这玩意儿有啥真正的价值,拍照时该用相机还是用相机。后来的事情大家都知道了,手机拍照的价值慢慢得到了认可,消费者也愿意为一亿像素的镜头付费了,甚至生产商还能以此为卖点进行宣传了,这个放到过去你敢信?

成本模式认知

对现在以卖车为老本行的 OEM 来说,车辆售价必须按配置进行区分,因为材料成本就不一样。消费者想要更多的功能,买车时就得把钱给到位,如果买车的时候没有钱,这个配置没有买,后来想加装,基本上加不上的。

比如动力底盘部分,你买了 1.5T 的,买完了觉着动力不行,你和 4S 店说想换 2.0T 的,这就离谱了,你不可能换个发动机啊,但电动车就可以在硬件有裕量的基础上,通过软件来实现部分的动力提升。

另外就是对产量和成本的认知,在特斯拉最初研究电动汽车时,电池成本大概 600 美元每千瓦时,而马斯克通过第一性原理分析后认为未来可以降到 80 美元,后来的趋势大家也都看到了,电池成本随着电动车产量的上升,的确是不断降低的,据估计到 2029 年,锂离子电池的价格可以降到每千瓦时 60 美元左右。

到这里就不得不提一个在汽车领域里预测价格走势非常准确的定律 —— 莱特定律,即产量每累计增加一倍,成本价格就会下降 15%,而且会持续降低,你再翻一倍又降 15%。汽车行业从 1900 年就遵循这一规律。

基于莱特定律进行分析,一种新产品或技术,在产量翻四番后,成本即可下降到原来的一半。但如果不具备这一认知,就会面对高成本的时候 「知难而退」。

基于莱特定律的成本走势(来源:左成钢)

前文我们专门分析过智能电气架构对成本的影响,包括线束设计、电气设计、EMC、车辆运营维护。

举个例子,比如利用能量管理算法就可以实现智能节能节油,博世研究表明,发电机输出 100W 电功率,相当于 100km 油耗 0.17L,在 24V 系统也就 3.7A 电流,比一个 70W 大灯灯泡多一点。所以电能管理策略是可以提高整车电气系统的经济性的。

来源:BOSCH 汽车电气与电子第 338 页

然而,很多决策者都过于关注直接成本,却对间接成本关注不多。所以,对成本模式的认知,也会阻碍很多技术的推广和应用。

技术模式认知

之前我们也讲过,汽车产业作为一个拥有上百年历史的产业,其很多设计是有传承的,传承的意思就是有延续性、变动较少。传统保险丝继电器技术悠久,可靠性够用,使用成本低,综合考虑下来,目前是可靠性和成本后均衡后的最佳方案。

笔者在和众多 OEM 进行过技术交流后,大家首先的反应就是,你这不使用保险丝的技术方案可靠吗?不会保护不了把线烧了吧?你的方案装过车吗?验证过吗?谁家用过?

汽车行业的技术人员在面对新技术时,首先考虑的是你这种设计可靠不可靠,有没有人这么干过?传统技术,保险丝烧了换一个就好了,而半导体技术坏了必须换掉整个模块,成本太高,不可靠根本不行。

关于新的电气架构,大家的认知不足主要体现在以下几个方面:

(1)可靠性

我们用一句话来概括,那就是:传统电气架构的可靠性下限比较高,但上限很低,而基于半导体方案的智能电气架构,可靠性下限比较低,但是上限非常高

关于可靠性这方面,我们在 「干掉保险丝和继电器,自动驾驶才能更安全」 这篇文章已中有详细分析,欢迎大家去看一下。

所以,我们不能根据经验说传统的方案就已经很可靠了,那是因为你还没有更高的可靠性需求。半导体方案不成熟,一开始可能会不可靠,但我们要相信,它可以非常可靠。就像有句话说的,鹰有时会飞得比鸡低,但鸡永远飞不了鹰那么高。

最后放个可靠性参数表格对比一下:

