九章智驾

九章智驾

2022-03-01

特斯拉为什么要 「干掉」 保险丝和继电器?

  1. 特斯拉
1,630

作者:左成钢

前言

采用新技术不是目的,而是结果。到终点的路有很多条,但最短的路,往往只有窄窄的一条。

本文将以特斯拉的电气架构演变为切入点,深入分析技术需求是如何驱动车辆最底层的电气架构发展的,以及基于半导体器件的电气架构对汽车产业可能产生的影响。本文重点讨论传统配电盒与电子化的智能配电盒的区别,并非说 「电子化一定更安全」,而是说 「安全的上限可以更高」。

为便于大家更好地理解,文中将普及一些基本的车辆电气原理,包括保险丝、继电器原理、半导体器件原理、车辆线束等。

笔者认为高等级自动驾驶技术率先落地的一定是商用车,而非乘用车。因此本文会将商用车电气架构及半导体器件对其产生的影响一并进行分析。

在 2 月 19 日发布的《干掉保险丝和继电器,自动驾驶才能更安全》一文中,我们提到了特斯拉 Model 3 作为全球第一款引入了区域架构的量产车型,已经彻底取消了在车上用了上百年的低压保险丝和继电器,这是一个极其大胆的创新设计。

前文也提到了,笔者认为,特斯拉取消低压保险丝和继电器,是在其整车电子电气架构设计下自然而然的结果,是结果而非目的。今天我们将就此做进一步的分析。

特斯拉电子电气架构的演变

车辆电子电气架构的演变及趋势,现在大家都讨论得比较多了,我们不再赘述。特斯拉的架构演变基本也遵循了这个方向,只不过特斯拉量产的速度更快而已。

2012 年 6 月,第一辆 Model S 下线,已经有了较为明显的域划分,包括动力域、底盘域、车身域,ADAS 模块横跨动力和底盘域,Center Display 作为车辆的中央计算平台。2015 年 9 月,第一辆 Model X 下线,拓扑沿用 Model S,对鸥翼门相关功能增加了网络节点。

2017 年 9 月,第一辆 Model 3 下线,这个电子电气架构已和传统的分离式网络架构截然不同,不再区分域,而是跨域融合跨网段融合,采用中央计算机集中控制,这基本上已经达到了博世认为的区架构了,日本经济新闻认为这已经 「领先行业 6 年」。

特斯拉在电子电气架构上面的激进式创新,虽然是特斯拉的一贯风格,但最根本的原因,还是因为传统域架构已无法满足自动驾驶技术的发展及未来 「SDV 软件定义汽车」 需求,这都需要软硬件解耦,需要强大的硬件作为基础,否则 SDV 就无从谈起。

特斯拉的架构发展过程,也是功能再分配的过程,在这个过程中,特斯拉不断地把功能从 Tier 1 手中拿过来,再自行开发,其中最典型的就是 iBooster,特斯拉也对其进行了修改,加入了特斯拉的策略进去,特斯拉这种能力与胆量是其他 OEM 很难望其项背的。而到了 Model 3,包括自动驾驶及娱乐控制模块、FBCM、LBCM、RBCM、热管理等全是特斯拉自主设计开发的,特斯拉的架构有以下优势:

  • 主要模块全部自主。没有 Tier 1,特斯拉可以从整车电子电气系统架构层面进行大幅度的设计和创新。

  • 没有自主的模块,很多也进行了联合开发。比如 ibooster,特斯拉就可以直接通过 OTA 改善刹车距离,而不需要经过博世。这个传统 OEM 极难做到,因为风险很大。

  • 引领 「硬件预埋 + 软件付费」 模式。硬件功能极其强大,为 「SDV 软件定义汽车」 要达到的软硬件解耦打下了坚实的基础。

  • 硬件抽象,功能被从独立控制器中 「抽出」,集中到 Center Display 中。从功能角度看,软硬件实现了分离,这种 「虚拟硬件」 可以随着需求的变化被软件重新定义,而不用修改硬件本身

  • 区架构实现了跨域、跨网段,完全打破了传统车辆设计概念,灵活性更高,可定义性更强,系统成本更低,迭代速度更快。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。

在全新架构的加持下,基于特斯拉无与伦比的 OTA 技术,特斯拉的车就变成了一辆 「有生命的车」,每次 OTA 过后都是一辆新车,能给用户带来新的刺激,做到了常用常新。

回到主题,特斯拉为什么要干掉保险丝和继电器?这与特斯拉的电子电气构架演变到底有什么关系?不要着急,相信等大家看完全文后就会有自己的答案。

鉴于很多做自动驾驶的小伙伴们可能不太了解车辆电气系统,为了帮助大家更好地理解接下来我们要讲的内容,我们先来简单地介绍一下车辆电气的基本原理,这部分稍显枯燥,但有助于大家理解后续部分的分析。

汽车电气基本原理

  1. 车辆电力的来源:启动状态下是发电机(新能源车是 DC-DC,高压电池转到低压 12V/24V)和蓄电池并联供电,非启动状态就是蓄电池单独供电。实际上车辆启动后,就算你把蓄电池拆了,车辆功能是基本不受影响的,这可以理解为,蓄电池没电时,通过搭电(专业的词叫跳线启动,jump start)启动后,你的车也可以正常工作。

  2. 车上的电气根据使用要求,定义了不同的电源接通状态,一般是按点火开关档位划分 (OFF、ACC、ON、START)—— 现在车的点火钥匙基本都没有 ACC 档,但 ACC 电还是存在的。就比如你钥匙没打到 ON 档时,车窗是不能调节的,这是功能限制;但你关了钥匙,只要不拔出来,音乐还可以播放,这是人性化设置;你启动的瞬间,车窗升降会停一下,雨刮如果在刮,也会停一下,这是节省蓄电池电力给起动机使用。

