汽车智能电气技术分析分析 随着自动驾驶对汽车计算能力和电子电气架构升级的需求,智能汽车销量持续高增长,域控制器发展势头强劲,预计将成为中期行业的主流趋势。车辆厂域控架构渗透率有望加快,高性能、集成、可扩展或将成为域控制器的主要发展趋势。在此过程中,芯片制造商、集成商、汽车制造商都布局在域控制器上,每个环节都有不同的竞争要素,模式空间都有自己的特点。短期内,本地供应商将围绕成本优势和集成能力进行布局,有望在汽车制造商智能平台的快速迭代过程中取得技术突破,进一步提高市场份额。 集中升级电子电气架构,域控制器快速发展。传统的汽车分布式电子电气架构难以满足日益增长的智能需求,可以集成算力、降低线束和制造成本、提高再利用率。高性能、集成(成本控制叠加生产难度降低)、可扩展(软硬件解耦方便)OTA升级)三个特点为中期域控制器的发展提供动能。由此驱动,域控制器渗透率有望提高,2025年 全球自动驾驶和智能驾驶舱域控的市场空间预计将扩大到1000亿元。 “芯片 集成商 整车厂构成产业链上下游。观察到:芯片端竞争围绕性能、生态、开发落地、成本四大维度展开,Mobileye英伟达和高通在股市地位稳定,有望在增量市场取得快速突破,实现全球领先;集成竞争的主要战场在于软件开发、定制需求把握和快速生产能力,博世、安波福等国际制造商积累了广泛的布局,协调产业链资源能力强;在产能扩张、产品快速迭代、软件能力持续提升的帮助下,本土厂商强势崛起。 本地供应商实现突破,短期降本和国内替代,长期依赖技术迭代。在外部非经济因素的推动下,国内替代需求中长期确定性较强。在此推动下,国内芯片供应商取得了部分突破,采用了华为、黑芝麻、地平线等方案;国内区域控制器集成商凭借客户合作、产能布局等先发优势实现了业务突破。国内芯片厂商和集成商认为,通过客户资源的积累和配合验证,有望在弯道超车,实现技术突破和价值链上移。 利润预测与估值 建议投资者继续关注:德赛西威(中金电子集团覆盖)、华阳集团(中金电子集团覆盖)、中金电子、经纬恒润(未上市)、科博达软集团(中金计算机组覆盖)、中科创达、光庭信息(未覆盖)等汽车基础软件和中间部件提供商。 如果智能车辆是未来,那么智能电气架构必须是其基础。 本文将从特斯拉、大众和福特三个新型SUV电气架构比较开始分析,看特斯拉为什么能领先行业实现智能电气架构,传统汽车公司的历史负担如何阻碍其新技术,从车辆系统设计,到成本模式认知和技术模式认知,最终面临技术困难,详细分析如何实现智能电气架构。 本文涉及乘用车和商用车的应用。本文还将普及一些基本的车辆电气原理、传统方案设备成本、半导体方案和成本、线束基础知识、负载基本特性HSD芯片基础、MOSFET基础、电流与成本的关系、电子电气设计的相关难点、芯片参数的选择等,都是为了吸引玉石,希望与行业合作伙伴共同推动智能电气结构的实施。 如今,汽车行业正在经历剧烈的电气化和智能化变化,这必然导致车辆发生变化ECU随着电气架构数量的增加和复杂性的增加,传统汽车公司在架构升级过程中会做些什么?有哪些考虑? 正好有外国网站3IS基于特斯拉Model Y,对比了大众ID.4与福特Mach E这三款车的电子电气架构都是纯电动的SUV,大众和福特作为一家传统的大型汽车公司,与特斯拉相比具有代表性。 从下图的ECU以及网络类型节点对比表,Model Y、ID.4、Mach E的ECU特斯拉的集成度分别为26、52和51,这主要是因为特斯拉将有许多小型ECU所有功能都集成到区域控制器中。前面说过,比如特斯拉 Model 3的FBCM,它不仅负责配电,还负责左前灯控制、空调控制、热管理等功能,横跨传统车身、驾驶舱、底盘和动力域。 前面说过,传统OEM它有很大的历史负担。根据以往的经验,基于现有成熟模块的再利用可以显著缩短车辆开发周期,降低开发成本,确保车辆的可靠性。但如果步骤太大,一旦进行大规模集成,它就会移动全身。 因此,对于传统汽车公司来说,任何变化都需要非常谨慎,因为有很多限制,很难改变,周期很长,涉及面广,风险大,成本高。 每个人都应该记住,ID.刚上市的时候,出现了很多软件bug,成千上万辆汽车停在大众汽车厂等待升级。大众汽车仍然是如此,其他家庭可以想象。因此,可以看出,虽然福特和大众汽车声称是一种新的纯电气结构,但它们仍然重复使用了许多小型结构ECU。 但不可否认的是,公众在电子电气架构升级过程中做了很大的更新。如果你感兴趣,你可以去看看奥迪e-tron与ID.对比4的电子电气架构,可以看到巨大的变化。 对比三款车的模块数量和网络节点(来源:3IS) 从上图Lin也可以看到总线的数量,ID.4和Mach E特斯拉的数量几乎是特斯拉的两倍,这也表明基于侧面的大量重复使用Lin通信的小型ECU,这些都是典型的传统设计方法。 特斯拉在前两篇文章中进行了详细的分析Model 3 对于智能配电方案和电气结构,感兴趣的合作伙伴可以看到特斯拉为什么要杀死保险丝和继电器?和自动驾驶商用车需要什么样的电气结构?。从下表中,我们可以从另一个方面了解智能电气结构对车辆的影响。 可以看到,ID.4和Mach E在这方面,它仍然是一个传统的设计,3个配电箱、1个前舱、2个驾驶舱和大量的继电器和保险丝Model Y则沿用了Model 所有的设计都被半导体方案所取代,传统继电器和保险丝的数量为0。 比较三个汽车配电模块、保险丝和继电器的数量(来源:3:IS)
虽然这种设计差异导致公众和福特也采用了域控架构的概念,但这三种电子电气架构仍然存在很大的差异。 特斯拉的架构更接近于区控制架构,这个可以从Model S内线束长度为3 km,到Model 3只有 1.5 km由于区域架构对线束的节约具有明显的价值,因此得到了证实。Aptiv在使用区域架构后,还计算了线束成本可以降低25%Visteon认为区域架构可以节省50%或更多的线束长度。
节域控制器节省线束(来源:Visteon)
另外Visteon还阐述了区域智能配电的价值,包括:
- 双电源分级供电;
- 推进配电技术电子化,取消传统保险丝;
- 虚拟化中央配电箱,优化保护特性;
- 基于电流和电压诊断的故障预测,智能电源管理;
