互联汽车面临的挑战

汽车行业经历了一场变革，几乎涉及汽车设计的各个方面，从引擎管理到车身控制功能，再到车轮、制动和安全等等。整个车身上下，只有一个地方的架构仍和百年前一样：配电架构。这个遗留部分也将和其他领域一样经历转变 — 加入变革的行列。

当今正在经历的电气化

当今正在经历的车辆电气化对所有车辆系统都产生了影响，并且为汽车配电架构革新提供了充分理由。推动电气化浪潮的三股主要力量包括：“互联汽车”模型、新动力系统与法规以及已获得市场研究人员认可的平台的全球化与合并。1本分析将从两个方面进行分析：继电器替代产品和保险丝替代产品。图1显示了汽车制造商在六个特定领域中的现状。

图1.汽车各部位更换继电器的速度存在差异

照明系统(1)已经开始更换继电器。座椅(2)和车门(3)也是如此。而电子控制单元(4)中的冷却风扇、燃油喷射器、泵等装置仍然在非常普遍地使用继电器，数量为7-20个，具体由原始设备制造商决定(OEM)。此领域面临的趋势是，在2018年至2022年期间，将采用固态替代产品完全取代继电器。

电气化的远大未来将依赖于配电架构经过改造的电力分配(5)接线盒。要将电力从蓄电池分配到每一个负载模块或每一组负载，需要使用50到60（甚至100）根保险丝以及5到10个继电器。举例来说，连接至车身控制器的保险丝和电线就能控制数种不同功能。

如今，几乎所有制造商都会在接线盒中使用继电器和保险丝。而从2020年至2025年甚至到2030年的趋势将是更换掉汽车配电盒中的所有机械部件。这个远景似乎非常宏大，但已发生于世界各地的家庭和建筑中。事实上，数十年以前人们用断路器代替保险丝之时就已经发生过。

最后一部分(6)是引擎管理。随着停止-启动系统和其他轻度混合应用中的48V系统功率不断增加，48V总线上产生电弧，致使继电器不足于满足负载开关的要求。这种电弧后续还会造成其他系统问题。因此，48V应用对固态解决方案具有决定性的影响。

互联汽车面临的挑战

对于互联汽车趋势，车辆的电力网络必须与固定结构的外部电源相连。除了电源以外，要将48V轻度混合汽车连接至固定结构，车辆需要与车库中的48V端口或外部48V电源进行通信。

48V功能将会带来许多新特性，例如线传电控技术，要求具备高品质和高安全等级。当下正在探讨的趋势是将集线器归类为ISO 26262元件，适用于关键领域，例如线控转向和线控制动。因此，配线应被视为事关安全的重要一面，需符合ISO 26262标准。虽然多年来，汽车安全的许多方面都要求遵守ISO规范，但对集线器新增这种要求尚属首次。

在车辆中配备12V和48V两种电源所增加的复杂性将会给设计、组装、维修以及售后带来挑战，难以确保系统之间的兼容性和独立性。

虽然与过去相比，汽车技术将变得更为先进，更为适合这些应用，但推动配电架构更替的真正力量却将来自于互联汽车的新功能，因为继电器将不能满足其需求。举例来说，被许多制造商采用的启停功能会影响到某些应用，例如挡风玻璃雨刮器。采用启停动功能之后，雨刮器系统在切换循环数量方面的任务会大幅增大，远远超出普通继电器的承受范围。因此，继电器无法在车辆的整个生命周期内发挥预期的作用。在其他应用（例如泵和HVAC系统）中，继电器也面临同样的窘境。

表1汇总了各种趋势以及固态电源和半导体公司供应商遇到的相应挑战。

表1.汽车各部位更换继电器的速度存在差异

动力系统与法规

集线器优化和车辆减重背后的成本节省优势引发了是否通过电气化来实现汽车配电架构革新的二次争论。举例来说，2019年，欧盟(EU)每克超限二氧化碳排放的费用将会上涨，首克超限费用达95欧元。2为了避免支付高昂的罚款，OEM应该会积极优化和减轻集线器的重量，尤其是对于集线器平均重达30kg的中等车辆而言。

全球化

最后一个趋势是全球化。借助大型平台方案，OEM能够尽可能缩短工程时间，降低相关成本，并缩短新车的整体上市时间。单个平台能够以最低的工程投入和成本，为一系列车辆提供通用性。对于半导体供应商而言，包含电源分配功能的集线器必须尽可能灵活，以便与高低端车辆兼容。

30多年来，人们一直提议利用半导体技术来取代机械式继电器；近20年来，取代保险丝的功能已经实现。345但是，要使变革的力度足以拒绝现状，则需要大幅减少现有替代产品的排放量。如今，某些OEM仍然需要启动必要的设计活动来完成本次变革。

系统分析：继电器

与机械式版本相比，固态继电器具备多种差异化特性和优势。表2显示了对各项已知特征进行比较的结果。

表2.机械式继电器和固态继电器之间的比较

机械式继电器更为人熟知的问题之一即是触点反弹。如图2所示，触点反弹或回弹可以产生高达300V/μs的dV/dt值。淘汰所有机械式继电器之后，可以减少集线器内的电机干扰(EMI)噪音。

图2.在激活机械式继电器触点的100 μs以内，可能出现数次高压峰值。

推动实施机械式继电器更换的一个诱因就是有一项安全法规要求执行防夹诊断/保护。7要使机械式继电器满足这项法规要求，将需要许多额外的组件，这会大幅增加机械式设计的成本。这些昂贵的元件为提高系统要求增加了更多理由（例如，由于停止-启动系统的任务增大和质量相关问题，需要加大继电器，以应对浪涌电流）。采用48V电源之后，机械式继电器将面临严峻的兼容性挑战。