  3. 不同的电源属性是通过配电盒里面的继电器来控制的,这种逻辑在设计之初就是确定了的,很多是硬线控制的,通过软件是无法更改的,就像你把钥匙从 ON 档打到 OFF 档后,很多功能就不能用了,因为没电了。除非改线,否则逻辑是不能改的,也就是说,这部分功能是不支持 OTA 的。

  4. 保险丝的作用是保护电线,说白了就是防止电线短路时烧起来,最后把车给烧了。有些小伙伴可能认为保险丝是保护用电设备的,实际上这种认识是不对的。就像你家电饭煲坏了导致跳闸,你以为是为了保护你的电饭煲吗?不是,电饭煲烧坏买新的就是了,如果墙里的电线烧了,你就要砸墙了,你觉着哪个划算?

  5. 保险丝和电线是要匹配的,是要做校核的,多大的保险丝就配多粗的电线。搞过房子装修的人应该都知道,空调线是要粗一些的,插座比普通的要大。如果你线走得细了,最后烧线了,可能是要砸墙的,不过放心,你的空调肯定不会坏。

  6. 每条线路中都有保险丝,但并不是每条线路都能独立受控。一般保险丝数量是继电器的 2 倍以上,也就是说,保险盒至少有一半的线路是不受控的,记住这一点,后面要考的。

  7. 继电器的作用就是我们初中物理学的,弱电控制强电,当然,这里的强电不是电压高,而是电流大。车上的 ECU 受驱动能力限制,一般不能直接驱动大功率负载,它只输出控制信号,通过配电盒中的继电器来控制负载工作。有些 ECU 自带了 PCB 继电器,可以直接驱动负载,但一般不带保护,保护还是要通过配电盒里的保险丝,这就要额外的电线,这点后面会详细讲。

  8. 保险丝和继电器都是被动元件,是没有状态监控及故障诊断的,保险供电和继电器控制也都是开环的。就像你的植物神经系统,脑神经系统是无法对它进行监控和控制的,你无法让自己不呼吸,你也不知道你的消化状态和血压。所以,想象一下如果你能控制自己的呼吸、心跳、血压、和消化,你是不是就变成超人了。同理,你的车呢?

  9. 车上还有一种电源,我们称之为常电,即 KL30,直接通过保险丝接蓄电池,不受任何控制,永远有电,除非拆掉蓄电池。一直搞乘用车的小伙伴们可能不知道,商用车的常电分两种,一种和乘用车一样,直接接蓄电池;还有一种是总闸常电,即使在 OFF 档,打开总闸就有电。当然停车后是要关掉总闸的,否则可能下次就打不着火了。

  10. 蓄电池电量总是有限的,所以需要对非启动状态进行严格的用电管理,防止蓄电池电量过快消耗。

  11. 接常电的用电器,在车辆停车落锁后,都必须进入休眠模式,此时整车耗电(静态电流)需要控制在极低的水平,以满足长时间停车后还能启动的要求。一般乘用车 OEM 要求整车 15mA~20mA 以下,正常放 2~3 个月后是能够启动的,所以不用担心你的车放了一个月会不会启动不了,这个 OEM 已经帮你想好了。

  12. 即便是新能源车,有容量庞大的高压电池,但停车下高压后,整车用电就来自于蓄电池了,如果车辆停放一段时间后蓄电池亏电,车辆也是无法启动的,所以新能源车一般也有严格的休眠电流要求。

也许你要问了,那为什么新能源车不能在蓄电池没电时自动启动高压电池,给蓄电池充电呢?这个主意非常好,恭喜你,你和拥有 「第一性原理」 的马斯克想到一块儿去了,但似乎除了特斯拉,还真没人这样做,这个我们先略过不谈,随后再详细分析。

两种不同的电气架构

传统车辆的电气架构

我们先来看一下传统乘用车的电气架构。

传统车辆一般有 2~3 个配电盒,其构造极其简单,属于传统的电气件,没有一点电子的东西,看起来傻、大、黑、粗,里面就是连接器 + 铜片 + 保险丝 + 继电器,一点都不高科技,只要你初中物理没还给数学老师,我保证电气原理图你肯定可以看懂,否则修车店也不好给你维护不是嘛。

话不多说,我们先上图,毕竟没图没真相嘛。下图是一个乘用车的发动机舱配电盒,属于整车的一级配电,车上所有的电源都需要经过它,就像小区的变电站的配电柜,每家每户的电都来自这里。

乘用车发动机舱配电盒(来源:网络)

图中我们可以看到,传统配电盒真的就是一个配电盒,名副其实,就是实现整车电源分配功能的一个盒子,纯电气性质的,没有电子元件,不可编程,功能一旦设计完成,就不可更改。

从上图我们可以看到,一共 40 个保险丝,19 个继电器,功能包括:ON 档、空调压缩机、鼓风机、除霜、仪表、车窗、雨刮、喇叭、灯光、油泵、变速箱、刹车等几乎所有功能,保险爆一个,你的车可能就要趴窝。

备用保险及保险夹

车辆 OEM 很贴心地把保险盒的所有功能都印在了保险盒盖子里面,简洁明了,连位置地图都给你对应好了,即使小白也能一看即懂,边上还有备用保险,甚至还有个取保险的小夹子,就是为了方便当你的车坏在荒郊野地,在你打电话救援的时候,救援人员让你看看某个保险是不是坏了,取一个备用的换上试试。一开始你肯定焦急万分,无从下手,束手无策,但当你把保险盒盖子翻过来的那一刹那,你一定会如获至宝,感激涕零。瞬间一股对某 OEM 的信仰之情从心底冉冉升起:「这车的设计简直太好了,太人性化了,我下次买车还买他家的。」