(2)冲击电流

OEM 做电气的对这个都比较关心,一是普遍认为半导体器件可能太灵敏了,负载启动瞬间的冲击电流会导致意外保护,另外是认为半导体器件无法承受负载的冲击电流,可能会导致损坏。之前几篇文章中,我们没有对负载冲击电流特性进行详细分析,在此就顺便讲一下:

车辆不同负载类型的冲击电流特性(来源:左成钢)

我们再放几张冲击电流波形图:

典型的 24V/70W 灯泡启动冲击电流波形(来源:左成钢)
典型的 12V/150W 直流电机启动冲击电流波形(来源:左成钢)

从上图可以看出来,容性负载冲击电流在 10 倍左右,感性负载在 3~5 倍之间,我们再来看一下半导体器件的耐冲击电流能力:

可驱动 2*70W/24V 灯泡的 HSD 芯片参数(来源:英飞凌 BTT6010-1ERA)

从上表可以看到,HSD 芯片的耐冲击电流能力(即限制电流 limitation current)是额定电流的 10 倍,这足以应对所有类型的容性负载(纯电容除外,大电容必须采用预充),同时,HSD 芯片仅仅限制输出电流到一个值,而并不是发生保护,把负载关掉,这是在芯片设计时,芯片设计人员已经考虑到的一个应用场景。

至于针对 3~5 倍冲击电流的感性负载,那就更没有问题了。

下面我们再来看一下 MOS 管的耐冲击电流能力,我们就以特斯拉使用的一颗功率 MOS 来进行参数分析:

特斯拉区域控制器采用的 MOSFET 参数(来源:Onsemi NVMFS5C426N-D)

这是一颗 40V 的 NMOS,可用于 12V 系统,参数为 1.3mΩ,235A,意思就是你要是给足了散热,它能给你干到 235A 的电流,但实际上没人敢这么用,你总不能给它上液氮冷却吧,我们要考虑工程实现。根据笔者经验,1.3mΩ 的 MOS 给予一定散热设计,全温度范围(-40 度~85 度)干到 40A 以上应该问题不大,参数表里是按 100 度,给到了 29A,比较保守。

但是我们再看脉冲,100 度是 166A,注意前面的参数是 RJC,表示这是一个较长的瞬态电流,类似于感性负载冲击,这个参数也是额定电流的 5 倍以上了,应对感性负载 3~5 倍冲击完全没有问题,而且,我们再看备注 3,1 秒的脉冲都是没问题的。

可能有的小伙伴又要问了,为什么我分析 HSD 讲容性负载,分析 MOS 讲感性负载?那是因为小电流容性负载用 HSD 就可以搞定了,同时因为这些负载一般都较小,即使 10 倍的冲击,也都没问题。而大电流应用,没有相应的 HSD 芯片,只能用 MOS,且大电流负载一般都是感性特性,冲击时间长,但倍数较小。这就像传统保险丝的应用一样,小电流用片式快熔,抗高倍数短脉冲,要的是快速保护;大电流用板式慢熔,抗大电流长时间冲击,要的是皮实可靠,这样看来,虽然是两种技术路线,但却有异曲同工之妙啊。

(3)额定电流

这个问题我们在上篇文章有详细分析,在这边只放一下结论:智能电气架构下,配电模块的带载能力可以按照负载的额定电流进行匹配

OEM 的电气设计以往对电流匹配的认知全部基于保险丝,自然就会拿传统保险丝的额定电流和芯片做对比,比如原来是用 20A 的保险丝,他会要求你芯片也采用 20A 的,这种认知就是不对的,这时候就需要抛弃保险丝思维,关注真实的负载情况了。下面这张图比较简单明了,我再放一下:

芯片带载能力对比(来源:左成钢)

一般情况下,对比原有保险丝设计,芯片设计的额定电流都可以更小一点,甚至可以是原来的一半,相应的,线径设计也就降下来了。

所以,基于未来智能架构的芯片设计,大家一定要转变认知。当有人说电流是 20A 的时候,你得问他是以前保险配了 20A,还是负载额定电流是 20A。否则大家的认识不在一个频道上,沟通就会出问题,并且电流等级还是和成本直接相关的,10A 和 20A 芯片那成本差的可不是一倍的关系。另外就是因此带来的线束成本降低,电气设计简化等价值,之前都已经详细讨论过了。

