隨著汽車(chē)行業(yè)從汽油驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)的勢(shì)頭不斷增強(qiáng),一些主機(jī)廠(chǎng)利用其傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)(ICE)架構(gòu)快速制造出電池電動(dòng)汽車(chē)(BEV)也就不足為奇了。

但是,當(dāng)我們放眼未來(lái)的汽車(chē)電氣化時(shí),這種方法就有了問(wèn)題:使用為ICE設(shè)計(jì)的架構(gòu)創(chuàng)建BEV會(huì)因架構(gòu)上的折衷和低效推高總成本和重量。

怎么走才能達(dá)致可持續(xù)的未來(lái)?致力于開(kāi)發(fā)更安全、更環(huán)保、更互聯(lián)的解決方案的全球性技術(shù)公司Aptiv給出了智能電氣中心,并細(xì)化到智能熔斷器、區(qū)域控制器等創(chuàng)新解決方案。

ICE到BEV的挑戰(zhàn)

Aptiv全球核心工程配電系統(tǒng)副總裁Eric Rowland表示:現(xiàn)在看一些插圖主機(jī)廠(chǎng)的“方法是有意義的,但是,當(dāng)我們展望未來(lái)汽車(chē)電氣化時(shí),這種方法是不可持續(xù)的。使用為ICE設(shè)計(jì)的架構(gòu)創(chuàng)建BEV會(huì)帶來(lái)許多架構(gòu)上的折衷和低效,從而推高總成本和重量?！?/p>

例如,使用典型SUV的ICE結(jié)構(gòu)創(chuàng)建BEV會(huì)導(dǎo)致布線(xiàn)系統(tǒng)比ICE車(chē)輛重13公斤,即使沒(méi)有了整個(gè)ICE發(fā)動(dòng)機(jī)線(xiàn)束。BEV所需的高壓電纜增加了約8公斤,為適應(yīng)牽引蓄電池和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)周?chē)腎CE結(jié)構(gòu)所需的所有包裝增加了另外的5公斤。為了實(shí)現(xiàn)另一個(gè)指標(biāo),ICE設(shè)計(jì)的拓?fù)淦仁笲EV使用300多米的額外電線(xiàn)來(lái)提供相同級(jí)別的功能。

圖:ICE、BEV、SVA對(duì)比

這里的一個(gè)技術(shù)斷點(diǎn)在于,BEV是一個(gè)技術(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)——需要一種專(zhuān)門(mén)用于電力推進(jìn)的新型電氣結(jié)構(gòu)?？紤]到這一點(diǎn),主機(jī)廠(chǎng)可以部署一種精確匹配車(chē)輛需求的架構(gòu),同時(shí)大幅降低低壓接線(xiàn)的重量和成本,從而生產(chǎn)出更可持續(xù)的產(chǎn)品。此外,該架構(gòu)需要具有靈活性和可擴(kuò)展性,使其于適應(yīng)更高級(jí)的車(chē)型。

開(kāi)發(fā)BEV專(zhuān)用架構(gòu)的第一步可能是區(qū)域配電解決方案,如智能電氣中心,用智能熔斷器取代傳統(tǒng)熔斷器,用固態(tài)開(kāi)關(guān)取代機(jī)電繼電器,從而形成一個(gè)功能向上集成的邏輯位置。

什么是智能電氣中心?

隨著消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)功能的要求越來(lái)越高,汽車(chē)行業(yè)正在進(jìn)行其歷史上最大的電氣和電子架構(gòu)轉(zhuǎn)型。Aptiv電氣中心全球產(chǎn)品管理總監(jiān)Ajay Bhargava說(shuō):“智能電氣中心是一個(gè)水到渠成的東西。因?yàn)樵谖磥?lái)幾年,車(chē)輛分區(qū)架構(gòu)將獲得發(fā)展,特別是在電動(dòng)汽車(chē)上,它更有助于簡(jiǎn)化架構(gòu)并進(jìn)一步減輕重量。分區(qū)架構(gòu)將車(chē)輛內(nèi)的各種物理分區(qū),添加分區(qū)控制器作為高速數(shù)據(jù)和電源集線(xiàn)器?！?/p>

