汽車控制架構(gòu)革命

電動(dòng)汽車和智能車輛的快速演變重塑了工程師對(duì)電力分配和電子控制的看法?，F(xiàn)代汽車配備了數(shù)百個(gè)互聯(lián)電子控制單元（ECU），涵蓋從動(dòng)力系統(tǒng)管理到乘員安全以及先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等各個(gè)方面。
為管理這種復(fù)雜性，汽車電子行業(yè)經(jīng)歷了三個(gè)主要架構(gòu)階段（見圖1）：

• 分布式架構(gòu)：每個(gè)ECU直接連接到中央控制器。

• 領(lǐng)域架構(gòu)：功能分組——如動(dòng)力系統(tǒng)、車身或信息娛樂(lè)系統(tǒng)——雖然減少了總線負(fù)載，但增加了布線復(fù)雜度。

• 分區(qū)架構(gòu)：ECU按物理位置分組，由負(fù)責(zé)車輛各區(qū)域的區(qū)域控制單元（ZCU）管理。

這種分區(qū)轉(zhuǎn)移整合了本地控制，簡(jiǎn)化了線束，減輕了重量，并實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的模塊化設(shè)計(jì)。通過(guò)將決策點(diǎn)設(shè)在更靠近行動(dòng)發(fā)生地點(diǎn)，區(qū)域控制降低了延遲，增強(qiáng)了故障安全，并通過(guò)軟件定義控制支持未來(lái)的車輛更新。

圖1。汽車控制架構(gòu)的發(fā)展

通過(guò)分區(qū)控制提升電動(dòng)車效率和可靠性

在電動(dòng)汽車中，ZCU作為各自區(qū)域的指揮中心——匯總數(shù)據(jù)，管理分布式ECU，并確保通過(guò)高速以太網(wǎng)或CAN-FD與其他區(qū)域的可靠通信。

分區(qū)方法還通過(guò)優(yōu)化電池管理、電力轉(zhuǎn)換和負(fù)載控制，提升能源效率和安全。然而，這種分布式智能帶來(lái)了新的電氣風(fēng)險(xiǎn)，從瞬態(tài)浪涌到靜電放電（ESD）和過(guò)流事件。

因此，堅(jiān)固的保護(hù)策略對(duì)于保持性能并滿足汽車可靠性標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

保護(hù)區(qū)域控制單元（ZCU）

由于ZCU作為每個(gè)車輛區(qū)段的電氣和通信樞紐，必須承受故障、瞬變和惡劣的作環(huán)境。圖2概述了典型的ZCU框圖。

圖2。ZCU框圖

1. 電源保護(hù)
電源或負(fù)載電路中的故障可能導(dǎo)致過(guò)電流狀況。用途：

• 快速作用熔斷器或聚合物PTC可復(fù)位熔斷器——均為AEC-Q200認(rèn)證——用于隔離故障并防止損壞。

• 瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管或金屬氧化物壓敏電阻（MOV）用于吸收高壓負(fù)載泄漏。MOV負(fù)責(zé)高能量事件;TVS二極管的鎖緊更緊，反應(yīng)更快。

2. 通信與控制線保護(hù)

通信總線如CAN、LIN和以太網(wǎng)必須在ESD和浪涌事件下保持完整性。

• 應(yīng)用低電容靜電二極管或聚合物抑制器，以保護(hù)信號(hào)線同時(shí)不影響傳輸。

• 選擇響應(yīng)時(shí)間小于1納秒且漏電率低的保護(hù)設(shè)備，以防止數(shù)據(jù)流干擾并最小化功耗。

3. 環(huán)境耐久性

所有組件應(yīng)滿足汽車級(jí)的溫度、振動(dòng)和濕度要求。經(jīng)過(guò)認(rèn)證的保險(xiǎn)絲、MOV和靜電抑制器確保即使在極端熱循環(huán)或電壓應(yīng)力下也能保持長(zhǎng)期可靠性。所選組件應(yīng)符合AEC認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

保護(hù)車載電池充電器（OBC）

車載電池充電器（OBC）將交流電輸入轉(zhuǎn)換為直流電壓，為車輛的高壓電池組充電，通常在400伏至800伏之間運(yùn)行。隨著更快、高功率充電器的普及，確保防范電網(wǎng)和車輛引發(fā)的瞬變變得至關(guān)重要。

圖3展示了典型的OBC電路，并配備了推薦的保護(hù)措施。

圖3。車載充電器框圖

1. 輸入與浪涌保護(hù)

