【導(dǎo)讀】現(xiàn)代汽車已成為名副其實的“輪式超級計算機(jī)”，搭載著1000至3000顆半導(dǎo)體芯片，構(gòu)成了復(fù)雜的車輛神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。隨著汽車自動化、舒適性和電氣化程度的不斷提升，這一數(shù)字仍在持續(xù)攀升。面對日益增長的電氣與電子組件需求，汽車電力與控制架構(gòu)正在經(jīng)歷一場深刻變革。本文將深入探討車輛配電系統(tǒng)的三大趨勢：區(qū)域架構(gòu)的采用、48V總線的應(yīng)用，以及智能電子保險絲的普及，揭示這些技術(shù)如何共同塑造下一代汽車的電氣骨架。
傳統(tǒng)架構(gòu)
在傳統(tǒng)汽車架構(gòu)中，車輛使用數(shù)百個功能固定的電子控制單元(ECU)實現(xiàn)各種控制功能。這些ECU通常靠近其所控制的部件布置，并通過物理連接構(gòu)成覆蓋整車通信的子網(wǎng)絡(luò)。以制動系統(tǒng)為例，每個車輪都有獨立的制動ECU，這些ECU相互連接形成專用網(wǎng)絡(luò)。這種分布式架構(gòu)帶來了顯著的挑戰(zhàn)：長距離布線導(dǎo)致線束復(fù)雜且沉重，甚至成為汽車中最重的部件之一；專用軟件需求造成龐大的代碼量，據(jù)報道接近每輛車2億行代碼，增加了開發(fā)與維護(hù)的復(fù)雜性。
為解決這些問題，汽車行業(yè)首先引入了基于域的架構(gòu)，通過集中式方法整合相關(guān)功能：由域控制器統(tǒng)一管理某一功能域（如動力總成、懸架、制動）內(nèi)的所有功能。然而，單個域可能覆蓋整車范圍，布線量依然可觀。
區(qū)域架構(gòu)
區(qū)域架構(gòu)代表了汽車電氣設(shè)計的范式轉(zhuǎn)變，它采用以地理位置為優(yōu)先的分布式方案。在這種架構(gòu)下，車輛內(nèi)特定區(qū)域的區(qū)域控制器(ZCM)負(fù)責(zé)支持該區(qū)域內(nèi)所有功能。例如，位于前角的區(qū)域控制器可同時管理該區(qū)域的制動、電動車窗、燈光和懸架等功能。
區(qū)域架構(gòu)的四大優(yōu)勢
大幅減少銅線用量
基于域的架構(gòu)平均每輛車使用約50kg線纜，而采用區(qū)域架構(gòu)的車型（如特斯拉Model 3）線纜重量可減少高達(dá)85%。對電動汽車而言，這種減重至關(guān)重要，有助于提升續(xù)航里程，或使用更小、更便宜的電池組。
分布式可靠性提升
在域架構(gòu)中，單一故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)全面停機(jī)。區(qū)域架構(gòu)通過配電、控制與通信的分散化，實現(xiàn)了路徑冗余與隔離。即使部分組件失效，安全等關(guān)鍵功能仍可繼續(xù)運行，顯著提高了系統(tǒng)可靠性。
軟件定義硬件
區(qū)域控制器的功能模塊化提升了硬件復(fù)用率，控制器可通過軟件定義并支持升級。這種面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)將車輛信號或數(shù)據(jù)以服務(wù)形式提供給應(yīng)用層，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化API與模塊化結(jié)構(gòu)，同時支持高效、低成本的無線(OTA)更新。
簡化裝配流程
模塊化設(shè)計有助于實現(xiàn)更高效的裝配流程，減少人為錯誤，提升自動化程度，為汽車制造商帶來生產(chǎn)效率的顯著提升。
圖1展示了德州儀器(TI)白皮書中提出的區(qū)域配電架構(gòu)
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48V總線：電力分配的技術(shù)飛躍
將標(biāo)準(zhǔn)12V低壓系統(tǒng)升級至48V，在純電動汽車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)中正日益普及。這一升級帶來了多重優(yōu)勢：減小電源線線徑，降低功率損耗，并支持更高功率輸出。
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以驅(qū)動240W負(fù)載為例，48V系統(tǒng)僅需5A電流，而12V系統(tǒng)需要20A，這意味著更細(xì)的導(dǎo)線和更低的能量損失。48V總線可用于為高電流負(fù)載供電，同時保留12V系統(tǒng)用于低功率負(fù)載和執(zhí)行器。
未來可能的發(fā)展方向是以48V作為唯一輸入電源，由區(qū)域控制器在本地完成一次與二次電源分配，從而取消配電系統(tǒng)中的配電箱(PDB)，進(jìn)一步簡化架構(gòu)。
當(dāng)然，48V系統(tǒng)也面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，包括更嚴(yán)重的電弧問題，需要更大的爬電距離與電氣間隙。此時，采用氮化鎵(GaN)開關(guān)將帶來顯著優(yōu)勢，目前已有多種100V額定GaN器件非常適合48V總線的電源開關(guān)與DC/DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用。
智能電子保險絲：精準(zhǔn)的電路保護(hù)方案
電子保險絲作為一種半導(dǎo)體開關(guān)，相比傳統(tǒng)熔斷式保險絲具有革命性優(yōu)勢：可復(fù)位、具備可動態(tài)配置的改進(jìn)型電流-時間(I-t)特性，并支持故障診斷。在負(fù)載需求靈活的場景下，其高度可配置性使其成為區(qū)域配電架構(gòu)的理想選擇。
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電子保險絲的關(guān)鍵作用在于通過隔離路徑，確保配電架構(gòu)中的故障節(jié)點與系統(tǒng)其余部分隔離。當(dāng)區(qū)域中的某個負(fù)載出現(xiàn)故障時，可通過關(guān)閉其路徑上的電子保險絲進(jìn)行隔離，避免影響整個區(qū)域供電。
對于安全關(guān)鍵負(fù)載，可采用多路供電方案，利用電子保險絲隔離故障電源并快速切換至備用電源。以TI的TPS2HCS08-Q1為例，這款SPI控制的高端開關(guān)適用于12V低壓總線應(yīng)用，提供全面的保護(hù)功能，包括過流檢測與關(guān)斷、熱關(guān)斷、瞬態(tài)耐受及反向電池保護(hù)。
智能電子保險絲的時間-電流特性關(guān)鍵參數(shù)均可編程，包括標(biāo)稱電流、關(guān)斷延遲、過流閾值等，使其能夠適應(yīng)具有高浪涌電流的容性負(fù)載。其診斷功能支持檢測對電池短路和開路負(fù)載，而10-20μA的低靜態(tài)電流可有效降低車輛停放時的電池消耗。
汽車電氣架構(gòu)的演進(jìn)是一場靜默卻深刻的技術(shù)革命。區(qū)域架構(gòu)、48V總線和智能電子保險絲的協(xié)同發(fā)展，正共同塑造著下一代汽車的電氣管絡(luò)系統(tǒng)。這些創(chuàng)新不僅解決了傳統(tǒng)架構(gòu)的重量、復(fù)雜性和可靠性問題，更為軟件定義汽車和持續(xù)的功能升級奠定了堅實基礎(chǔ)。