主機(jī)廠(chǎng)需要智能車(chē)輛架構(gòu),但第一步可能是智能電氣中心。它是車(chē)輛中的配電裝置,用智能熔斷器和固態(tài)開(kāi)關(guān)取代機(jī)電繼電器的傳統(tǒng)熔斷器。采取這一步驟可以幫助主機(jī)廠(chǎng)優(yōu)化電纜尺寸,降低系統(tǒng)成本、重量和包裝尺寸;并啟用智能電源管理和診斷功能。固態(tài)開(kāi)關(guān)也比機(jī)電式繼電器更安靜,能耗更低,并可在數(shù)百萬(wàn)個(gè)工作周期內(nèi)保持穩(wěn)定。此外,智能電氣中心比傳統(tǒng)電氣中心更小、更輕。

同樣重要的是,智能電氣中心可以提供更完整的診斷圖像,可以檢測(cè)連接到它的電線(xiàn)何時(shí)可能出現(xiàn)故障。它可以隔離故障條件;檢測(cè)開(kāi)路和短路、電路過(guò)載和欠載;并將所有診斷信息報(bào)告回中央控制器,中央控制器可將該數(shù)據(jù)傳達(dá)給車(chē)主或經(jīng)銷(xiāo)商進(jìn)行維修。

智能電氣中心的技術(shù)是確保車(chē)輛滿(mǎn)足功能安全要求的關(guān)鍵。通常,智能電氣中心是ASIL-B級(jí)組件,可與另一個(gè)汽車(chē)安全完整性B級(jí)(ASIL-B)級(jí)組件結(jié)合使用,形成ASIL-D級(jí)系統(tǒng)。ASIL-B部件評(píng)級(jí)通過(guò)改進(jìn)固態(tài)部件、診斷和軟件實(shí)施的穩(wěn)健性來(lái)實(shí)現(xiàn)。

什么是智能熔斷器?

智能熔斷器用半導(dǎo)體取代繼電器中的傳統(tǒng)熔斷器,是一種實(shí)現(xiàn)智能電源管理的方法,因?yàn)檎麄€(gè)車(chē)輛的熔斷器可以集中管理。這對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)尤其重要。

·首先,如果蓄電池電量不足,系統(tǒng)可使用智能保險(xiǎn)絲在整個(gè)車(chē)輛內(nèi)短時(shí)間內(nèi)明智地關(guān)閉一些功能,如需要大功率的非關(guān)鍵功能包括座椅加熱器或車(chē)窗加熱器。系統(tǒng)可以決定在駕駛員無(wú)法察覺(jué)的短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉這些功能,以便在更重要的功能需要峰值負(fù)載時(shí)釋放動(dòng)力,例如急轉(zhuǎn)彎時(shí)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向。

·其次,智能保險(xiǎn)絲可以檢測(cè)連接到它的電線(xiàn)何時(shí)要出故障,并將該信息傳回中央系統(tǒng)。這種預(yù)測(cè)性維護(hù)有助于駕駛員在潛在問(wèn)題影響車(chē)輛運(yùn)行之前解決這些問(wèn)題。對(duì)于負(fù)責(zé)維護(hù)大量車(chē)輛的車(chē)隊(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō),這一點(diǎn)尤為重要。

·第三,智能熔斷可以節(jié)省布線(xiàn)成本。在過(guò)去,電線(xiàn)的直徑必須比實(shí)際需要的直徑大30%,以允許在沒(méi)有熔斷保險(xiǎn)絲情況下對(duì)峰值負(fù)載有足夠的容限。相比之下,使用智能熔斷器可以在指定的時(shí)間段內(nèi)讓導(dǎo)線(xiàn)匹配負(fù)載的物理極限。這通常意味著減少一個(gè)線(xiàn)規(guī),例如,從4mm2減少到2．5mm2,從而減少線(xiàn)束重量。

智能熔斷器通過(guò)去掉笨重的保險(xiǎn)絲盒實(shí)現(xiàn)了更緊湊的設(shè)計(jì)。區(qū)域控制器通常是放置智能保險(xiǎn)絲的合理場(chǎng)所。

