汽車控制架構革命

電動汽車和智能車輛的快速演變重塑了工程師對電力分配和電子控制的看法?，F代汽車配備了數百個互聯電子控制單元（ECU），涵蓋從動力系統管理到乘員安全以及先進駕駛輔助系統（ADAS）等各個方面。
為管理這種復雜性，汽車電子行業經歷了三個主要架構階段（見圖1）：

• 分布式架構：每個ECU直接連接到中央控制器。

• 領域架構：功能分組——如動力系統、車身或信息娛樂系統——雖然減少了總線負載，但增加了布線復雜度。

• 分區架構：ECU按物理位置分組，由負責車輛各區域的區域控制單元（ZCU）管理。

這種分區轉移整合了本地控制，簡化了線束，減輕了重量，并實現了可擴展的模塊化設計。通過將決策點設在更靠近行動發生地點，區域控制降低了延遲，增強了故障安全，并通過軟件定義控制支持未來的車輛更新。

圖1。汽車控制架構的發展

通過分區控制提升電動車效率和可靠性

在電動汽車中，ZCU作為各自區域的指揮中心——匯總數據，管理分布式ECU，并確保通過高速以太網或CAN-FD與其他區域的可靠通信。

分區方法還通過優化電池管理、電力轉換和負載控制，提升能源效率和安全。然而，這種分布式智能帶來了新的電氣風險，從瞬態浪涌到靜電放電（ESD）和過流事件。

因此，堅固的保護策略對于保持性能并滿足汽車可靠性標準至關重要。

保護區域控制單元（ZCU）

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

圖2。ZCU框圖

1. 電源保護
電源或負載電路中的故障可能導致過電流狀況。用途：

• 快速作用熔斷器或聚合物PTC可復位熔斷器——均為AEC-Q200認證——用于隔離故障并防止損壞。

• 瞬態電壓抑制（TVS）二極管或金屬氧化物壓敏電阻（MOV）用于吸收高壓負載泄漏。MOV負責高能量事件;TVS二極管的鎖緊更緊，反應更快。

2. 通信與控制線保護

通信總線如CAN、LIN和以太網必須在ESD和浪涌事件下保持完整性。

• 應用低電容靜電二極管或聚合物抑制器，以保護信號線同時不影響傳輸。

• 選擇響應時間小于1納秒且漏電率低的保護設備，以防止數據流干擾并最小化功耗。

3. 環境耐久性

所有組件應滿足汽車級的溫度、振動和濕度要求。經過認證的保險絲、MOV和靜電抑制器確保即使在極端熱循環或電壓應力下也能保持長期可靠性。所選組件應符合AEC認證標準。

保護車載電池充電器（OBC）

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

圖3展示了典型的OBC電路，并配備了推薦的保護措施。

圖3。車載充電器框圖

1. 輸入與浪涌保護

考慮使用以下組件：

• 交流輸入端配備高中斷電流保險絲，以防止過載。

• 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。對于三相系統，在相-相和相-中性線之間添加MOVs。

• 將MOV與晶閘管結合，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）旨在進一步隔離火線和地線，增強對雷擊瞬態的防護。

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

2. 整流器和功率因數校正

• 使用能夠承受浪涌和瞬態條件的高電流晶閘管和IGBT電容器。

• 集成具有強鎖存抗性、快速切換和最高30 kV靜電穩定的柵極驅動器。

3. 直流/直流轉換與輸出階段

• 對于電壓升降電路，在集電極和柵極之間使用TVS二極管（有源鉗位）來穩定IGBTs。

• 使用MOV或TVS二極管保護輸出電壓級免受瞬態尖峰的影響。

• 在直流路徑上安裝保險絲，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二極管以防止數據損壞。

有了這些保護層，OBC能夠安全地管理快速充電周期和電網干擾，同時確保長期性能。

保護牽引電機逆變器

牽引電機逆變器將電池中的直流電轉換為三相交流電，用于推進電機。該子系統承受高電流和高電壓應力，要求對功率半導體進行精確控制和保護。

圖4。牽引電機逆變器框圖

1. 電源和柵極驅動器保護

• 使用保險絲和TVS二極管防止直流母線電壓尖峰。

• 按照ZCU CAN/CAN-FD電路的建議，用ESD二極管陣列屏蔽CAN收發器。

• 使用靜電電阻陣列保護柵極驅動器集成電路，以防止靜電或開關引起的損壞。

2. 半導體保護

• 對于硅閡MOSFET，柵極和源之間的TVS可以緩解快速瞬態。

• 對于IGBT電極，使用集電極到柵極的TVS二極管來夾持高壓瞬態——這種方法稱為主動鉗位。

• 集成熱保護器，在過熱時切斷電流。

3. 電流監測與診斷

• 使用霍爾效應電流傳感器進行電機負載隔離電流監測。這些設備能夠實時檢測負載異常，而無需增加串聯電阻或功率損失。

通過保護這些關鍵逆變電路，設計師可以提升傳動系統效率、熱管理以及整體電動車可靠性。

長期可靠性設計

隨著汽車行業加速向軟件定義的電氣化車輛發展，向分區架構的轉變帶來了在可擴展性、成本和安全方面無與倫比的優勢。然而，這種分布式智能依賴于整個動力系統和控制系統的強大電氣保護。

為實現這一點：

• 通過保險絲、MOVs、TVS二極管和靜電抑制器的組合實現分層保護。

• 選擇可承受嚴酷環境應力的汽車級零部件（AEC-Q200/101）。

• 在設計過程早期集成保護，簡化驗證，避免下游重新設計。

• 與能夠就合規前測試和汽車安全標準提供建議的零部件專家合作，最大限度地減少認證延遲。

結論

區域控制正在重新定義車輛電子設備的組織方式——打造更具響應性、韌性和高效的架構。通過適當的過電流、過電壓和靜電靜電保護策略，工程師可以確保每個分區——無論是管理電力轉換、推進還是通信——在實際運行條件下保持穩健。

通過戰略性零部件選擇和專家設計協作，工程師可以充分釋放分區架構的潛力，推動下一代安全、互聯且節能車輛的發展。