(4)电源属性

电源属性这个概念在汽车行业无人不知,毕竟已经用了这么久了,连大家熟知的 KL15/KL30 这种叫法,也是博世在 1984 年就提出来的,可见其历史之悠久。过去定义供电属性的原因就是为了便于进行能量管理,但是切换到智能电气架构后,你会突然发现,电源可以没有属性之分了,所有的线路都可以被定义为任意供电属性,固定的电源属性自然就不再需要了。

任意电源属性带来的价值包括但不限于:支持更自由更复杂的能量管理策略、整车电气架构设计优化、线束系统优化、网络管理设计优化等。

(5)每路单独可控

在传统架构下,绝大多数的回路都是不可控的,比如常电回路,整车一上电,这些回路就有电了,你想关是关不掉的,乘用车没有总闸,就必须有静态功耗管理,卡车就靠总闸来管着了。

在智能电气架构中,每路单独可控,但做传统电气设计的人很难具备这一认知,在传统经验看来,怎么可能那么多回路全部是独立可控的?因而,他们也就无法意识到这种独立可控带来的价值。

智能电气架构带来的其他价值比如:可取消电源总开关,可进行功耗控制及能量管理、线束优化、可配置、可编程、可升级、可迭代等,这些我们上两篇文章都有详细分析,想看的小伙伴们可以去找来看一下。

(6)每路独立保护

传统架构下,电源分配必然是分级的,类似于瀑布架构,所有的二级回路都是经过了一级大保险丝,再分配到多路二级小保险丝,然后到用电设备的。如果一级出了问题,很多个二级就会受到影响。

还有,在传统设计中,保险丝负责保护,继电器负责控制,保护和控制自然是分开的,如果保护共用,控制分开,一路负载出了问题,所有负载就会全部断电。

而智能电气架构中,因为可靠性提高,加上没有电源属性之分,二级配电的供电电源要少得多,所以,可以认为所有的二级终端用电设备和一级是并联的,而非串联的,相当于二级的保护其实是独立的。

所以采用智能电气架构带来的天然优势就是,线路保护和控制融合了,所有的回路保护自然都是独立的,不受其他回路故障的影响。

(7)保护及诊断功能

这一点我们之前的文章已经讲得比较细了,在此我就大概列几点基础的:

  • 保护后可恢复,恢复条件可软件定义,比如靠 ON 档、开关信号或上下电。

  • 可自定义的过载保护功能,传统保险丝是不支持的。

  • 电流检测功能

  • 开路检测功能(ON/OFF 状态)

  • 电压检测功能(过压 / 欠压)

有特斯拉爱好者在 2022 款 Model s 上测试了一下 eFuse 的自恢复保护功能,发现的确可以在故障解除后自动恢复,比如 12V 辅助电源插座(12v accessory power socket)。有的就不好说,比如驱动控制按钮(drive control button),测试者从 400mA 的带载,拉到了 1.5A,就发现输出立即保护了,同时也喜提中控屏故障报警,信息精确到了哪个功能出现了故障,以及怎么去查看。测试者说这个故障并没有自动恢复,而是等到整车软件升级后才恢复的,所以说,具体的恢复条件取决于软件策略。

特斯拉 2022 款 Model S 的 eFuse 保护功能(来源:teslatap)

因为传统架构根本就没有诊断功能,所以大家对这一块儿可以说基本上是没有认知的,是空白的,就像你用功能手机的时候,是无法想象智能手机带来的影响的,包括移动支付、扫码等应用,都是在智能机逐渐普及后才衍生出来的新应用。基于智能电气架构的保护和诊断功能,同样可以衍生出各种新的应用,产生新的价值,并对车辆的智能化产生巨大的影响。

