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新能源汽車電氣架構與電源系統設計

來源：面包芯語時間：2023-07-06 17:34:12

隨著整車電氣負載的增加、電氣架構的發展、新型能源的涌現，電源系統設計也隨之變革和優化，從開始的保障電網用電平衡、用電安全，逐步發展到電網的智能、綠色。電源系統設計已從電源部件的組合，轉型為電源網絡的系統設計和電源網絡的控制設計。

在汽車電子領域配電方面，隨著 MOSFET 和 HSD 芯片的迅速發展，目前已經可以做到使用單一芯片取代諸如繼電器、保險絲、繼電器驅動器等眾多組件了。從芯片的角度來看，MOSFET 壽命更長，因此配置與組裝組件時具有更多彈性。

傳統保險絲和繼電器都屬于機電件，屬于材料和機械電氣結合的領域，而基于半導體技術的 MOSFET 和 HSD 芯片則是電子器件，二者是有本質的區別的。智能配電技術就是采用 MOSFET 等芯片類產品取代傳統的繼電器保險，對相應的設備進行供電，并通過信號采集對設備用電進行智能監控和用電管理。

(相關資料圖)

----基于半導體器件的智能配電方案根據應用場景----

----主要有如下兩種----

1. 驅動芯片加 MOSFET 分立方案。

這種方案的復雜度很高，突出表現在：電流檢測難度大，電路保護復雜，診斷功能復雜，保護功能少，保護速度慢，保護策略復雜。該方案的綜合成本較高，適用于大電流場合。目前車載應用較少，車載大電流應用還是以保險絲+繼電器為主。

2.HSD 智能高邊開關集成方案。

單芯片集成了驅動、 MOSFET、電流檢測、熱保護、電壓保護、 EMC、各種診斷等功能。此方案十年前已開始普及，至今仍限于小電流負載應用。以特斯拉為例，其 FBCM（前車身控制模塊）中大量使用低 RDS_ON（即低導通阻抗，大電流）的 MOSFET 用于電源分配，總數在 50 顆以上；小電流采用了英飛凌的 HSD 芯片，而作為二級配電的 LBCM（左車身控制模塊）中則只用了 20 顆左右的 MOSFET。

----相較于傳統配電方式，智能配電技術存在較大的優勢----

第一，能源管理。

根據用戶場景進行智能化精準配電，減少不必要的電力浪費，讓電力得到最優化的利用。可以智能化管理設備休眠與喚醒，降低整車功耗。

第二，獨立控制和模塊化管理。

采用可編程的半導體器件分別控制每個回路后，可實現整車復雜的 VMM（Vehicle Model Management，車輛模塊管理），并且當需要設計變更時，還可支持 OTA 升級。

第三，智能配電具備明顯的安全優勢。

采用智能配電方式，發生短路故障時，可實現微妙（μS）級保護，瞬間切斷故障回路，保證重要設備的正常使用。如表 3-3 所示，除了短路保護之外，基于 MOSFET 的智能配電在過流保護、過壓保護、過溫保護以及相關異常檢測方面都有傳統配電所不具備的天然優勢

第四，采用智能配電方式，可以有效避免線束冗余設計，降低線徑、成本和重量。

當前，對于汽車電子而言，智能配電的應用還存在一定的技術難度，特別是在軟件控制策略、保護機制、容錯管理、線束老化檢測等方面存在一些挑戰，這也是影響著車端智能配電技術廣泛應用的主要因素。不過，隨著軟硬件技術的不斷成熟，智能配電在車控領域的應用會逐步擴大。

----線束設計關鍵技術----

1.概述

線束是汽車電路中連接各電器設備的接線部件，由絕緣護套、接線端子、導線及絕緣包扎材料等組成，汽車線束是汽車電路的網絡載體，是整車電器零部件的血管和神經系統，沒有線束也就不存在汽車電路。隨著整車電子電氣系統增加，車輛電動化、智能化、網聯化、共享化及5G技術的應用，導致線束的質量、體積急劇增加，進一步的增加了線束的布置難度。

線束對整車電器電子功能的實現起著至關重要的作用。汽車線束主要用于連接汽車的蓄電池、分電盒、執行器、控制器、傳感器、動力電池等部件，為整車電器電子部件提供電能、信號傳輸，并為控制回路提供基礎連接，使之實現所有的電器功能。電氣安全和信號精度對線束的連接穩定性要求極高，確保線路不產生過載、短路、斷路、電壓波動以及信號傳輸衰減。在線束布置的總體設計中要充分考慮各相關的邊界條件，對車身、動力總成、儀表臺、底盤、內飾件必須充分、系統的了解，充分考慮各相關件對線束布置可能產生的影響，并對相關件的設計提出相應合理的要求。同時，我們要充分考慮整車的溫度分布和震動，避免線束通過高溫區，避免線束劇烈震動，從而提高線束布置的可靠性。

