汽車行業經歷了一場變革，幾乎涉及汽車設計的各個方面，從引擎管理到車身控制功能，再到車輪、制動和安全等等。整個車身上下，只有一個地方的架構仍和百年前一樣：配電架構。這個遺留部分也將和其他領域一樣經歷轉變 — 加入變革的行列。

　　50多年以來，作為領先的汽車電子技術供應商，恩智浦了解全球汽車行業的需求，并且憑借顛覆行業的先進技術展現了其滿足這些需求的能力。本白皮書將著重介紹汽車行業應改良現有配電架構的原因、描述可做出的改變，并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，并且為汽車配電架構革新提供了充分理由。推動電氣化浪潮的三股主要力量包括：“互聯汽車”模型、新動力系統與法規以及已獲得市場研究人員認可的平臺的全球化與合并。1本分析將從兩個方面進行分析：繼電器替代產品和保險絲替代產品。圖1顯示了汽車制造商在六個特定領域中的現狀。

　　圖1.汽車各部位更換繼電器的速度存在差異

　　照明（1）系統已經開始更換繼電器。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、泵等裝置仍然在非常普遍地使用繼電器，數量為7-20個，具體由原始設備制造商決定（OEM）。此領域面臨的趨勢是，在2018年至2022年期間，將采用固態替代產品完全取代繼電器。

　　電氣化的遠大未來將依賴于配電架構經過改造的電力分配（5）接線盒。要將電力從蓄電池分配到每一個負載模塊或每一組負載，需要使用50到60（甚至100）根保險絲以及5到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，幾乎所有制造商都會在接線盒中使用繼電器和保險絲。而從2020年至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部件。這個遠景似乎非常宏大，但已發生于世界各地的家庭和建筑中。事實上，數十年以前人們用斷路器代替保險絲之時就已經發生過。

　　最后一部分（6）是引擎管理。隨著停止-啟動系統和其他輕度混合應用中的48V系統功率不斷增加，48V總線上產生電弧，致使繼電器不足于滿足負載開關的要求。這種電弧后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。

　　互聯汽車面臨的挑戰

　　對于互聯汽車趨勢，車輛的電力網絡必須與固定結構的外部電源相連。除了電源以外，要將48V輕度混合汽車連接至固定結構，車輛需要與車庫中的48V端口或外部48V電源進行通信。

　　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集線器歸類為ISO 26262元件，適用于關鍵領域，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規范，但對集線器新增這種要求尚屬首次。

　　在車輛中配備12V和48V兩種電源所增加的復雜性將會給設計、組裝、維修以及售后帶來挑戰，難以確保系統之間的兼容性和獨立性。

　　雖然與過去相比，汽車技術將變得更為先進，更為適合這些應用，但推動配電架構更替的真正力量卻將來自于互聯汽車的新功能，因為繼電器將不能滿足其需求。舉例來說，被許多制造商采用的啟停功能會影響到某些應用，例如擋風玻璃雨刮器。采用啟停動功能之后，雨刮器系統在切換循環數量方面的任務會大幅增大，遠遠超出普通繼電器的承受范圍。因此，繼電器無法在車輛的整個生命周期內發揮預期的作用。在其他應用（例如泵和HVAC系統）中，繼電器也面臨同樣的窘境。

　　表1匯總了各種趨勢以及固態電源和半導體公司供應商遇到的相應挑戰。

　　4.動力系統與法規

　　集線器優化和車輛減重背后的成本節省優勢引發了是否通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。2為了避免支付高昂的罰款，OEM應該會積極優化和減輕集線器的重量，尤其是對于集線器平均重達30kg的中等車輛而言。

　　全球化

　　最后一個趨勢是全球化。借助大型平臺方案，OEM能夠盡可能縮短工程時間，降低相關成本，并縮短新車的整體上市時間。單個平臺能夠以最低的工程投入和成本，為一系列車輛提供通用性。對于半導體供應商而言，包含電源分配功能的集線器必須盡可能靈活，以便與高低端車輛兼容。

　　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。345但是，要使變革的力度足以拒絕現狀，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活動來完成本次變革。

　　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顯示了對各項已知特征進行比較的結果。

　　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后，可以減少集線器內的電機干擾（EMI）噪音。

　　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。7要使機械式繼電器滿足這項法規要求，將需要許多額外的組件，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，由于停止-啟動系統的任務增大和質量相關問題，需要加大繼電器，以應對浪涌電流）。采用48V電源之后，機械式繼電器將面臨嚴峻的兼容性挑戰。