抛开前面讲的系统维度和成本因素,改变人们对一种新事物的认知,从某种意义上讲,可能比其他所有努力都要重要。智能电气架构作为一种颠覆性的创新技术,它所能带来的价值其实远超我们的想象,所以只有先改变我们对它的认知,打破传统思维的局限,才能进而发掘其潜在的价值,并评估其对汽车产业带来的影响,进而共同推动其尽快落地。

技术角度

前面我们从系统、成本及认知角度分析了智能电气架构面临的问题,这一章,我们再从技术落地的角度来谈一下,如果要上智能电气架构,会遇到哪些技术问题。

技术范畴

谈这个问题之前,先讲一个我的经历。打车时如果遇到纯电动的,我一般会和师傅多聊两句,问一下续航、百公里电费成本、驾驶体验、和燃油车的差别等等。我发现师傅们普遍反馈一个问题就是,纯电车修起来很贵,即便是小问题,师傅也不敢自己动,必须开到 4s 店,普通的路边店是搞不定的,也不敢搞,为什么呢?大家思考一下。

燃油车的问题大都是机械问题,是肉眼可见的问题,电动车在电气化后,机械问题极少,问题变成了电子电气问题或软件问题,肉眼不可见了,对故障排查的技术要求就随之变高了,加上电动车是新生事物,大家都不懂,自然也不敢动。

智能电气架构和传统架构配电盒设计对比

从传统架构到智能电气架构,也会面临类似的问题 —— 传统电气架构全部都是机械和电气范畴内的,在 OEM 那里是属于电气部门的,和电子不搭界,但升级到智能电气架构后,全电子化了。

传统配电盒属于劳动密集型产业,拼的是低成本,设计方面技术含量不高,但电子化后,原来的传统配电盒厂家就懵了,根本就不懂,这触及到了他们的认知盲区。OEM 的电气部门也不懂,虽然智能配电盒的电气原理图看起来更简单了,但在他们看来就是个黑盒子,因为中间还有软件逻辑和配置,单看原理图根本没用。

除了认知层面和技术能力层面,这里还涉及到了一些以前不太重视的技术问题。

比如负载特性,在传统电气架构下做电气设计时大差不差就行,因为保险本来就是分档的,你只能 10A、15A 地来选择,线径裕量一般也足够,你不需要很详细地了解负载特性,按经验来问题就不大,不行就保险丝就升一档,问题就解决了。但在智能电气架构下做电子设计时,不了解负载特性就完全不行,这个我们随后再详细分析。

这里我们简单普及一个车用电线小知识,汽车电线的过电流能力其实是远超大家想象的,极端一点,我们就拿发烟时间来讲 —— 就是你给一根导线通多大的电流,多长时间能冒烟(因种类而已,有的电线是不冒烟的),车用电线可以在 5 倍额定电流 5s 内不冒烟,而保险丝,即使慢熔保险,5 倍电流在 1s 之内就烧掉了

汽车电线的过流能力(来源:英飞凌)

如上图,电线的短时过载能力极强,远超片式保险,电线不当使用的最大问题在于长时间过载发热导致的绝缘损坏。

车载保险丝熔断时间特性(来源:Littelfuse)

上表可以看出,没有保险丝能抗住 5 倍电流达到 5s。

所以,传统配电盒厂家在涉足智能电气架构时面临的问题包括但不限于:

  • 电子化后的系统认知,包括电子电气架构、控制逻辑、网络通信等;

  • 电子产品设计经验,包括系统、硬件、软件设计;

  • 电子产品测试方法、可靠性设计等;

  • 汽车电子试验标准,包括电气、环境、耐久、ESD、EMC 等;

  • 负载特性与工作模式的深入理解;

  • 设计方案选择与成本的均衡。

那你说传统搞配电盒的厂家搞不定,做电子模块的厂家呢?他们懂电子设计啊,没错,但你这句话只说对了一小半,他们只是懂专业内的小电流电子设计,而整车电气架构、大电流设计却触及到了他们的知识盲区。

传统电子模块设计厂家在涉足智能电气架构时面临的问题包括但不限于:

  • 电子化后的系统认知,包括整车电子电气架构、电气原理、电气设计;

  • 整车能量管理、上下电策略;

