作者：James Colby

隨著現(xiàn)代汽車的不斷發(fā)展，其電氣和電子(EE)架構(gòu)必須進(jìn)行調(diào)整，以有效管理日益增長的電力需求。傳統(tǒng)分布式和基于域的控制系統(tǒng)在復(fù)雜性、大量布線和通信瓶頸等問題上舉步維艱。分區(qū)控制架構(gòu)通過將電子控制單元(ECU)整合到局部區(qū)域、優(yōu)化功率分配、減少布線和提高系統(tǒng)可靠性來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

本文探討了向分區(qū)控制的過渡、分區(qū)控制對(duì)電源管理的影響，以及確保下一代汽車系統(tǒng)安全、可靠和高效運(yùn)行的關(guān)鍵保護(hù)策略。

1更智能、更安全、更互聯(lián)

現(xiàn)代電動(dòng)汽車集成了先進(jìn)的安全、便利和互聯(lián)功能，因此對(duì)電子控制單元(ECU)的依賴越來越大。高端汽車使用的ECU超過150個(gè)，因此必須采用更高效、可擴(kuò)展的控制架構(gòu)。

汽車控制系統(tǒng)已從單層設(shè)計(jì)發(fā)展到多層設(shè)計(jì)，以管理日益復(fù)雜的ECU。

分布式架構(gòu)：早期的系統(tǒng)，每個(gè) ECU 直接與主控制器通信;

域架構(gòu)：引入域控制器處理特定功能，減少主控制器的工作量;

區(qū)域架構(gòu)：將ECU按物理區(qū)域分組，由區(qū)域控制器(ZCU)管理每個(gè)區(qū)域內(nèi)的功能。

圖1 汽車控制架構(gòu)的演變

分區(qū)架構(gòu)具有更快的車輛響應(yīng)時(shí)間、模塊化可擴(kuò)展性、高速以太網(wǎng)通信和更低的布線復(fù)雜性，從而提高了安全性。然而，從分布式或基于域的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更為集中的分區(qū)方法，也需要重新定義分布式電源管理策略。確保可靠的跨區(qū)配電，同時(shí)保持效率并防止電氣危害，已成為設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素。

2利用分區(qū)控制提高電動(dòng)汽車效率和可靠性

分區(qū)控制可優(yōu)化電動(dòng)汽車的電池管理、能量回收和動(dòng)力總成效率。ZCU可調(diào)節(jié)熱條件和傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)確保在過流、過壓和ESD危害等惡劣條件下的可靠性。牽引電機(jī)逆變器和車載充電機(jī)等關(guān)鍵動(dòng)力總成組件也面臨類似風(fēng)險(xiǎn)。以下章節(jié)概述了提高電路可靠性的保護(hù)策略。

保護(hù)ZCU

鑒于ZCU的關(guān)鍵作用，它必須堅(jiān)固耐用，能夠在惡劣條件下可靠運(yùn)行。圖2顯示了典型ZCU的電路框圖。本文將詳細(xì)介紹如何保護(hù)這些電路免受電氣危害，確保車輛的使用壽命和安全運(yùn)行。圖中還列出了保護(hù)單個(gè)ZCU電路的推薦組件。

ZCU需要保護(hù)，以防故障影響電源，如電源故障或負(fù)載電路故障導(dǎo)致的過流情況?？焖夙憫?yīng)保險(xiǎn)絲或聚合物正溫度系數(shù)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲都能提供必要的保護(hù)。符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的一次性保險(xiǎn)絲和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲可以承受汽車使用環(huán)境中的惡劣條件。

圖2 ZCU框圖

電源也會(huì)受到高瞬態(tài)電壓的影響，特別是在電源中斷時(shí)，拋負(fù)載會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)尖峰。瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管或金屬氧化物壓敏電阻(MOV)可以箝位瞬態(tài)電壓，保護(hù)下游電路。MOV可以處理較高的拋負(fù)載能量，但TVS二極管對(duì)瞬態(tài)電壓的響應(yīng)速度更快，并能箝位到較低的電壓。MOV和TVS二極管的型號(hào)都通過了AEC認(rèn)證。