- 负载优化带来的保险丝和其他价值。 区域智能配电价值(来源:Visteon) 事实上,这些东西在最后两篇文章中已经从太多的角度进行了深入的分析。不能说公众和福特不了解区域结构,也不能分析区域智能配电的价值?Model 3于2017年9月下线,大众和福特于2020年和2021年批量生产,中间有三四年,但特斯拉仍是世界上唯一使用区域智能配电的OEM,这足以解释问题。 另外,3IS最后的结论也很有趣-3IS根据目的和约束条件,很难简单地说谁的结构是最好的。OEM虽然这不是最好的,但使用沿用技术可以降低研发成本。特斯拉别无选择,只能从头开始,所以它可以走一条完全不同的路,没有任何限制。 事实上,特斯拉对旧车型也有约束力。针对2012年推出的2012年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使用这种技术model 3第一次使用智能配电方案开始,已经相隔五年了,所以很难升级和改造旧车型,这是基于特斯拉成熟的区域智能配电架构。 此外,通过对特斯拉的旧车型Model X (2015-2020)及Model s (2016-2020)的分析也可以看出,即使是传统的配电箱方案,特斯拉的设计也与传统不同OEM。 特斯拉Model S/X前舱配电箱(来源:teslatap) 特斯拉Model S/X驾驶舱配电箱(来源:网络) 从上图可以看出,特斯拉用于整车Plug-in继电器很少,只有5个(传统车近20个),驾驶舱配电箱上只有保险丝,没有继电器,特斯拉在model 3.区域智能配电的创新结构奠定了基础;相比之下,5年后大规模生产ID.4和Mach E分别为7和22。 那么,为什么大众、福特和特斯拉在电气架构上的差距如此之大呢?接下来,我们将从系统、成本、认知和技术的角度详细分析智能电气架构的困难。 一. 车辆系统角度 正如前一章所说,汽车上的许多设计实际上都在移动全身,因为汽车是一个非常复杂的集成系统,汽车有成千上万的部件,许多系统是相互关联的。例如,以特斯拉的高压无电策略为例,这涉及到许多具体的设计:
- 特斯拉Model 停车后,高压动力电池将始终保持连接,高压电池每天放电速度约为1%;
- Model 3静态工作电流为2.6A,传统高压下电车辆静态电流为15mA~20mA左右,为了保证电池不会断电,下次可以正常启动(低压断电不能上高压,因为BMS、VCU都是用的12V电池电);
- 据估计,这么大的电流会导致铅酸电池很快耗光,所以特斯拉又开始了BMS集成小型DC-DC停车后为整车提供12V电源,防止电池断电;
- 设计的初衷是支持一切Online服务,如哨兵模式;
- 这种设计促使特斯拉直接取消高压预充电路,这可能是世界上第一个; 6.特斯拉使用了闻所未闻的低压电池DC-DC逆变高压预充,不支持频繁的高压上下电,所以相应的设计是特斯拉高压第一次上电后一般不下电。 说起来比较绕,做了脑图,大家看看: 特斯拉高压不下电设计(来源:左成钢) 从这里可以看出,功能的实现需要整个系统设计的配合。它只是高压部分,涉及预充方案BMS、DC-DC新设计的模块和策略;事实上,特斯拉在低压电源分配和控制方面也有相应的设计。 因此,如果你不从车辆系统的角度深入分析功能的实现,步骤太大,做很多新功能,做很多集成设计,会移动全身,改变A会导致B问题,移动B发现C不好。有很多限制,很难改变,周期很长,涉及表面广,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”。 二. 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,连和往下讨论的冲动都没有了。 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。 下面这张图片在前面的文章中分享过,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) 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,要是Tier 1都不好意思和OEM提成本。 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,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。 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。 不可能在同一时间,同一场合,解决所以的问题,要改变约束条件,换一种思路去解决。这就是经常说的,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,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。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,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。 三. 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,这个放到过去敢信? 01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,买了1.5T的,买完了觉着动力不行,和4S店说想换2.0T的,这就离谱了,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,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。 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。 02技术模式认知 之前也讲过,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。 在和众多OEM进行过技术交流后,大家首先的反应就是,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?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 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,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,不能根据经验说传统的方案就已经很可靠了,那是因为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,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) 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,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。 下面再来看一下MOS管的耐冲击电流能力,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,意思就是要是给足了散热,它能给干到235A的电流,但实际上没人敢这么用,总不能给它上液氮冷却吧,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,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,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,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,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,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,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。 