圖:半導(dǎo)體器件尺寸更小

智能熔斷是通過(guò)電子電路設(shè)計(jì)、軟件和半導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在需要時(shí)可以切斷元件的電源,以防止電路過(guò)載。與熔化式熔斷器不同,智能熔斷器是自復(fù)位的,這意味著它不必在觸發(fā)時(shí)更換,其位置也不必便于維修。

案例:減少三分之一傳統(tǒng)設(shè)備

Aptiv最近與一家主要的北美主機(jī)廠(chǎng)合作,使用先進(jìn)的智能電氣中心減輕了每輛車(chē)2公斤的重量和40美元的成本。在一輛車(chē)上減少了三個(gè)傳統(tǒng)電氣中心中的一個(gè),在減輕重量的同時(shí)減少了57瓦時(shí)(Wh)的電力需求,改善了功能。

在這項(xiàng)研究中,Aptiv將17個(gè)傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲改為智能保險(xiǎn)絲,并用固態(tài)開(kāi)關(guān)取代22個(gè)機(jī)電繼電器,消除了與每個(gè)繼電器相關(guān)的線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn),同時(shí)也允許其他導(dǎo)線(xiàn)使用更小的線(xiàn)徑;還為控制器局域網(wǎng)(CAN)總線(xiàn)連接增加了兩根電線(xiàn),將來(lái)可以很容易地移植到汽車(chē)以太網(wǎng)。

該方法還允許對(duì)各種功能進(jìn)行向上集成,將更多內(nèi)容放入更少的物理盒子中。該研究將一個(gè)分立式模塊集成到智能電氣中心,包括開(kāi)關(guān)功能,以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖扣和低洗滌液指示燈。

Aptiv將所有熔斷器以及向上集成功能整合為一個(gè)智能電氣中心和一個(gè)傳統(tǒng)電氣中心,從而消除了第三個(gè)電氣中心。這一舉措不僅消除了與第三個(gè)電氣中心相關(guān)的包裝,而且還移除了通往該電氣中心的37條電纜中的22條,總共6．7米的電纜。

采用區(qū)域控制器方法可以減少通過(guò)車(chē)輛關(guān)鍵區(qū)域的布線(xiàn)需求。在一個(gè)例子中,Aptiv能夠減小布線(xiàn)組件的直徑,從而使空間減少了4倍。

圖:區(qū)域控制器所需空間更小

除了減輕重量、功耗和成本外,從傳統(tǒng)電氣中心轉(zhuǎn)移到智能電氣中心還改進(jìn)了功能。例如,該系統(tǒng)能夠通過(guò)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)共享診斷信息,檢測(cè)并報(bào)告從開(kāi)路負(fù)載和短路到過(guò)載和欠載的所有情況。它還可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的電源管理,因?yàn)樗軌蚋綦x掉電。

與使用熔斷器的傳統(tǒng)電氣中心不同,智能電氣中心不必由技術(shù)人員進(jìn)行維修,這使得設(shè)計(jì)更加靈活。智能電氣中心允許未來(lái)增加功能,甚至可以在車(chē)輛出廠(chǎng)后對(duì)其微控制器中的軟件進(jìn)行空中更新,以改進(jìn)電源管理功能,而無(wú)需去經(jīng)銷(xiāo)商處。當(dāng)然,網(wǎng)絡(luò)安全必須納入解決方案,作為全面安全立場(chǎng)的一部分。

Aptiv的智能電氣中心自2019年初開(kāi)始投入生產(chǎn),代表著邁向下一代電氣/電子架構(gòu)——智能車(chē)輛架構(gòu)(Smart Vehicle Architecture?,SVA)重要的第一步。智能電氣中心的好處是使決策變得容易,當(dāng)主機(jī)廠(chǎng)準(zhǔn)備好采取下一步行動(dòng),走向SVA? 電氣架構(gòu)時(shí),智能電氣中心將確保更輕松的過(guò)渡。

面向未來(lái)的分區(qū)架構(gòu)