確保ZCU中的眾多通信和控制接口不會(huì)在惡劣的汽車使用環(huán)境中受到損壞，對(duì)于車輛的安全運(yùn)行至關(guān)重要。靜電放電和瞬態(tài)電壓是主要的危害能量源。ESD二極管和聚合物ESD抑制器可為通信數(shù)據(jù)線和控制線提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。選擇低電容元件以減少信號(hào)失真，使用靜電放電保護(hù)解決方案，可確保在分區(qū)控制架構(gòu)內(nèi)的ZCU及其連接功能之間進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

保護(hù)車載電池充電機(jī)(OBC)

車載電池充電機(jī)(圖3)將交流線路電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為電池組充電，工作電壓為400-800V。隨著更快、更高功率的充電(包括三相電源)成為標(biāo)準(zhǔn)配置，每個(gè)電路模塊都需要保護(hù)元件，有些還需要控制元件以提高效率。

除了電動(dòng)汽車瞬變之外，OBC還面臨過載和瞬變等交流電源線路風(fēng)險(xiǎn)。要像保護(hù)任何線路供電產(chǎn)品一樣保護(hù)它，保護(hù)通信電路免受數(shù)據(jù)損壞，同時(shí)盡量減少內(nèi)部功耗，以縮短充電時(shí)間。

圖3 板載電池充電機(jī)框圖

保護(hù)電路可攔截交流線路上的雷擊和浪涌等瞬變。第一線保護(hù)是使用保險(xiǎn)絲提供過載保護(hù)。為確保保險(xiǎn)絲能在最壞的電流過載情況下斷開，應(yīng)使用額定分?jǐn)嚯娏鞔?、額定電壓高的保險(xiǎn)絲。為防止瞬態(tài)浪涌或雷擊，應(yīng)盡可能在充電器的輸入連接處安裝MOV。MOV將吸收瞬態(tài)能量，防止其損壞下級(jí)電路。如果OBC使用三相電源，則應(yīng)考慮添加MOV以提供差模瞬態(tài)保護(hù)和共模瞬態(tài)保護(hù)。

為了更好地保護(hù)下游電路，可將雙極晶閘管與MOV串聯(lián)。保護(hù)晶閘管具有極低的箝位電壓和較高的浪涌電流能力。使用晶閘管可以選擇具有較低箝位電壓的MOV，這樣做的最終效果是降低了下級(jí)電路瞬間承受的峰值瞬態(tài)電壓。

氣體放電管(GDT)是第四個(gè)保護(hù)元件，可提供卓越的電路保護(hù)。它在火線和中性線與車輛底盤接地之間提供了高度電氣隔離，為防止雷電干擾引起的快速瞬變提供了額外保護(hù)。剩余電流監(jiān)視器可檢測交流/直流泄漏電流或絕緣擊穿電流，其感應(yīng)直流差為6mA，交流差為10mA。

整流器模塊應(yīng)使用具有高電流處理能力的晶閘管，以提供必要的電源，并安全地承受通過保護(hù)和EMI濾波器級(jí)的浪涌瞬態(tài)電流。

功率因數(shù)校正電路通過降低總交流功耗來提高效率。為調(diào)節(jié)電感，應(yīng)使用柵極驅(qū)動(dòng)器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，選擇具有合適電壓范圍、高抗閂鎖效應(yīng)和快速開關(guān)時(shí)間的驅(qū)動(dòng)器，以盡量減少功率損耗。使用能承受高達(dá)30kV瞬態(tài)電壓的內(nèi)置或外置ESD二極管確保ESD保護(hù)。

DC/DC電路可提升充電電壓并為電池產(chǎn)生電流。為減輕Ldi/dt的影響，應(yīng)在集電極和柵極之間放置一個(gè)TVS二極管，以保護(hù)功率IGBT免受瞬態(tài)電壓的影響。使用TVS二極管作為集電極-柵極反饋元件被稱為有源箝位，這種方法可保持IGBT的穩(wěn)定。某些IGBT內(nèi)置有源箝位TVS二極管。

當(dāng)電機(jī)接通或斷開時(shí)，或當(dāng)電流因電纜斷裂而瞬間中斷時(shí)，輸出電壓級(jí)可能需要提供電流過載保護(hù)和車內(nèi)瞬態(tài)電壓保護(hù)。有時(shí)，由于其他模塊也包含保護(hù)功能，因此此處無需保護(hù)?？梢钥紤]使用保險(xiǎn)絲來保護(hù)因電池組或傳輸電池電壓的電線短路而導(dǎo)致的過流。使用MOV或TVS二極管可防止?jié)撛诘钠茐男运矐B(tài)電壓。