先别急,你再看看别家的,其实每家保险盒都是这样的。

下面我们再来看它的电气原理,你只要初中物理还没还给老师,应该就能看懂。

乘用车发动机舱配电盒电气原理简图

直接经过保险丝出来的就是常电 KL30,受继电器控制的各有各的逻辑,一般点火锁直接控制 OFF、ACC、ON、START,带一键启动功能的就是由 PEPS 模块来控制,但都是通过继电器,原理不变。

一级配电后面还有二级配电,一般位于驾驶舱,所以也叫驾驶舱配电盒。这个盒子比较小,保险丝多,继电器很少。由于是二级,坏的概率小一点,易接近性设计就不那么好,非专业人士不是那么容易找到。二级配电就像你家里入户门口的配电盒,你家的线路出问题,你家的配电盒会跳闸,但不会影响到小区的配电,也就不会影响别家的用电。

由于配电盒里面全部都是电气件,没有电子部分,没有通信,这就导致无论保险丝还是继电器,全部都是没有故障诊断的,控制也是开环的。配电盒对整车来讲就是一个黑盒子,无法监控,无法诊断,只要你没有发现故障,那就没有故障。

所以如果你在路上发现一辆车的大灯只亮了一个,那真的有可能是驾驶员根本不知道有一个灯坏了。因为无法诊断,仪表就无法提醒他灯坏了一个。但如果可以诊断联网,APP 主动提醒你并且已经帮你预约好了附近的维修点,那感觉是不是立马就不一样了?瞬间你就觉着 「这钱花的太值了,软件付费真香,明年接着续费」。

特斯拉 Model 3 的电气架构

好了,说完了传统架构,我们再来看一下特斯拉的电气架构,看它到底牛在什么地方。

Model 3 电气原理简图

相较于传统的配电架构,特斯拉的架构方案有以下优势:

  • 双供电电源 + 双接线柱输入的高可靠性。两个输入电源从两个独立的接线柱进入 FBCM(VCFront),而传统配电盒是单线输入的,特斯拉的方案可靠性明显更高。

  • 基于半导体器件的双供电的高可靠性。对于双电源设计(包括双电源输入和双电源输出)的单路开路故障,安全性方面,半导体设计和保险丝是一样的,但对于单路短路故障,半导体器件的保护动作速度远高于保险丝,所以也就更安全,这在上篇文章 「干掉保险丝和继电器,自动驾驶才能更安全」 里有详细说明,在此不再赘述。

  • 控制和执行的融合。淡化了配电盒的物理概念,FBCM、LBCM 和 RBCM 本身即是一个 ECU,同时也是起到了配电盒的作用,这二者功能进行了融合,BCM 可以直接控制任意负载了,这个意义极其重大,我们随后还会再详细分析其带来的影响。

  • 保护和控制的融合。基于半导体器件的配电带来的另一个优势就是,线路保护和控制融合了,保护即控制,控制即保护,这个意义也极其重大,我们稍后再展开分析。

  • 保护和控制的融合带来的另一个优势就是,每条线路都变得可以独立控制了,也就是说,可以针对每条线路单独编程控制了,这个意义也极其重大,记好了后面要考。

  • 诊断功能。基于半导体器件的配电带来的另一个优势就是,原来开环的电路,现在可以做到闭环了。每一条线路都是可以监控,可以诊断,且信息可联网。

好了,架构部分大概讲完了,接下来我们详细分析基于半导体器件的配电技术取代了保险丝和继电器后,都带来了哪些改变。但在此之前,为便于大家理解,我们还得先普及一些基本概念,我尽量讲解得通俗易懂,相信大家看了会有所收获。

保险丝及继电器的基本原理

保险丝的基本原理

  1. 保险的基础特性
车载保险丝规格及其熔断特性(来源:Little,英飞凌)

从上图我们可以看出来保险的一些基础特性:

(1). 保险丝分快熔和慢熔,车上用的小片式都是快熔的,电流小;盒式和板式都是慢熔的,电流大。

(2). 保险丝是依靠在故障时发热熔断来进行线路保护的,是一次性的,不可自恢复的(自恢复保险成本极高,乘用车极少使用,我们抛开不谈),熔断后需要更换。

(3). 保险丝规格是不连续的,如常用的 5A,7.5A,10A,你想要 8.5A,对不起,没有,你只能往上靠,用 10A 的保险;就像你买三责险,50 万,100 万,你想要个 70 万的就没有,只能买 100 万的。

(4). 保险丝规格决定了保护电流,如安装了 5A 的保险丝,就绝对不要超 5A,实际用电要比 5A 低好多。就像你买了 50 万保险,就绝对不要去挑战几百万的豪车,毕竟超过 50 万的部分是不赔的,当然你要买了 300 万三责险,当我没说。

(5). 保险丝依靠过流发热熔断保护,熔断时间随电流变化极大;以快熔片式保险丝为例,200% 电流最长 5s 熔断,350% 就是 0.5s 了,快了 10 倍。

(6). 由于保险的保护是靠发热,那保护时间就是随环境温度变化的,外面越热熔断得也越快,导致保护很不精确;还以快熔片式保险丝为例,200% 额定电流的熔断时间从 0.15s 到 5s 不等。

(7). 保险只能保护短路,对过流故障几乎不起作用。不知道你发现了没有,所有的保险丝对 110% 的电流都是不保护的,比如 10A 的保险丝,你给它 11A 的电流它就永远不保护。