  • 整车负载类型,负载特性;

  • 保护特性和线束匹配(传统保险丝匹配是有经验及推荐设计的);

  • 壳体设计,包括散热、防护等级、安装方式等;

  • 大电流接线方式设计,包括连接器、螺栓等;

  • 大电流板级设计,包括器件散热、PCB 载流等;

  • 大电流器件选型,对 MOSFET 特性参数的理解等;

  • 大电流产品测试、验证方法。

对板级大电流设计方案,传统电子模块厂家应该是很欠缺相应经验的。不说别的,就特斯拉板子上那么大,那么多的 busbar 载流设计,一般人都没见过。因为电子设计一般情况下电流不会超过 10A,大多是 mA 级别的,静态功耗一般是 µA 级别的,对几百安的电流大家都是没有概念的,无法想象;甚至,传统电子模块厂家可能连相应的直流电源设备都没有(常用的直流电源在 30A 内,最大的不超过 100A),超过 4 平方的导线也没怎么见过(家里入户电线线径一般也就 4 平方)。

笔者认为,传统配电盒厂家转型难度较大,因为涉及的知识盲区太多了,从硬件设计,软件开发,到电子产品测试经验,知识架构都不一样,想补起来很难。

传统电子模块厂家跨界做电气设计,难度也不小。比如对整车电气原理、电气设计的理解,负载特性的深入了解等,还有传统配电盒的结构、电气、线束等方面的设计,知识架构也不同。这方面的坑也很多,比如大电流导线配多大的螺栓,装配时要求扭矩范围多大,这个传统电子模块厂家根本没有概念。

所以,笔者认为,最有可能实现智能电气架构落地的,是兼具传统配电盒和电子模块设计能力的 Tier 1,他们可以集合内部这两个过去完全不搭界的部门,和 OEM 一起完成智能电气架构的设计,并逐步落地。

芯片方案问题

小电流设计还好,可以用成熟的集成芯片方案(HSD 高边芯片),这个上篇文章已经分析过了,乘用车应用 25A 以下都很成熟,商用车 10A 以下都有。

大电流解决方案,乘用车目前已经有量产 30A 的 HSD 芯片可供选择了,未来电流等级会持续增加。但是商用车方面,据笔者了解,各大芯片供应商暂时没有新的 roadmap。大电流方案只能用驱动芯片 + MOSFET 分立方案,这个方案存在以下问题:

  • 整体方案复杂,综合成本较高;

  • 电流检测复杂,成本高(shunt+amp 运放方案);

  • 保护功能少,保护速度慢;

  • 诊断功能少,诊断功能设计复杂;

  • 大电流应用需要 MOSFET 并联设计;

此方案需要根据应用需求增加相应的分立电路,需要电流检测就必须增加 shunt 和 amp,包括保护功能和诊断功能,功能越多,电路越复杂。因为保护功能大多由 MCU 来实现,速度慢不说,软件策略也复杂。

我们先来欣赏下特斯拉的方案,大家有点直观感受。下图黑色的小方块就是功率 MOSFET,银白色的是 PCB Busbar,用来做大电流载流,黄铜色的是 shunt,用来进行电流检测,大电流的 shunt 全球能做得不多,别看就是个铜片,但是对材料的精度和温度系数要求极高,算是基础材料学科,德国一家做得非常好,当然也不便宜。

特斯拉的驱动芯片 + MOSFET 分立方案
德国 Isabellenhuette 的车规级 shunt

另外, MOSFET 虽然有其相应的额定电流及脉冲电流参数,但设计时必须考虑 SOA(Safe Operating Area 安全工作区),这个对 MOS 设计非常重要。专门的驱动芯片一般都考虑到了 MOS 的驱动电压、电流、结电容充放电时间等开关相关的参数设计,但是自己搭电路的话,要考虑的就比较多。另外即使驱动芯片有保护功能,一般也仅限于短路保护(基于 VDS)和 MOS 过温保护,如果芯片不支持 shunt 电流检测,其他通过电流检测衍生的保护功能如过流保护、开路保护、电流限制等,自己搭电路实现起来比较复杂,包括硬件电路和软件策略。