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 这一点之前的文章已经讲得比较细了,在此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。 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想象,所以只有先改变对它的认知,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。 四. 技术角度 前面从系统、成本及认知角度分析了智能电气架构面临的问题,这一章,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。 01技术范畴 谈这个问题之前,先讲一个经历。打车时如果遇到纯电动的,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。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,只能10A、15A地来选择,线径裕量一般也足够,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,这个随后再详细分析。 这里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,就拿发烟时间来讲——就是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。 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。 那说传统搞配电盒的厂家搞不定,做电子模块的厂家呢?懂电子设计啊,没错,但这句话只说对了一小半,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)。 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。 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,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。 02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; • 保护电路复杂,保护策略复杂; • 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。 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 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。 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。 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。 不建议多个MOS并联应用,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。 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(就问大众福特敢不敢)。 功率MOSFET价格(来源:Onsemi) 03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:
- 对负载冲击电流不应保护;
- 负载短时过载时不应保护;
- 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:
- 硬短路需要快速保护;
- 软短路根据需求进行保护;
- 保护速度适当,保证导线不能发生损坏;
- 器件保护后不能发生损坏或参数劣化; 上面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。 负载特性前面分析过,但实际应用中会发现,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,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,给定个保护策略试试?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。 04静态电流问题 前面也分析过,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,出个长差回来,发现车子启动不了了,说什么感受? 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,除非纯电动车能照抄特斯拉这个系统设计,并且用户还能买账。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,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,换安卓用户敢想? 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,后续可以继续分析。
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参考文献:
- Munro And 3IS Compare Tesla, Ford & VW Electrical Architectures, 3IS
- Zonal_EE_Architecture-Towards a Fully Automotive Ethernet–Based Vehicle,Visteon
- NXP Philippe Dupuy-Improving the automotive power distribution architecture
- 特斯拉为什么要干掉保险丝和继电器?九章智驾
- 自动驾驶商用车需要什么样的电气架构?九章智驾
- 干掉保险丝和继电器,自动驾驶才能更安全,九章智驾
- Fuse Function with PROFET application note, Infineon
- Paralleling Of Power MOSFETs For Higher Power Output,International Rectifier
- Using power MOSFETs in parallel,NXP