(8). 短路电流无限制,这会导致两个问题:一是电源电压会瞬间被拉低;二是会打火,如果有可燃气体就会有危险。

(9). 按 I2t 寿命一般在 10 万次左右。

  1. 保险的应用设计:

(1)再重申一遍,保险丝是用来保护线束的,而不是保护用电器的。

(2)保险设计是车辆电气设计的第一步:①根据负载特性定保险丝;②根据保险丝定线径;③根据线径设计整车线束。就像你装修房子,定了空调放在哪里,装修公司才能给你走线。

(3)保险的裕量有四部分构成:①基础降额 25%,负载不同可能降得更多;②温度范围,发动机舱高温,再降额 10%;③计算结果向上靠近,算出来后没有这个值,就只能向上靠;④考虑 I2t,可能再升一档,用更大的保险丝,否则寿命不允许。你让用户 6、7 年换次保险问题不大,你要让他 2 年就换他肯定会骂你。

(4)商用车由于车身很长,一根线从前到后可能十几二十米,还需要考虑 「长导线效应」 导致的保险失效,避免发生短路电流不足以让保险熔断,导致持续发热,然后线束烧毁的事故。

(5)基于这么不靠谱的保护特性,设计时就要给它留足裕量,裕量留小了容易熔断,用起来就很不可靠。就像我去年买车险,保险公司说现在豪车太多了,一线城市起步都买 200 万三责了,买少了你上路开着心里也不踏实。保险熔断了换一个就好,不值钱;撞了豪车,资金链 「熔断了」 那可就麻烦大了,所以我就买了 200 万的。

(6)保险值选好了,接下来就是匹配线径了,这个和选保险丝一样,也要留足裕量。保险小,线大,出了问题就烧保险;反之保险大了,线小了,那出了问题就是直接烧线,甚至烧车。换你是设计人员,你怎么选,你说那简单啊,我把线设计的足够粗不就没问题了。那你先问问项目经理允许不允许?导线规格大一号,价格可不止翻一倍啊!这可不是 50 万三责到 200 万,保费没贵多少。

(7)好了,问题来了,保险要够大,线又要够粗,你怎么办?还能怎么办,一是靠经验,二是靠计算,三就是靠测试验证了。想想 OEM 的电气设计工程师,为此又掉了多少头发?

保险丝、线径和电流的关系(来源:博世)

最后我们来对保险丝做一个总结:

(1)技术悠久,可靠性够用;

(2)使用成本低,一个保险片一毛多钱;

(3)使用简单,但是设计复杂,电气设计效率低,设计更改成本高,试验验证周期长;

(4)虽然保护不精确,但是够用,设计好了就没啥问题;

(5)熔断后需要更换,需要 「易接近性」 设计,以方便维护;

(6)保险丝裕量大,线束裕量更大,导致线束成本高;

(7)无法监控,无法诊断,只要不影响使用,保险烧了你可能都不知道;

(8)保险丝和线必须匹配。所以大家的车保险烧了不要乱换,一定要用规格一样的,换小了容易烧保险,换大了烧车!

综合以上分析,大家可以看到,保险虽好,且用且珍惜吧!

继电器的基本原理

  1. 继电器的基础特性

继电器本质上就是一个用小电流来间接驱动大电流的机电器件,它历史悠久,使用广泛,简单易用,成本合适。

话不多说,我们上图。下面是一款继电器的寿命参数,及继电器的温升曲线。

Tyco 一款车载 Plug-In 继电器(来源:Tyco)
继电器内部温升与线圈电压、带载电流的关系(来源:英飞凌)
继电器的负载降额(来源:NXP)

从上图我们可以看出来继电器的一些基础特性:

(1)继电器电气寿命远低于机械寿命,也就是说,继电器坏的时候都还是能动的,但是不通电了。你能听到它啪嗒啪嗒响,但是车却坏了。

(2)因为有 20 万次寿命限制,发动机舱继电器设计的都是可更换的。

(3)继电器的温度取决于三部分:环境温度、触点发热、线包发热。

(4)继电器根据使用环境温度需要降额。

(5)继电器根据负载不同需要进行不同的降额设计。

(6)需要来自 ECU 的控制线,输出线再拉到用电设备,这增加了线束回路,增加了成本。

(7)开环控制,无法监控,无法诊断,坏了你可能都不知道。

(8)商用车由于线束很长,受长导线杂散电感影响,继电器切换会产生一些高压脉冲,会对其他电子设备产生过压危害,影响整车 EMC 性能。具体我们会在下篇文章《自动驾驶商用车需要什么样的电气架构》里进一步讨论。

(9)有 「Dry switching」 问题,设计不好会影响使用寿命,且前期很难发现这个设计问题。其本质就是继电器的触点在切换时,尤其是释放时,要求有一个最低电流,以保证能够产生一个电弧去清洁触点的接触面。没有拉弧会影响寿命,拉弧太大也会影响寿命。

(10)继电器的设计应用相对简单,一般根据以往经验及继电器供应商推荐使用问题不大。

基于半导体器件的配电技术基础

其实,在灯光类负载、继电器线包等车辆的小电流负载控制方面,基于 MOSFET 的 HSD 芯片(High side switch 高边开关)早已广泛应用,但受限于 HSD 芯片的成本及技术发展速度,车载大电流负载控制仍在使用传统的继电器。

乘用车配电技术发展趋势(来源:NXP)

传统保险丝和继电器都属于机电件,属于材料和机械电气结合的领域,而基于半导体技术的 MOSFET 和 HSD 芯片则是电子器件,二者是有本质的区别的,其差异比诺基亚的功能机到苹果的智能机还大,类似于植物和动物的区别。

基于半导体器件的配电方案根据应用场景有两种:

  1. 驱动芯片 + MOSFET 分立方案。这种方案的复杂度高很高,突出表现在:电流检测难度大,电路保护复杂,诊断功能复杂,保护功能少、保护速度慢、保护策略复杂。该方案的综合成本较高,适用于大电流场合。目前车载应用较少 —— 车载大电流应用还是以保险丝 + 继电器为主。

  2. HSD 智能高边开关集成方案,单芯片集成了驱动 + MOSFET + 电流检测 + 热保护 + 电压保护 + EMC + 各种诊断。此方案 10 年前已开始普及,至今仍限于小电流负载应用(<25A),成本低,可靠性高。

特斯拉的 FBCM 中大量使用低 RDS_ON(即低导通阻抗,大电流)的 MOSFET 用于电源分配,总数在 50 颗以上,小电流采用了英飞凌的 HSD 芯片,而作为二级配电的 LBCM 中则只用了 20 颗左右的 MOSFET。可见特斯拉是根据情况,大电流采用方案 1,小电流采用方案 2.

下面是英飞凌对于芯片取代继电器进度的预测:

HSD / 继电器电流 - 成本与替代速度(来源:英飞凌)

未来的方向肯定是基于单芯片方案的智能 HSD,随着技术的进步及成本的下降,应用范围会逐步扩大到车辆的整个电气系统,但个别极大电流应用仍将采用驱动 + MOSFET 的分立方案,整车电子化的时间据估计在 2025-2030 年之间。

目前,智能 HSD 芯片的供应商主要有以下几家:

  1. Infineon 英飞凌 其前身是西门子半导体部门。英飞凌的型号最全、系列最多、应用最广泛。从经典系列到 5 系、7 系,涵盖了乘用车 12V 和商用车 24V 应用,目前市场应用最广泛的 HSD 芯片非英飞凌莫属。
  2. ST 意法半导体 同为老牌车载芯片厂家,除英飞凌外型号最全、系列最多,从 5 系到 7 系,涵盖乘用车及商用车,市场排名第二。
  3. NXP 恩智浦 老牌车载芯片厂家,HSD 产品线来自于原 Freescale,最早可追溯到 Motorola 摩托罗拉,技术实力雄厚,芯片设计独辟蹊径,通用产品很多是从定制化产品转过来的,名字可能都不相同,属于你没怎么见过、但实际用得很多的那种。产品系列很全,涵盖乘用车及商用车。
  4. TI 德州仪器 只要搞电子的没有不知道他家的,模拟器件世界巨头,从消费、工业到车载,你都绕不过他家的产品。HSD 作为用量巨大的车载芯片,TI 怎么舍得这块肉呢,于是从 2014 年便开始陆续推出其 HSD 产品,目前芯片系列已逐步完善,但还限于 12V 乘用车(商用车量还是太小了)。
  5. Onsemi 安森美 1999 年从摩托罗拉的半导体部门分拆成立,2016 年,安森美收购了 Fairchild 仙童半导体,没错,就是你知道的那八个天才创立的公司,「摩尔定律」 也是他们提出的,后来才有了 Intel、AMD、硅谷。扯远了,Onsemi 的 HSD 型号较少,且主要集中于小电流,算是一种设计补充吧。

讲到这里你有没有发现,全是欧美公司,甚至车载芯片大国日本都没有一家!因为 HSD 的基础是车规级 MOSFET,而 Infineon 和 ST 有很好的车规级 MOSFET 基础,HSD 芯片是一种数字 + 模拟的技术,对芯片工艺要求很高,芯片的车载应用场景很恶劣,对可靠性要求很高,所以不像其他类型的芯片,全球能做的厂家很少。

另外,商用车由于量小,不到乘用车的一半,中国在 1/4 左右,所以除了 Infineon、ST 和 NXP,其他家没有涉足,且这几家最近都没有新产品计划。

基于半导体器件的配电技术带来的改变

  1. 功能更丰富

单个 HSD 芯片即可取代 1 个保险丝加 1 个继电器,同时实现可控开关和线路保护及诊断功能,且功能更多、更智能、更可靠、更小、更轻。

HSD 芯片 = 继电器 + 保险丝

下表是具体功能对比:

功能对比

强大的保护功能和诊断功能是可靠性和智能化的基础,通过基本功能的对比,小伙伴们有没有发现,基于半导体器件的智能配电盒和传统配电盒根本就不是一个物种?虽然都叫配电盒,但其本质却完全不一样,其差异大概比诺基亚的功能机和苹果的智能机还大。

  1. 性能更强

说完了功能我们再看性能,话不多说,上对比表。

性能对比

从性能对比我们可以看出来,基于半导体器件的智能配电盒,无论是从寿命、使用难度、温度范围、应用范围、开关速度、保护速度等,其性能均全面碾压传统配电盒。这是电子技术对传统机电技术的碾压,是智能网联时代对工业时代的碾压。

3.EMC 性能

上面的性能对比我们提到了 EMC,在这里还是要单独列出来讲一下,估计小伙伴们都比较关注这一点。

对乘用车来讲,目前电动化的势头很猛,搞电动车的小伙伴们都知道,电动化后高压系统会带来很多的整车 EMC 问题,相比之下,配电盒这点 EMC 可能就是小问题了,但我们能解决一点就解决一点。

传统配电盒的 EMC 主要由于保险丝保护时的瞬时熔断和继电器动作时的弹跳,经线束电感产生的,ISO7637-2 对此有专门的试验要求,12V 系统最高电圧可以达到 220V。

电流中断和电源切换导致的干扰(来源:ISO7637-2)