驱动芯片 + MOSFET 分立方案(来源:左成钢)

还有就是针对更大电流等级所必须采用的 MOSFET 并联设计问题,这个对 MOS 器件本身的一致性及产品的硬件设计要求很高。比如 PCB 的均流、瞬态能量、峰值关断电压、寄生震荡等问题,特别是针对感性负载应用时的感性能量释放问题,处理不好就容易出问题,最脆弱的或者阻抗最小的那个回路就会先炸掉。

Power MOSFET 大电流并联应用(来源:IR / 英飞凌)

下面这个是英飞凌对 Power MOSFET 并联应用的总结,第一条和第三条都提到了电流均衡问题,即使 MOSFET 是正温度系数器件,天然能带来一些自均衡优势,但也有其限制(稳态和开关态没问题,但短路问题就很大,下面没提)。第二条就是 SOA 问题,可见其重要性。

Power MOSFET 大电流并联应用(来源:IR / 英飞凌)

在这里顺便普及下 MOSFET 的一些基础知识,MOS 的 RDSON 即导通阻抗,单位是 mΩ,值越小电流越大,就越贵。车规级 MOSFET 的一致性和稳定性本身就是高于消费级及工业级的,但是即使同批次的 MOS 也存在巨大的参数差异,因为它们可能来自不同的 wafer。当然这些差异并不会超出 datasheet 规定的参数范围,但这些差异依然会造成并联应用时的许多问题。

MOSFET 批次参数差异(来源:NXP)

我们直接看结论,这个应用文档分析了半天最后的结论是:不建议多个 MOS 并联应用(简直是废话),认为单个低 RDSON 的 MOS 更好,即使并联 n 个,最终肯定达不到 n 倍的效果(除非你不差钱,第 1、2 条算是无价值建议,其实这个大家都知道,就是成本不允许)。最后建议如果实在要并联,不要超过 3 个,再多就分组并联,特斯拉就是这么玩的。

感兴趣的小伙伴可以去看 NXP 和 Infineon 的应用文档,在此不再详述。

功率 MOSFET 并联建议(来源:NXP)

最后我们来看下成本,感受下大家为什么一定要并联使用。

NVMFS5C410N-D 是特斯拉在用的最大的 MOS,0.92mΩ,1.8 美金一颗;比它更大一点的,0.63mΩ 的就到了 5.2 美金,价格翻了 3 倍,电流其实没大多少;小一倍的 2.3mΩ,价格降到了 37%,越大越贵,且价格完全不成比例。所以前面图片你能看到特斯拉全是 4 个一组并联起步。DC-DC 输入直接是 2*4 并联,用法和 NXP 建议的一样,进行了分组。但是特斯拉胆大,直接干到了 4 个一组(就问大众福特你敢不敢)。

功率 MOSFET 价格(来源:Onsemi)

负载特性 - 可靠性问题

这里说的可靠性不仅包含 reliability,更多涉及到 robustness 鲁棒性。

平常我们所说的可靠性一般是指耐久性和失效率,其实就是说可以用很久,但是坏的很少(MTBF 及 FIT 值维度)。而在智能电气架构中,作为实现配电和控制功能的配电盒,功能不失效往往比盒子本身不坏更重要。功能如果失效了,盒子虽然保护了没坏,这对实际应用来说是没有意义的,从用户角度来讲就是不可靠,老是坏。

所以这里的可靠性更多地需要考虑鲁棒性、稳健性和健壮性,这个和半导体器件保护的灵敏性和精确性是一对矛盾体,而设计就是要均衡这个矛盾,做到稳定工作,可靠保护,但针对千差万别的车辆负载特性,这种设计就很难,比如:

线路正常时:

  1. 对负载冲击电流不应保护;

  2. 负载短时过载时不应保护;

  3. 保护可以重启,线路故障消除后,线路应恢复正常;

线路异常时:

  1. 硬短路需要快速保护;

  2. 软短路根据需求进行保护;

