背景

長(zhǎng)城汽車(chē)作為一家全球智能科技公司，打造了以能源、智能化為導(dǎo)向的森林生態(tài)體系，確立混動(dòng)、純電、氫能三軌并行發(fā)展的道路。隨著長(zhǎng)城汽車(chē)在智能駕駛、智能座艙、智能底盤(pán)等方面的深入發(fā)展，傳統(tǒng)12V低壓系統(tǒng)需要提升電流輸出能力來(lái)滿(mǎn)足更加智能的控制器系統(tǒng)，電流輸出能力的提升必然增加線束線徑從而導(dǎo)致整車(chē)重量加大。為了實(shí)現(xiàn)智能化和整車(chē)輕量化的共同發(fā)展，長(zhǎng)城技術(shù)中心開(kāi)展了低壓12V升級(jí)到48V的相關(guān)驗(yàn)證。

英飛凌作為全球領(lǐng)先的汽車(chē)半導(dǎo)體廠商，為客戶(hù)提供全面的系統(tǒng)級(jí)解決方案，同時(shí)也結(jié)合客戶(hù)的未來(lái)需求提供最新的解決方案。為了更好地了解客戶(hù)的需求，英飛凌設(shè)立應(yīng)用中心，貼近客戶(hù)，共同開(kāi)展新產(chǎn)品、新應(yīng)用、新技術(shù)的相關(guān)工作。

基于長(zhǎng)城&英飛凌應(yīng)用中心，長(zhǎng)城技術(shù)中心和英飛凌共同合作，結(jié)合長(zhǎng)城汽車(chē)的實(shí)際需求開(kāi)發(fā)了一款12V&48V一級(jí)智能配電測(cè)試板。

作者：長(zhǎng)城汽車(chē)電子電氣架構(gòu)經(jīng)理 張良

英飛凌應(yīng)用中心工程師 曾喆

測(cè)試板特性

采用12V&48V供電

2路CAN通信，3路LIN通信

12V負(fù)載輸出

10路電子保險(xiǎn)絲（efuse）輸出

4路智能高邊（HSD）輸出

1路有刷電機(jī)（DC）輸出

48V負(fù)載輸出

1路電子保險(xiǎn)絲（efuse）輸出

2路智能高邊（HSD）輸出

1路有刷電機(jī)（DC）輸出

2路無(wú)刷電機(jī)（BLDC）輸出

電子保險(xiǎn)絲（efuse）保護(hù)機(jī)制

過(guò)壓、欠壓提前預(yù)警和關(guān)閉輸出

過(guò)流提前預(yù)警和關(guān)閉輸出

過(guò)溫保護(hù)和關(guān)閉輸出

軟件可編程自恢復(fù)邏輯

故障狀態(tài)讀取和記錄

電機(jī)保護(hù)機(jī)制

過(guò)壓、欠壓保護(hù)

過(guò)流保護(hù)

故障狀態(tài)讀取和記錄

圖1 12V&48V混合一級(jí)智能配電測(cè)試板

測(cè)試板功能介紹

測(cè)試板根據(jù)一級(jí)智能配電的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在混動(dòng)車(chē)型和純電車(chē)型實(shí)現(xiàn)智能化的電子配電方案。

測(cè)試板基于傳統(tǒng)的12V低壓系統(tǒng)，部分大電流負(fù)載升級(jí)到48V。在保留現(xiàn)有400V/12V DCDC和12V電池的前提下通過(guò)添加一個(gè)雙向12V/48V DCDC進(jìn)行48V負(fù)載測(cè)試。48V供電部分采用12V/48V DCDC 和48V 電池。

基于高階自動(dòng)駕駛、智能座艙等智能化的趨勢(shì)，12V的負(fù)載輸出采用電子保險(xiǎn)絲（efuse）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的保險(xiǎn)絲。48V的負(fù)載輸出采用智能高邊和智能驅(qū)動(dòng)+mosfet的方式。

圖2 12V/48V混合一級(jí)智能配電框圖

48V供電采用雙電源方式分別是12V/48V DCDC和48V電池，12V/48V DCDC和48V電池通過(guò)2ED4820進(jìn)行管理。

正常工作情況下左右兩路2ED4820打開(kāi)，12V/48V DCDC給48V負(fù)載供電同時(shí)給48V電池充電；

如果12V/48V DCDC異常，關(guān)閉右路2ED4820采用48V電池給48V負(fù)載供電；

2ED4820是英飛凌開(kāi)發(fā)的一款適用于12V/24V/48V的智能門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片。

采用SPI方式控制

2ED4820有兩路輸出驅(qū)動(dòng)，支持背靠背的工作方式

工作電壓20-70V

可配置過(guò)流和短路保護(hù)

可配置過(guò)壓保護(hù)