下面我们看一下继电器吸合时的弹跳,可能很多不了解继电器特性的小伙伴们觉着继电器不就是 「啪嗒」 一下就吸合上了吗?这样想你就 「图样图森破」 了,牛顿他老人家的棺材板也压不住了,只要是物体运动你就得遵循牛顿定律不是?继电器触点作为弹性体,啪嗒一下撞上去它肯定是要反弹的啊,它刹不住啊。从下面波形我们可以看到,它还反弹了好几下才停住,这种极快的开关,通过线束就会对系统产生极大的 EMC 干扰。

继电器触点弹跳波形(来源:英飞凌)

由于商用车线束普遍更长,这个影响就更大了,而且商用车还有一些其他问题,我们会在下篇文章 「自动驾驶商用车需要什么样的电气架构?」 里面具体讨论。

  1. 可靠程度更高

关于可靠性,参见 「干掉保险丝和继电器,自动驾驶才能更安全」 这篇文章,这里不再赘述。

关于双供电的可靠性,包括双电源输入和双电源输出,这一点大家比较关注,我们再多讲一下。

传统配电盒架构
特斯拉 Model 3 配电盒架构

传统配电盒实现双电源与特斯拉的差异如下:

(1)针对单路开路故障,两者基本等效,任意一个电源失效,都不影响供电。

(2)针对单路短路故障:

① 传统设计是双电源并联输入配电盒,电源输入就一个接线柱,短路可能导致供电失效;而特斯拉是两个电源接线柱,可靠性明显更高。

② 传统供电即使双线进入配电盒,并加双保险,因保险保护速度问题,电源可能会瞬时被拉低到欠压,导致供电故障。自动驾驶 Tier 1 大多要求供电支路故障快速关断,隔离时间在 100µs 左右,保险丝显然无法做到,而半导体的保护动作速度可以快至 10µs 级别。

③ 特斯拉采用双电源经 MOSFET 隔离后并联设计,是可以实现故障隔离的。针对输出单路短路故障,特斯拉的方案隔离时间可以更短。

Model 3 全新的电子电气架构中,其电源分配架构及负载控制全部采用半导体器件,电源分配架构充分考虑了目前高度自动驾驶辅助系统供电及控制功能安全所需要的电源冗余要求。例如其 12V 电池的电源(BATT+)和高压 DC/DC 模块输出的 12V 电源(DC/DC IN)组成电源输入冗余,EPS 输出也有冗余(EPS1 和 EPS2) 。

  1. 可编程

上面我们分析特斯拉架构时提到了,HSD 实现了保护和控制的融合,保护即控制,控制即保护,这将带来两大优势:

①配电盒将不再是配电盒,原来大部分的配电功能,现在全部升级成可控功能,那就是说,配电盒可以作为控制器来用了,配电和控制也融合了。

②每路单独可控就表示每条线路都支持单独编程控制了,这个意义极其重大,这就是 「软硬件解耦」,加上 OTA 就是实现 SDV 的基础啊,而这个基础,Model 3 已经打下来了。

  1. 长寿命,免维护

长寿命这一块儿我们在上篇文章里讲可靠性时专门讲过,不再赘述。正是因为半导体器件的这种特性,特斯拉的三个 BCM 全部都是全密封设计的,没有工具你是打不开,也就是说,非专业人士是无法进行维护的,普通人打开了你也看不懂,修车的也根本修不了。

基于半导体技术配电盒的免维护特性

加上纯电车相比燃油车无需更换机油机滤等,保养周期本来就更长,这下连保险盒都免维护了,所以特斯拉连 4S 店都省了。

免维护带来的另一个好处是配电盒不需要 「易接近设计」 了,这对整车设计来讲更友好了,从另一个角度来讲就是,整车设计更简单了,零部件布置更灵活了,效率更高了,速度更快了,成本更低了。

你看,是不是很 「马斯克」?处处透露着 「第一性原理」 的 「效率」 和 「成本」。没在车厂呆过的小伙伴们可能不了解,作为布置工程师,每天不是正在和别的部门 「撕」,就是在去 「撕」 的路上,设计限制少了,他们头发就能少掉几根。

  1. 防护等级提高,更安全

上面讲到了免维护,这会带来另一个好处就是:配电盒的设计可以做到全密封设计,防护等级更高。比如原来配电盒就是一个塑料盒,一个塑料盖子盖上,几个卡扣,防护可能只到 IP54,现在我就全密封,一下就到 IP67 或 IP69 了,这样即使发动机舱进水都没问题,可以保证整车供电安全,对电车来讲这一点尤其重要。对用户来讲就是涉水后配电盒不会坏了,这就降低了维修成本。

  1. 节能化、小型化、轻量化

性能对比里面我们提到了能耗、重量和体积,但没有具体给出对比,在此我们详细讲一下。

我们先来看一下器件级的功耗对比,可以看到,同等条件下,单个智能开关功耗基本上可以降低 2W 左右,一辆车按 10 个计算,功耗就在 20W 左右了。

Plug-in 继电器与智能开关功耗对比(来源:英飞凌)

我们先看一下器件级的尺寸和重量对比。器件级的小型化及轻量化是配电盒小型化及轻量化的基础,据笔者了解,同等功能下,智能配电盒的体积可以降到传统配电盒的 1/2 左右,重量降到 1/3 左右。不知道大家是否感受过传统配电盒的重量,一般都有六七斤,拿起来很重。而数字化后,即便是金属壳体(传统是塑料壳体),也会轻很多。

重量及尺寸对比(来源:右图 - 英飞凌)

现在大家都在讲节能减排、碳中和、设计轻量化,电子化的智能配电盒在这个方面具有了非常大的优势。下面是英飞凌基于欧盟碳排放标准计算的系统层面的成本节约。

基于欧盟 CO2 法规的成本计算(来源:英飞凌)
  1. 可诊断,可联网

电气件电子化以后带来的另一个优势就是可监控、可诊断,控制闭环。原来是个黑盒子,现在变透明了,就像你突然能感知自己的心跳和血压了,植物神经接入脑神经了,是不是想想都刺激,那还要智能手表和血压计干嘛。

可诊断的意义可大了去了,整车每一路的电流、电压都能随时监控,HSD 的电流检测精度能做到 5% 甚至更高,负载工作状态一目了然,这再加上大数据和 AI,是不是想想都让人心潮澎湃?真的是未来无限可能。不管你想做整车能量管理,还是电平衡,还是故障诊断,故障预警,那都是你说了算,你的地盘听你的。

当然了,联网后的信息安全是必须要有的,否则被黑客控制了就麻烦大了,这样想想还是传统技术安全啊!