  3. 保护速度适当,保证导线不能发生损坏;

  4. 器件保护后不能发生损坏或参数劣化;

上面我们已经提了一些负载特性问题,传统电气设计容错能力较强,因为各方面裕量够大,设计约束条件少,比如不同电流等级的保险丝成本差异极小,加上保险丝本就是需要更换维护等,这导致了传统电气设计的粗放。

但是到了电子设计时代,设计约束条件就完全变了,比如芯片灵敏度的提升,在带来精确保护的同时,必须要求设计前期精确匹配,否则后期就会出问题。比如容易误动作,或者故障时芯片烧毁;而如果前期增加裕量,则会导致 BOM 成本过高,因为芯片成本是和电流等级强相关的。

所以要想实现成本和可靠性的均衡设计,就必须详细了解芯片特性及负载特性,比如 HSD 芯片都有额定电流、限制电流参数及温度特性等,保护方面有过流保护特性、短路保护、热保护特性等,驱动芯片 + MOS 方案就复杂一些,很多保护特性取决于具体的硬件设计及软件策略。

负载层面,负载是容性还是感性,冲击电流波形、峰值及持续时间都要考虑,电机负载还需要考虑是否需要过载保护及堵转保护等问题。

负载特性我们前面分析过,但实际应用中你会发现,有些用电器是兼具多种负载特征的。比如某些控制器,上电时是容性,因为控制器有输入电容,工作起来后,如果控制器控制的负载是电机就有感性,负载是加热装置就类似阻性。另外不同负载工况也不尽相同,这个还需要了解整车电气原理及具体功能应用。

所以,最终功能的可靠性一定是依赖于前期假定的负载特性及工况,如果负载特性发生了变化,应用就可能会出问题。如果针对不确定的负载特性,保护特性就非常难设计,严一些就可能会和负载特性相冲突,导致误动作,宽一些就需要增加芯片裕量,导致成本升高,或者该保护时不保护,增加使用风险。

一个 12V 直流电机的特性曲线(来源:英飞凌)

如上图,这个电机负载有近 30ms 的 5 倍额定电流,如果是针对这个负载的保护策略,就需要把这个冲击电流给过滤掉,保证不会误动作。再考虑到电机堵转时间的不确定性,需要把时间再拉长。但如果负载变成了阻性,这时候就可能是发生了线束破皮搭铁,需要保护了。

负载特性、保护特性与线束特性曲线(来源:ST)

上面这张图非常完美的阐释了线束特性、保护特性及负载特性的关系,图中黄色为负载电流 / 时间特性,绿色为器件保护特性,红色为线束 I²t 特性。所以对设计来讲就必须同时满足以下要求:

  • 保护特性必须对负载特性实现包络,否则就会误动作;

  • 保护特性必须在线束特性范围内,否则故障时就可能会烧线;

  • 三条曲线必须保证全温度范围内没有交叉。

前面我们已经详细分析过了负载特性对保护策略的影响,但是没有具体数据对比,可能大家还没用直观感受,我就上一组数据对比一下:

负载特性与保护参数特性(来源:左成钢)

文中我为什么要一直强调负载特性呢?就上面这些个负载特性及故障参数,且不说针对通用性设计,就是针对特定类型负载,你给我定个保护策略试试?所以说,通用设计或通用负载类型保护设计都是很难的。设计必须针对具体负载,设计的可靠性和成本才能平衡。从这个角度来讲,乘用车设计难度要远低于商用车,做商用车的小伙伴们可以小小地傲娇一下,虽然技术落后点,但是难度更大。

静态电流问题

前面我们也分析过,传统保险丝是有很多好处的,包括简单好用、便宜、皮实,但还有一点是一直被大家忽略掉的,那就是作为被动器件的电流消耗。保险丝只是一段金属材料,作为完全的无源器件,它不消耗任何额外电流,可以持续地保护线缆,防止出现任何短路故障,随时都能起到保护作用。