　　系統分析：保險絲

　　現代化的高端汽車可以輕松配備100根保險絲和4個保險絲盒，方便進行維修和更換保險絲。這個空間和入口都在車廂之中，其代價非常高昂，因為它會降低乘客的舒適感。在發生短路之后，固態受保護設備（電子器件或電子保險絲）不需要進行更換，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。

　　相比采用單值設計、不能編程的機械式保險絲，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值。電子保險絲的這種靈活性使它能夠完全兼容大型平臺車輛的設計。

　　機械式保險絲，尤其是當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也能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，通用的售后更換保險絲發揮了重大作用。圖3顯示了在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。

　　圖3.不準確是機械式保險絲本身存在的一個重大問題，也是規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合乎互聯汽車趨勢的動態操作狀態。電子保險絲還能夠通過自身提供的診斷和健康監測功能，提升集線器的安全等級。這層額外的保護已經可見于部分汽車制造商的座椅和車門應用中以及數量有限的車輛中。

　　表3顯示的是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。圖表中沒有顯示可靠性這一項。由于人為干預，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。不同于機械式保險絲，電子保險絲在遭遇人為事件之后可以復位，不會給車主帶來后續成本或麻煩。

　　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，通過電子解決方案淘汰接線盒甚至減少接線盒數量的舉措并未獲得顯著進展。

　　目前，對電子更換起主要推動作用的是汽車制造商，而不是半導體行業。OEM了解這種變革的價值，要求汽車實現電氣化。雖然芯片解決方案價格更高，但汽車制造商在計算之后得出結論，從系統和車輛層面來看，他們可以實現成本節省。

　　電氣化可利用電子斷路器/開關來降低集線器和汽車架構的復雜性。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，絕不會超過250A（25%保護頻帶）。但是，對集線器和保護集線器的每根保險絲實施分析的結果顯示，集線器中的電流容量水平可以達到950A。類似情況也發生在室內布線應用中。汽車機械工程師應了解這種容量過剩所具備的重要意義，以及改變這種狀況所需采取的措施。

　　圖4.現今規格過高、成本高昂的接線容量

　　預期或可能的變革

　　對車輛配電架構作何種更改，取決于用于更換機械式繼電器和保險絲的解決方案的可購性。因此，這種電氣化預計會經歷多個步驟或階段。第一步可能發生于2018至2022期間。在這個階段，機械組件會實現電氣化，但其架構保持不變。電子繼電器和電子保險絲將簡單地取代機械式繼電器和保險絲。

　　之后，在2020年至2030年期間，會開始向互聯智能接線盒和智能保險絲盒轉變，充分利用電氣化帶來的所有優勢，包括回到該架構以優化集線器的尺寸，使其與電源容量相匹配，并利用完全安全的容錯架構，準備迎接自動駕駛汽車的到來。恩智浦正在分析某些新興理念，以做好迎接這種未來變革的準備。

　　行業攜手

　　向完全電氣化的配電裝置轉變的舉措并非全無困難。以下介紹了在更替繼電器和保險絲過程中遇到的兩種問題：

　　? 機械式繼電器開啟時，無論兩種輸出是何種極性，它都會開啟。即使電池反向，繼電器仍會開啟。但是，MOSFET配有集成本體二極管，在電池反向的情況下，會直接發生短路。為了避免發生短路，固態繼電器需要阻攔反方向的電流。這種攔截需要使用背靠背MOSFET，大幅提高了解決方案的成本。成本大幅增加是不對許多繼電器進行更換的一大重要原因。

　　? 保險絲的情況也類似。由于保險絲只是一片金屬，是一種非常被動的器件，在車輛長時間停放期間，保險絲會繼續保護線纜，防止出現短路，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。如今使用的解決方案都處于毫安范圍，但實際卻需要一款微安解決方案。否則，只需一周左右時間，電池電量就會完全用完。

　　發揮領導作用

　　作為汽車、網絡、飛行器以及其他行業的使能技術供應商，恩智浦對于實現互聯和推動變革非常感興趣。但是，電氣化革命是無法依靠一家公司來完成的，它需要跨行業的合作。恩智浦已充分準備發揮領導作用，讓車輛布線改革成為現實。

　　本文作者：Philippe Dupuy，博士，智能繼電器和智能電網高級研發經理