智能配电盒的作用及关键器件

原创一名汽车电子硬件工程师 2024-09-26 21:03

下载：硅基/SiC/GaN 全技术图谱 热管理技术新标杆：ST维也纳PFC与FOC控制方案深度解析

说起来这个就不得不说特斯拉的贡献，汽车的传统保险丝盒用了几十年，即便是在汽车内部某些小的模块已经实现了一部分的电子配电，但在特斯拉之前，还真没人敢或者没人想过把车上所有的配电都用电子配电的方式来实现。

那智能配电盒究竟能给汽车带来哪些价值呢，先简单看看特斯拉的配电。特斯拉的配电并不是集中式的配电，而是通过前车身控制器、左车身控制器、右车身控制器三个控制器一起来实现两级配电。前车身控制器连接DCDC、12V蓄电池和车身地，然后再给左右车身控制器进行配电，左右车身控制器再来实现二级配电。之前我们了解的特斯拉为什么用这种电子配电的方式，而不是用传统的保鲜盒的配电方式。大抵上了解到的是为了实现就近配电，减少线束长度，降低成本，但其实还有很多用户感知不到的一些价值存在。

一

●

智能配电能够实现us级别的快速关断

智能配电能够实现us级别的快速关断，实现常规负载与安全负载的供电安全隔离，确保行车安全。对于传统保险丝，当负载比较大的时候，例如冷却风扇发生短路故障，传统保险丝熔断的时间大概在30ms-100ms左右，这个时间完全可以将蓄电池的电压拉低到6V以下，导致ESC、EPS之类的安全负载被复位，使车辆瞬间失去转向或者制动，当电压恢复重新建立起来转向助力或者制动的时候，可能就会导致事故发生的风险极大的增加。

如果采用智能保险盒，发生短路的时候E-fuse能够快速实现关断，保障电网内的其他用电设备供电不受影响，实现供电的安全隔离，确保行车安全。

二

●

智能配电可实现整车配电状态的实时检测

智能配电的每一路输出都是单独的MOSFET控制或者是E-FUSE，具备诊断功能，对于过流，开路短路都能够实时的检测到，并且保存故障码，后期可以通过诊断仪来进行读取。能够实现故障的快速定位，在整车开发阶段简直就是无敌般的存在，毕竟车辆开发的前期，线束的故障是相当多的。提升了开发效率，自然就能降低开发的成本。

另外智能配电还能检测当前通道的电压值、电流值等，能够自动上报当前通道的状态，对于每个端口的供电端口电压、电流状态、开路、短路、过温、过流等信息能够实现信息化的管理。对于异常状态进行存储和大数据分析，来适时地调整智能配电盒的供电逻辑和配电策略。

例如当电流的保护阈值设置的不合理，阈值太高不能起到保护作用，阈值太低可能会让用电器突然断电。或者当车辆后续有升级改装的需求，也只需要通过软件调整电流保护的阈值，就可以实现硬件免更换免维护了。

最后，智能配电还能降低整车在下电后的风险，传统保险盒的设计，是在车辆下电后车上的用电器依然会有12V的常电连接在用电器上，而对于智能配电盒，对于下电后不需要常电供应的用电器，直接关断其供电，在车辆再次上电的时候再来进行配电。消除了一些因为车辆停放被老鼠咬断电线导致起火的场景，虽然这个场景足够罕见，但让罕见的事情彻底不发生，也是提高了车辆的安全。

三

●

智能配电对供电电压进行集中的抑制和滤波

智能配电对供电电压进行集中的抑制和滤波，提升了整车电源的质量。

对于ISO7637里面规定的5a波形，这种波形产生的原因是由于交流发电机给电池充电时电池断开，交流发电机输出电压急剧上升形成浪涌冲击电压。这种异常的电压施加到产品供电处，造成设备损坏。电动车在DCDC给电池充电时，也有类似情况，所以电动车也需要考虑电源抑制的问题。

但是传统的保险盒由于与蓄电池是通过保险丝直连的，所有电源上的干扰会直达后端的所有用电器。导致用电器端都需要按照很强的要求进行电源抑制电路的设计。如果通过智能配电盒进行一级、二级配电，后端附件所在的电网的电源质量会高很多，甚至可以降低对后端用电器的保护电路的设计，来达到降低物料成本的目标。

四

●

智能配电能够避免负载间干扰

智能配电能够提供满足Asil-D的配电架构，对于高功能安全等级要求的负载，例如制动、转向、自动驾驶控制可以提供双路的供电，并且每个负载之间的配电相对独立，确保高安全等级要求的负载与低安全等级要求的负载之间的电气隔离，还能实现负载过流故障的诊断，以及双路供电之间的隔离。

五

●

智能配电能够实现栓路蓄电池互相补电

冗余配电架构能够实现双路蓄电池互相补电，提升配电回路鲁棒性。能够通过各种途径的关断来实现两个电网之间的互补，满足异常情况下的安全操作目标。

图1 蓄电池1发生开路故障时，通过蓄电池2给通道1的负载供电图2 蓄电池2发生开路故障时，通过蓄电池1给通道2负载供电图3 蓄电池1发生对地短路故障，关闭蓄电池1供电开关实现关断隔离，蓄电池2给通道1的负载进行供电图4 蓄电池2发生对地短路故障，关闭蓄电池2供电开关实现关断隔离，蓄电池1给通道2的负载进行供电

六

●

智能配电盒的关键器件

智能配电盒根据其主要功能，有3种不同的关键器件。

一是能够控制关断的理想二极管，理想二极管的作用就是实现ORing电源，也就是竞争电路，哪个电压高用哪个，来快速的实现电池的互补。

上面这个图就是比较典型的用二极管来实现ORing电路的示意图，只是用普通的肖特基二极管的话，电流比较大的时候，二极管的压降所带来的功率那就不得了，所以理想二极管的用法和拓扑是这样的（参考TI的《理想二极管控制器的ORing电源》）。

但这样只能保障做竞争电源，当其中一个二极管后端发生短路故障的时候，也会影响到另外一个二极管，所以还需要加一个反向的隔离，效果就是这样的。用两个MOSFET来实现对后端故障的抑制。

二是能够提供常电供电并且还能进行配电的E-FUSE（以下图ST的VNF1048为例）。E-FUSE是连接的常电，在车辆下电的状态下也是导通的状态，并且通过低功耗的模式来降低整车在休眠状态下的暗电流，当后端用电器例如T-BOX、BMS等控制器被远程或者本地唤醒的时候，E-fuse能够通过内部的电荷泵快速的导通自己所控制的MOSFET来实现供电，并且唤醒相关的控制节点。并且还可以增加额外的NTC和分流电阻进行温度和电流的实时检测。

三是不能提供常电供电，主要目标是进行配电的高边驱动开关。高边驱动就是需要等主系统起来之后，然后通过智能配电盒来进行配电，在休眠的时候没有工作的或者被唤醒的需求，例如座椅，空调附件，车内的灯或者智驾相关的摄像头雷达之类的。高边驱动有对应的过流保护阈值，当后端的电流超过了保护阈值，高边驱动就立即断开，us级别就能够响应。并且在短路故障后连续进行5次尝试重新开启，如果故障没有消失，就会一直关断直到故障完全消失。以下图英飞凌的BTS7008为例，就是一个用在智能配电盒的典型器件。