在车辆运行时,保险丝的这个优势无法体现,但是当车辆处于停放状态时,整车对静态电流的消耗就提出了要求,这时候保险丝的优势就体现出来了。它可以静悄悄地为整车提供保护,同时不增加任何额外的静态电流消耗,而半导体芯片则不行。单维持芯片导通还好一点,但至少要几十 µA,如果同时还需要保护功能(废话,不保护车停那里就有烧掉的风险),那电流等级就要到 mA 级别了。

这里再普及一个小知识,一般高边驱动方案,不管是用 HSD 集成芯片还是驱动芯片外加 MOSFET,一个通道维持导通外加保护功能,一般需要 5mA 左右,这是 OEM 打死都不能接受的(一般乘用车 OEM 要求整车 15mA~20mA 左右)。

几款 HSD 静态电流参数(来源:ST、Infineon、TI)

比如有 5 个功能需要常电,那就需要额外 25mA 左右,如果蓄电池容量又不大,那么车放一段时间就没电了。比如原来能放一个月,现在就只能放半个月了,你出个长差回来,发现车子启动不了了,你说你什么感受?

乘用车车辆蓄电池容量、静态电流与停放天数关系对比如下:

车辆蓄电池容量、静态电流和停放天数关系(来源:左成钢)

商用车比如中重卡,蓄电池普遍偏大,动辄 100Ah 以上,加上有总闸,还有就是卡车是用来赚钱的,使用模式不一样,一般也不大可能十天半个月停着不动,贷款还得还呢。所以商用车这方面问题要比乘用车好一点。

另外,针对纯电动车,现在的趋势是蓄电池小型化。比如特斯拉就采用了 33Ah 的小电池,因为不需要承担起动机启动任务了嘛,同时只要不下电,就有高压电池在那里撑着,也用不着它。但是一旦高压下电,低压静态功耗控制不好,导致蓄电池亏电,即使高压有电,车辆也无法启动。当然了,纯电动车因为只要能让高压接触器吸合,车辆就能上高压并启动,高压 DC-DC 就可以给低压蓄电池充电了,这个比燃油车的起动机对电池剩余电量的需求要小得多,但相应要求是否可以降低一些还有待商榷。

所以针对电子化后静态功耗增加这个问题,斯拉别出心裁,高压根本不下电,这是个系统工程设计,主要是为了支持所有 Online 服务的,也顺便解决了采用半导体设计带来的静态功耗问题,当然几十 mA 的功耗增加在特斯拉 2.6A 的静态电流面前就是个弟弟。

但这个问题对别的 OEM 来说,可能就真是个问题,除非纯电动车你能照抄特斯拉这个系统设计,并且你的用户还能买账。因为并非所有用户都能接受停车后高压电池每天 1% 掉电的,你没有额外带来一些价值就无法说服客户。同时不同品牌的受众群体也差异较大,认知不在一个频道,对有些设计的接受程度就存在极大差异,比如 iPhone 用户对信号差、电池小和没快充就能接受,换安卓用户你敢想?

而对燃油车来讲,因为只有低压铅酸蓄电池,如果要求常电负载较多,静态电流就降不下来,这个问题就是无解的,必须要有一款 uA 级的解决方案才行。

针对这个问题,ST 新推出了一款车规级驱动芯片,专门用于高边驱动外置 MOSFET 应用,耐压达到 60V,可以用于乘用车及商用车领域。ST 的这款芯片待机电流低至 70µA,在待机时可以进行持续供电,同时还具有保护功能。

驱动芯片待机静态电流参数(来源:ST)

最后做一下总结,本文从系统、成本、认知、技术等四个维度分析了智能电气架构落地的难点,笔者认为,这四点中,认知可能是最重要一点,也是最难改变的一点。智能电气架构作为一种颠覆性的技术创新,改变人们对其的认知,从某种意义上讲,可能比其他所有努力都要重要。

限于篇幅,有些技术点并没有涉及到,比如为什么可以考虑 MOSFET 采用并联设计,而 HSD 不能直接并联呢?为什么高边供电设计一定要耗电呢?汽车电子的工程设计思维和传统电子设计有哪些差异呢?欢迎小伙伴们留言,后续我们可以继续分析。

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