充電器的控制單元與 ZCU 通信。為避免通信電路模塊受損和數(shù)據(jù)損壞，應(yīng)對(duì)輸入/輸出線提供靜電放電和瞬態(tài)電壓保護(hù)。保護(hù)ZCU CAN總線的同類型ESD二極管可保護(hù)控制單元 I/O 線路。

通過實(shí)施這些保護(hù)策略，設(shè)計(jì)人員可以確保OBC具有強(qiáng)大的抗電危害能力。圖3總結(jié)了推薦的組件。

保護(hù)牽引電機(jī)逆變器

牽引電機(jī)逆變器將電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。該電路模塊的運(yùn)行需要安全、高效和可靠的推進(jìn)力。 圖4顯示了牽引電機(jī)逆變器的電路模塊，表中列出了推薦的保護(hù)、控制和傳感元件。

圖4 牽引電機(jī)逆變器框圖

與ZCU電路中的電源一樣，牽引逆變器電路中的電源也需要過流和瞬態(tài)電壓保護(hù)。保險(xiǎn)絲和TVS二極管可提供必要的保護(hù)。

CAN收發(fā)器需要一個(gè)ESD二極管陣列來防止ESD 。為ZCU中的CAN/CAN FD電路推薦的TVS二極管陣列同樣可以保護(hù)該電路。

柵極驅(qū)動(dòng)器電路控制功率晶體管。柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路控制IGBT和SiC MOSFET等功率晶體管的開關(guān)，以最大限度地減少功率損耗和提高效率。保護(hù)柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路需要使用ESD二極管陣列來安全吸收ESD 。

逆變器模塊為推進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。為確保逆變器可靠運(yùn)行，需要對(duì)功率晶體管進(jìn)行過流、電壓瞬變和熱保護(hù)。為防止功率晶體管在危險(xiǎn)的高溫下工作，需要使用熱保護(hù)器等裝置，中斷功率晶體管電路的供電電流。

使用SiC MOSFET時(shí)，MOSFET柵極和源極之間的TVS二極管可保護(hù)MOSFET免受瞬態(tài)電壓的影響。對(duì)于IGBT，集電極和柵極之間的TVS二極管可防止集電極電壓瞬態(tài)上升對(duì)IGBT造成損壞。TVS二極管將集電極-柵極電壓箝位到IGBT的安全水平。這和保護(hù)OBC電路中的IGBT一樣， 提供了一種主動(dòng)箝位技術(shù)。

監(jiān)測電機(jī)負(fù)載電流可顯示電機(jī)的狀態(tài)。監(jiān)測電流的常見選擇是使用霍爾效應(yīng)技術(shù)的電流傳感器，該技術(shù)利用磁性檢測來感應(yīng)負(fù)載電流。負(fù)載電流線穿過霍爾效應(yīng)傳感器的開孔或下方，可對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行隔離監(jiān)控，而不會(huì)增加電路的功率損耗。

3確?？煽康腪CU和動(dòng)力總成性能

隨著汽車架構(gòu)向分區(qū)控制轉(zhuǎn)變，確保ZCU、車載充電機(jī)和牽引電機(jī)逆變器的可靠性對(duì)于安全和效率至關(guān)重要。適當(dāng)?shù)倪^流、過壓和熱保護(hù)元件可提高在惡劣環(huán)境中的耐用性。與電子元件制造商的應(yīng)用工程專家(如Littelfuse團(tuán)隊(duì))合作，就高性價(jià)比的保護(hù)、控制和傳感解決方案提出寶貴建議，有助于簡化開發(fā)流程，同時(shí)通過預(yù)合規(guī)性測試幫助符合汽車標(biāo)準(zhǔn)，減少認(rèn)證延誤。

關(guān)于作者：James Colby是Littelfuse公司業(yè)務(wù)開發(fā)高級(jí)經(jīng)理。目前工作點(diǎn)包括開發(fā)戰(zhàn)略性電動(dòng)交通市場，以及向該市場推出新產(chǎn)品和解決方案。James Colby擁有南伊利諾伊大學(xué)(卡本代爾)電氣工程學(xué)士學(xué)位和凱勒管理研究生院(沙姆堡)工商管理碩士學(xué)位。在Littelfuse工作超過25年，在電子行業(yè)工作近35年。