  1. 精确的供电管理

每路单独可控后,你就可以做精确的供电管理了,这可比传统的配电盒分了几个 ACC、IGN1、IGN2、START 高级多了,你说你想怎么玩儿吧,是电量不足的时候自动给哪些负载断电呢,还是停车后想远程控制哪些功能,这都由你说了算,你的地盘听你的。

当然了,有些功能可能需要付费开通,这就又和特斯拉的 「硬件预埋 + 软件付费」 联系起来了,作为 OEM 是不是又发现了一点商机呢?

当然,「凡事皆有代价」。说到这里顺便就再提一下特斯拉的特色:停车后要实现一些功能是要付出代价的。

前文我们讲过,传统车是有极其严格的静态电流要求的,整车下电后静态电流在 15mA 左右,新能源车停车后高压是下电的(打到 OFF 档后高压就切断了),但特斯拉就说我偏不,我要不走寻常路,我停车后高压也不下电 —— 特斯拉的 BMS 有一个特殊设计,可以从高压电池取电,变成低压 12V 供整车使用,这就保证了蓄电池不亏电。

特斯拉为此付出的代价就是哪怕车停着不动,高压电池每天电量也需要掉 1% 左右。也许你会问,这不会把高压电耗光吗、,当然啦,特斯拉也做了相应的策略 —— 当电量低于 20% 时,有些功能就会被禁掉了。所以说,特斯拉是 「胆大心细」。

  1. 供电时序可控

传统配电盒的供电时序基本上是死的,设计成什么样就是什么样,后期就不好改了;但每路单独可控后,供电时序和下电时序都可以做到完全可控了,且可编程,可 OTA 了。

  1. 迭代速度快、更改设计成本低

基于以上分析我们可以发现,传统配电盒功能固定、不可升级,设计时需要对线束裕量进行校核,设计验证复杂、计算多、试验周期长、更新迭代速度慢,为保证不同车型及配置的兼容性,导致需要大量预留(从配电盒图片能看出来有大量空置保险丝及继电器位置预留),以上原因导致了设计复杂度增加,设计成本高,使用灵活性差。

干汽车电子设计的小伙伴们是否也有这种感觉,如今的技术迭代速度太快,手机每年一换,自动驾驶芯片算力突飞猛进,而汽车电子模块的开发速度还是需要一年以上,开发完成就能持续用上七八年,中间基本不带改的。

之前我们就谈过,传统 OEM 是有很沉重的历史包袱的,按以往的经验,模块及平台的共用可以显著降低车辆成本,保证了车辆的可靠性,但同时也导致了牵一发而动全身,任何的更改都需要很谨慎,改起来也很困难,周期很长,涉及面很广,成本也很高。

传统配电盒作为一个纯机电件,因为没有软件,基本谈不上迭代,只要需求变化,就需要更改设计,这就导致一方面设计验证需要周期,另一方面就是新增成本;而配电盒电子化以后,这些问题就都不存在了,强大的硬件作为基础可以实现软硬件解耦,进而通过 OTA 支持 「SDV 软件定义汽车」,可以低成本快速迭代。

  1. 线束总尺寸变短、总重量减轻

根据特斯拉对外宣称的信息,Model 3 相对 Model S 实现了线束长度减半 ——Model S 内部线束长度长达 3 km,Model 3 只有 1.5 km。实现如此重大的进步,全新电子电气架构的创新功不可没,其中创新性的区域架构及电子化的电源分配架构在其中也发挥了重大价值。据说 Model Y 上线束长度要控制在 100 m,但目前似乎还没有得到确认。

好,我们来讲一下车辆的线束,估计搞汽车电子和自动驾驶的小伙伴们对线束都不太了解。

随着车辆电动化、智能化及自动驾驶技术的发展,车内的传感器、执行机构、各种 ECU 的数量就开始了爆炸式激增,是个东西都需要电,就需要给它分配功率,就像人要吃饭、呼吸一样。电从哪里来,信号怎么传输,这就离不开电线。所以,汽车上线束的长度、重量、成本都在不断增加,线束的复杂度和成本也在增加,进而导致分布式 ECU 架构无法支撑未来无人驾驶的需求,这又是另外一个话题了。

我们先看乘用车,商用车我们另外分析。

乘用车线束长度、重量与成本(来源:NXP)

为什么配电架构能够减少线束长度呢?我们看一下两者的架构就明白了。话不多说,上图。

智能配电盒对线束优化的对比

电子化后的智能配电盒,在设计上做到了极大的优化,配电融合了控制,配电盒变成了 ECU,ACC、KL15 等信号也可以省掉,负载到蓄电池只经过了一个半导体器件控制,线束回路得到了极大的简化,配电盒继电器控制回路和 ECU 继电器的保险丝回路也省掉了。

再来看线束重量,回路优化带来的线束长度节省当然会减轻线束重量,另一方面,智能配电盒带来的导线线径变小也是功不可没。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。