考慮使用以下組件：

• 交流輸入端配備高中斷電流保險(xiǎn)絲，以防止過(guò)載。

• 靠近交流輸入端子的MOV用于吸收閃電或柵格切換引起的浪涌。對(duì)于三相系統(tǒng)，在相-相和相-中性線之間添加MOVs。

• 將MOV與晶閘管結(jié)合，在較低電壓和更快速度下鉗位，降低下游峰值電壓。

• 氣體放電管（GDT）旨在進(jìn)一步隔離火線和地線，增強(qiáng)對(duì)雷擊瞬態(tài)的防護(hù)。

• 剩余電流監(jiān)測(cè)器（RCM）用于檢測(cè)絕緣泄漏或低至6毫安直流或10毫安交流的交流/直流故障電流。

2. 整流器和功率因數(shù)校正

• 使用能夠承受浪涌和瞬態(tài)條件的高電流晶閘管和IGBT電容器。

• 集成具有強(qiáng)鎖存抗性、快速切換和最高30 kV靜電穩(wěn)定的柵極驅(qū)動(dòng)器。

3. 直流/直流轉(zhuǎn)換與輸出階段

• 對(duì)于電壓升降電路，在集電極和柵極之間使用TVS二極管（有源鉗位）來(lái)穩(wěn)定IGBTs。

• 使用MOV或TVS二極管保護(hù)輸出電壓級(jí)免受瞬態(tài)尖峰的影響。

• 在直流路徑上安裝保險(xiǎn)絲，以防止短路或電池接線故障。

• 在連接OBC和ZCU的通信線路上添加ESD二極管以防止數(shù)據(jù)損壞。

有了這些保護(hù)層，OBC能夠安全地管理快速充電周期和電網(wǎng)干擾，同時(shí)確保長(zhǎng)期性能。

保護(hù)牽引電機(jī)逆變器

牽引電機(jī)逆變器將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，用于推進(jìn)電機(jī)。該子系統(tǒng)承受高電流和高電壓應(yīng)力，要求對(duì)功率半導(dǎo)體進(jìn)行精確控制和保護(hù)。

圖4。牽引電機(jī)逆變器框圖

1. 電源和柵極驅(qū)動(dòng)器保護(hù)

• 使用保險(xiǎn)絲和TVS二極管防止直流母線電壓尖峰。

• 按照Z(yǔ)CU CAN/CAN-FD電路的建議，用ESD二極管陣列屏蔽CAN收發(fā)器。

• 使用靜電電阻陣列保護(hù)柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路，以防止靜電或開關(guān)引起的損壞。

2. 半導(dǎo)體保護(hù)

• 對(duì)于硅閡MOSFET，柵極和源之間的TVS可以緩解快速瞬態(tài)。

• 對(duì)于IGBT電極，使用集電極到柵極的TVS二極管來(lái)夾持高壓瞬態(tài)——這種方法稱為主動(dòng)鉗位。

• 集成熱保護(hù)器，在過(guò)熱時(shí)切斷電流。

3. 電流監(jiān)測(cè)與診斷

• 使用霍爾效應(yīng)電流傳感器進(jìn)行電機(jī)負(fù)載隔離電流監(jiān)測(cè)。這些設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)負(fù)載異常，而無(wú)需增加串聯(lián)電阻或功率損失。

通過(guò)保護(hù)這些關(guān)鍵逆變電路，設(shè)計(jì)師可以提升傳動(dòng)系統(tǒng)效率、熱管理以及整體電動(dòng)車可靠性。

長(zhǎng)期可靠性設(shè)計(jì)

隨著汽車行業(yè)加速向軟件定義的電氣化車輛發(fā)展，向分區(qū)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變帶來(lái)了在可擴(kuò)展性、成本和安全方面無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。然而，這種分布式智能依賴于整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的強(qiáng)大電氣保護(hù)。

為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

• 通過(guò)保險(xiǎn)絲、MOVs、TVS二極管和靜電抑制器的組合實(shí)現(xiàn)分層保護(hù)。

• 選擇可承受嚴(yán)酷環(huán)境應(yīng)力的汽車級(jí)零部件（AEC-Q200/101）。

• 在設(shè)計(jì)過(guò)程早期集成保護(hù)，簡(jiǎn)化驗(yàn)證，避免下游重新設(shè)計(jì)。

• 與能夠就合規(guī)前測(cè)試和汽車安全標(biāo)準(zhǔn)提供建議的零部件專家合作，最大限度地減少認(rèn)證延遲。

結(jié)論

區(qū)域控制正在重新定義車輛電子設(shè)備的組織方式——打造更具響應(yīng)性、韌性和高效的架構(gòu)。通過(guò)適當(dāng)?shù)倪^(guò)電流、過(guò)電壓和靜電靜電保護(hù)策略，工程師可以確保每個(gè)分區(qū)——無(wú)論是管理電力轉(zhuǎn)換、推進(jìn)還是通信——在實(shí)際運(yùn)行條件下保持穩(wěn)健。

通過(guò)戰(zhàn)略性零部件選擇和專家設(shè)計(jì)協(xié)作，工程師可以充分釋放分區(qū)架構(gòu)的潛力，推動(dòng)下一代安全、互聯(lián)且節(jié)能車輛的發(fā)展。