2.整車線束布置設計的幾種基本走向

傳統車型在線束的布置中，通常有H、 L、 E、 R 型等多種布置形式，最具有代表性的為H型與E型，如下圖所示。

圖線束布置H型（左）和E型（右）

新能源車型在線束布置中通常采用川型布置，如下圖所示，即高壓線束在中央，低壓線束分布兩側，避免了因高低壓線束布置導致的EMC問題。

圖線束布置川型

3.整車線束的基本分類

在整車的線束中，我們可以將線束按區域和功能劃分成：前艙線束總成、前保險杠線束總成、儀表板線束總成、頂棚線束總成、蓄電池正極線束總成、蓄電池負極線束總成、地板線束總成、發動機線束總成、變速箱線束總成、左前門線束總成、右前門線束總成、后門線束總成、尾門線束總成、行李箱線束總成和高壓線束等。常見的線束分段見下圖。

圖線束拓撲圖

4.線束布置的確認

線束的劃分和整車的結構和裝配工藝有很大的關系，不必拘泥于以上的劃分形式。力求達到結構簡單、拆裝方便、布局美觀、固定保護良好。同時，在線束中盡量采用模塊化設計，減少回路。此外、在線束的設計中，局部的線束需要采用轉接線等形式，需要具體車型而定。要充分考慮線束的走向、過孔、固定及溫度震動等，把所有可能出現的情況盡可能的在設計初期考慮周全，避免以后出現顛覆性錯誤。明確輸入輸出信息。把以后所有可能的出現的重大問題解決完畢。

在對以上所有的資料進行充分的分析以后，進行線束的總體布置。要求線束結構簡單、便于線束制造、裝配及后期維護。把主要的電器件初步連接起來，并確定大概的線束劃分方法。在方案形成以后，對線束布置方案進行可行性分析從而確認整車線束的走向類型及分段信息。

----汽車線束技術前景展望----

輕量化及低成本

各汽車廠家都致力于降低整車制造成本的同時降低客戶的使用成本（油耗），輕量化已經成為各汽車生產廠家的重要課題，也是各車型能否進一步占領市場的關鍵。線束作為整車的重要零部件，占整車總重量的5%，而且隨著汽車電子設備的逐漸增加而繼續擴大。在新能源車型中，輕量化也意味著行駛里程的增加，平均每5kg的質量節約意味著1km行駛里程的增加，整車線束輕量化具有重大意義。

集成化

上世紀90年代以來，歐、美、日整車企業不斷推廣使用模塊集成化生產方式。作為模塊集成內配線介質，采用平面配線材料例如柔性化印刷電路（FPC， Flexibleprinted Circuit）或柔性化平面電纜（FFC， Flexible Flat Cable）。模塊集成化應用在配線空間非常有限的車頂、車門及配電板（Console）中，作為兼顧擴大車廂空間與提高線束布置有效性方法，預計今后將會進一步推廣。柔性化印刷電路應用于模塊，以及電子部件裝配或傳感器部件集成化，使配線材料向高功能方向發展。例如FPC儀表板上應用與膜片（Membrane）支承傳感器或天線上應用，就是很好的實例。

目前國內自主車廠在保險絲盒設計時主要采用傳統的線束與保險絲盒一體的方式，線束與保險絲盒不可拆卸。一個車型通常采用2-4個保險絲盒，內置幾十個繼電器。在線束總成中，保險絲盒所占空間、重量比重較大。隨著技術的不斷發展、產品質量的不斷提升，自主品牌整車企業將更多地應用線束與保險絲盒分體可拆卸式，以及更多的繼電器、控制單元等元件集成在一起的BCM（車身控制器）。隨著生產線自動化程度的高度發展，模塊化裝配將大大降低裝配時間，提升工作效率。

智能化

汽車電子電氣架構已迎來升級，汽車架構從分布式向域集中式再向中央計算式逐漸進化，控制功能迅速集中。域控制器通過集成多個 ECU，減少車輛線束，有利于降低線束布局復雜度和整車成本。

隨著車載數據傳輸量的不斷增加，數據傳輸頻率、速率呈現一種快速增長的態勢。高速數據傳輸線束（如以太網、同軸線纜等）作為信號傳輸的主要媒介的應用越來越多，是適應未來自動駕駛車輛大數據體量、高傳輸速率的主要且關鍵的技術。

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