话不多说,我们上对比表,先看保险丝的设计匹配:

再看用半导体技术的设计匹配:

从上面的对比表我们可以看出来,同样的负载电流,线径可以降一档,如果负载是电机类负载,那就可以降两挡甚至更多。

  1. 成本降低 5%-20%

上面已经谈了轻量化及小型化,还有线束回路节省及线径的降低带来的线束成本降低,也谈到的继电器和 HSD 芯片成本的对比关系。成本这一块几句话也说不明白,我们大概分几部分来分析:

  • 配电盒 BOM 成本 毫无疑问,目前及未来较长一段时间,电子化的智能配电盒成本都将远高于传统配电盒;

  • 线束成本 据笔者了解及核算,整车线束成本可降低 20% 左右,商用车由于设计裕量更大,线束更多,降幅也更大,这个我们另起文章讨论;

  • 车辆生产装配效率提升带来的成本节约 这部分不好评估,但成本的确是有降低的;

  • 系统成本 综合 BOM 成本升高及线束成本降低,系统成本大概有 5%~20% 的节省,具体依车型和架构而定。

  • 后期成本 ,包括兼容性、可迭代性带来的工作量减少,成本降低,及售后维护成本的降低,这些无法有效量化,但是值得考虑。

车联网及大数据应用

最后我们也蹭一下热点,谈谈配电架构电子化后还能带来哪些应用和价值,算是抛砖引玉,小伙伴们也来一起开开脑洞。

  1. 能量管理的数字化

原来整车的能量管理实际上是很粗放的,因为测不到、测不准、没联网,所以用电这一块儿就是估的,但是数字化和网联化以后,我们就可以提高数据的颗粒度、数据量和实时性了,这时候大数据和 AI 就派上用场了。就好比智能电表、水表普及以后,警察可以利用大数据分析,发现用电用水异常来抓毒贩;社区服务可以根据用水异常,及时发现独居老人的摔倒风险。

数字化及网联化以后,OEM 可以通过后台实时获取车上每一个负载、模块的电流及整车总电流,获得整车 Load profile 数据。具体可分为以下维度:

(1)以天为单位,分析各个时段车辆 Load profile 数据,分析白天、夜间数据差异。

(2)以季节为单位,分析各个季节车辆 Load profile 数据,分析季节差异,获取环境温度对车辆影响的相关数据。

(3)基于雨刮数据、灯光数据,区分季节,分析雨天叠加温度、夜晚对车辆 Load profile 数据的影响,获取极端情况下,车辆最大 Load profile 数据信息。

(4)基于车速、ON/ACC 信号,分析车辆运行、非运行情况下的数据,指导发电机、DC-DC 及蓄电池参数选型,以及整车休眠设计。

(5)以年为单位,对比分析同一台车,在不同年份的 Load profile 数据,获取季节(?)对车辆影响的相关数据。

(6)以年为单位,分析同类车型 Load profile 数据,找出差异,形成 Load profile 数据库,可提前发现车辆异常,降低维修成本,同时指导驾驶员合理用车,降低使用成本。

(7)分析最大 Load profile,通过软件策略或用车指导,降低整车最大冲击电流,提高车辆运行安全性,降低车辆设计裕量,降低车辆成本,指导车辆软件策略设计。

  1. 维保提醒

根据上面的分析,基于大数据,可以对车上每个负载建立画像,结合历史数据及负载特性,进行零部件寿命分析及风险预估。

比如一般的卤素大灯,灯泡寿命 500h~600h,这就可以提前提醒用户更换灯泡,避免灯坏了以后再去更换。就像我们用 iwatch 监控我们的日常运动、睡眠、卡路里数据一样,发现异常可以及时提醒我们改正生活习惯或者进行体检,注意身体健康。

  1. 故障预警

基于用户用车习惯的大数据分析,及时发现异常情况,进行故障预警。比如某些回路电流虽然在正常范围内,但结合大数据分析却存在异常,就可以及时通过仪表或 APP 提醒用户进行检查,避免车辆运行风险。

  1. 商用车运营成本降低

对于商用车,由于其用车特点导致维修较多,每一次故障都意味着运营成本的提高。所以就可以结合维修数据,给每辆车建立一个数字维修车间,为车辆维护提供数据支撑,提前预警,防止车辆运行时出现故障,降低运营成本。

通过以上分析,小伙伴们是不是又发现了一些 「软件付费」 的商机了呢?对特斯拉的 「硬件预埋 + 软件付费」 模式是不是又有了新的理解了呢?

长期以来,我们只盯着硬件 BOM 成本,不怎么考虑迭代成本、车辆制造成本、用户维护成本,以及 「硬件的软件价值」,马斯克在这一点上是不是对我们进行了 「降维打击」 了呢?马斯克的 「第一性原理」 实际上是站在了更高的维度上去思考全局性问题,进而提出解决方案,这一点很值得我们思考。

讲到这里大家有没有发现,这是不是又和自动驾驶产业的 「场景 —— 数据 —— 算法」 的模型联系起来了呢?传统配电盒升级到智能配电盒后,便带来了数字化,进而产生了数据;但光有数据不行,颗粒度不够也不行,仅仅数据量大没有维度也不行,在数字化且颗粒度足够细化以后,结合使用场景便出现了多维度的数据;再加上快速迭代的算法,然后再回到使用场景,数据 + 算法 + 场景就协同起来了,于是,价值便产生了。

回到标题,特斯拉为什么要干掉保险丝和继电器?想必各位小伙伴都已经有了自己的答案。很多时候我们看到的只是结果,而非原因,但这个结果给我们指明了未来的路。

限于篇幅,自动驾驶商用车的电气架构我们将在下篇文章进行深入分析,敬请期待!

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