負(fù)載斷路診斷

集成一路電流采集運(yùn)放

圖3 48V主供電框圖

隨著智能駕駛的提升，線控底盤(pán)控制器也會(huì)越來(lái)越多。為了滿(mǎn)足高階自動(dòng)駕駛和整車(chē)功能安全要求，針對(duì)線控制動(dòng)控制器供電采用雙路冗余同時(shí)差異化的智能配電輸出，采用智能門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)+mosfet的方式給IBC1供電，另外一路采用BHT50015給IBC2供電。

圖4 IBC供電

測(cè)試板集成了兩路三相無(wú)刷電機(jī)（BLDC）驅(qū)動(dòng)分別用于驅(qū)動(dòng)水泵和散熱風(fēng)扇。為了測(cè)試對(duì)比采用了兩款不同的BLDC驅(qū)動(dòng)芯片，兩款BLDC驅(qū)動(dòng)都支持48V應(yīng)用分別是TLE9180和TLE9140。

TLE9140是英飛凌開(kāi)發(fā)的一款滿(mǎn)足24V/48V BLDC應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)芯片。

工作電壓范圍8.0V~75V

集成BEMF比較器

可編程驅(qū)動(dòng)輸出

過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)溫等診斷保護(hù)機(jī)制

SPI通信

開(kāi)發(fā)流程按照ISO26262，滿(mǎn)足ASILB的安全關(guān)斷路徑

測(cè)試板可以實(shí)現(xiàn)12V和48V負(fù)載輸出電流和電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

12V負(fù)載部分采用一個(gè)主的2ED2410作為12V的輸入，每路12V輸出采用電子保險(xiǎn)絲（efuse）和智能高邊驅(qū)動(dòng)（HSD）。

48V負(fù)載部分采用兩個(gè)主的2ED4820作為48V輸入，48V輸出采用智能高邊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

臺(tái)架測(cè)試

12V eFuse（BTG7003）短路測(cè)試：

圖5 短路發(fā)生之后，BTG7003在45us之內(nèi)觸發(fā)保護(hù)同時(shí)關(guān)閉輸出

12V Fuse（傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲）短路測(cè)試：

圖6 短路發(fā)生之后，傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲在2ms之后才會(huì)觸發(fā)保護(hù)同時(shí)熔斷

通過(guò)對(duì)比測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)生短路的時(shí)候，eFuse觸發(fā)保護(hù)的時(shí)間明顯優(yōu)于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲，us級(jí)別的保護(hù)反應(yīng)時(shí)間可以降低短路大電流對(duì)線束的損壞。

基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境針對(duì)BLDC和DC電機(jī)在48V和12V供電情況下進(jìn)行了對(duì)比。

圖7 測(cè)試板48V配電圖

表1 48V下鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)匯總表

表2 12V下鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)匯總表

表3 同等風(fēng)速下，12V與48V鼓風(fēng)機(jī)工作電流對(duì)比

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得到鼓風(fēng)機(jī)在相同風(fēng)速下48V供電情況下負(fù)載電流小于12V供電情況下的電流。在較低的風(fēng)速下電流比例達(dá)到了4：1，但是隨著風(fēng)速的上升，電流比例開(kāi)始變小，這個(gè)有可能跟48V散熱風(fēng)扇的軟件成熟度不足和散熱風(fēng)扇不匹配實(shí)驗(yàn)車(chē)輛有一定的關(guān)系。

表4 48V配電下玻璃升降電機(jī)上升、下降電壓電流參數(shù)

表5 原車(chē)12V玻璃升降電機(jī)上升、下降電壓電流參數(shù)匯總表

表6 12V與48V搖窗電機(jī)工作電流對(duì)比

由以上數(shù)據(jù)，可以看到上升過(guò)程中，與48V電壓下相比， 12V搖窗電機(jī)工作電流是48V搖窗電機(jī)的3.4倍。雖然下降階段電流卻沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是下降電流最夠小，這樣子也有利于降低線束的線徑。

結(jié)論

基于測(cè)試板功能和測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看到如下結(jié)論：

電子保險(xiǎn)絲（efuse）針對(duì)傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲在過(guò)流保護(hù)（反應(yīng)時(shí)間和過(guò)載電流）的時(shí)候有明顯的優(yōu)勢(shì)。

相較于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲單一保護(hù)邏輯（過(guò)流），電子保險(xiǎn)絲有著豐富的診斷和保護(hù)邏輯，在方便的同時(shí)也對(duì)于車(chē)廠提出了新的要求，例如：過(guò)壓發(fā)生的時(shí)候，配電板需要結(jié)合不同的負(fù)載情況進(jìn)行不同的保護(hù)邏輯。

電機(jī)負(fù)載從12V升級(jí)到48V的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)并不是所有的工況下都可以達(dá)到4：1的電流比例。

新的智能配電變革類(lèi)似于從LDO+MCU的傳統(tǒng)電路變成了功能安全的PMIC+MCU的工作機(jī)制。

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