上面提到區(qū)域配電解決方案還有區(qū)域控制器,都是為了實(shí)現(xiàn)未來(lái)的分區(qū)架構(gòu)所做的的努力。智能熔斷器是區(qū)域控制器的關(guān)鍵部件,而區(qū)域控制器具有超越電源管理的能力,能夠從車(chē)輛某一部分內(nèi)的多個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù),甚至集成多個(gè)功能。相比之下,智能電氣中心允許主機(jī)廠(chǎng)獲得相同的電源管理優(yōu)勢(shì),而無(wú)需承諾采用完整的分區(qū)架構(gòu)。

區(qū)域控制器是下一代架構(gòu)的關(guān)鍵,也是先進(jìn)車(chē)輛架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,主要用于電源和數(shù)據(jù)分配。根據(jù)車(chē)輛的要求和復(fù)雜性,區(qū)域控制器的數(shù)量可能會(huì)有所不同。下面是三個(gè)示例配置。

圖:區(qū)域控制器示例配置

特別是在電動(dòng)汽車(chē)上,分區(qū)架構(gòu)將有助于簡(jiǎn)化架構(gòu)并進(jìn)一步減輕重量。分區(qū)架構(gòu)將車(chē)輛內(nèi)的各種物理分區(qū)添加分區(qū)控制器作為高速數(shù)據(jù)和電源集線(xiàn)器。Aptiv的架構(gòu)工具可以幫助主機(jī)廠(chǎng)將其設(shè)計(jì)遷移到分區(qū)架構(gòu)。工程師可以從當(dāng)前的架構(gòu)開(kāi)始,分析內(nèi)容并將其劃分為區(qū)域,將每個(gè)區(qū)域中的設(shè)備連接到區(qū)域控制器。這使他們能夠?qū)⑦B接整合到較少的導(dǎo)線(xiàn)上,并確定哪些功能應(yīng)向上集成到區(qū)域控制器中。

當(dāng)然,由于車(chē)輛中有如此多的設(shè)備和連接,有許多方法可以劃分架構(gòu),因此下一步是使用評(píng)估指標(biāo)來(lái)確定哪種變體工作得最好。其中一個(gè)指標(biāo)是碰撞后的功能可用性。通過(guò)識(shí)別車(chē)輛各個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有電線(xiàn)和設(shè)備,設(shè)計(jì)師可以確定每個(gè)區(qū)域的碰撞會(huì)影響哪些功能。利用這些信息,設(shè)計(jì)師可以構(gòu)建一輛更穩(wěn)健、更具彈性的BEV。

在與全球主機(jī)廠(chǎng)進(jìn)行的架構(gòu)研究中,Aptiv為同一輛車(chē)構(gòu)建了兩個(gè)完整、不同的架構(gòu),以提供A車(chē)對(duì)B車(chē)的比較。對(duì)比發(fā)現(xiàn),區(qū)域控制的向上集成消除了超過(guò)9公斤的車(chē)體重量,消除了20多個(gè)連接器和許多傳統(tǒng)電子控制單元,以及相應(yīng)的支架及其他支持硬件的開(kāi)銷(xiāo)。

簡(jiǎn)化布線(xiàn)就意味著簡(jiǎn)化組裝,分區(qū)架構(gòu)提高了主機(jī)廠(chǎng)自動(dòng)化流程的能力——在未來(lái)幾年面臨日益增加的勞動(dòng)力壓力的市場(chǎng)中,這是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

展望未來(lái)

分區(qū)架構(gòu)可以也使主機(jī)廠(chǎng)處于一個(gè)良好的位置,可以繼續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)輛,即使是需要增加更多的特性和功能也會(huì)應(yīng)對(duì)自如。Aptiv的SVA? 方法允許進(jìn)一步的計(jì)算向上集成,建立扁平電源主干,優(yōu)化低壓接線(xiàn),并通過(guò)Dock & Lock? 連接器實(shí)現(xiàn)更自動(dòng)化的組裝。

轉(zhuǎn)向BEV代表了主機(jī)廠(chǎng)重新思考其車(chē)輛電氣結(jié)構(gòu)的獨(dú)特機(jī)會(huì)。通過(guò)廢除ICE架構(gòu)并重新開(kāi)始新的架構(gòu),他們將能夠更好地開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、重量更輕、彈性更強(qiáng)、更安全、更環(huán)保、更連通的電氣架構(gòu)。