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如果說車輛智能化是未來，那么智能電氣架構(gòu)一定是其基礎(chǔ)。
上篇文章我們也講過，特斯拉的三個分布式區(qū)域控制器已基本實(shí)現(xiàn)了智能電氣架構(gòu)，但是你搞清楚了特斯拉怎么實(shí)現(xiàn)智能電氣架構(gòu)，就能指導(dǎo)大眾和福特實(shí)現(xiàn)智能電氣架構(gòu)嗎？答案顯然是否定的。就像張笑宇老師說的，雞蛋變成雞的學(xué)問可以指導(dǎo)雞，但是怎么能夠幫助到鴨呢？
本文將從特斯拉、大眾與福特3款新型SUV的電氣架構(gòu)對比開始分析，看特斯拉為何能領(lǐng)先業(yè)界6年實(shí)現(xiàn)智能電氣架構(gòu)，而傳統(tǒng)車企的歷史包袱是如何阻礙其新技術(shù)落地的，從車輛的系統(tǒng)設(shè)計，到對成本模式認(rèn)知及技術(shù)模式的認(rèn)知，最后到落地時要面臨哪些技術(shù)難點(diǎn)，詳細(xì)分析如何實(shí)現(xiàn)智能電氣架構(gòu)的落地。
本文對乘用車及商用車應(yīng)用均有涉及，文中也將普及一些基礎(chǔ)的車輛電氣原理、傳統(tǒng)方案器件成本、半導(dǎo)體方案及成本、線束基礎(chǔ)知識、負(fù)載基礎(chǔ)特性、HSD芯片基礎(chǔ)、MOSFET基礎(chǔ)、電流與成本的關(guān)系、相關(guān)的電子電氣設(shè)計難點(diǎn)、芯片參數(shù)選型等，算是拋磚引玉，希望能和行業(yè)小伙伴們一起共同推動智能電氣架構(gòu)的落地。
如今的汽車行業(yè)正在經(jīng)歷劇烈的電氣化及智能化變革，這種變革必然導(dǎo)致車輛ECU數(shù)量增多及電氣架構(gòu)復(fù)雜度增加，傳統(tǒng)車企在架構(gòu)升級過程中會怎么做？有哪些考量？
剛好，有國外網(wǎng)站3IS基于特斯拉Model Y，對比了大眾ID.4與福特Mach E的電子電氣架構(gòu)，這三款車均為純電動SUV，量產(chǎn)時間相近；并且，大眾與福特作為傳統(tǒng)老牌大型車企，和特斯拉對比就非常具有代表性。
從下圖的ECU及網(wǎng)絡(luò)類型節(jié)點(diǎn)對比表我們可以看出，Model Y、ID.4、Mach E的ECU數(shù)量分別為26、52、51，特斯拉的集成度明顯要高很多，這主要是因?yàn)樘厮估瓕⒈姸嘈⌒虴CU的功能全部集成到區(qū)域控制器中。前文我們講過，比如特斯拉的 Model 3的FBCM，既負(fù)責(zé)配電，還負(fù)責(zé)一些左前燈控制、空調(diào)控制、熱管理等功能，橫跨了傳統(tǒng)的車身、座艙、底盤及動力域。
之前我們就講過，傳統(tǒng)OEM是有很大歷史包袱的，按以往的經(jīng)驗(yàn)，基于現(xiàn)有成熟模塊進(jìn)行復(fù)用可以顯著縮短車輛開發(fā)周期及降低開發(fā)成本，并保證車輛的可靠性。但如果步子邁得太大，一上來就搞大規(guī)模集成，就會牽一發(fā)而動全身。
所以，對傳統(tǒng)車企來講，任何的更改都需要很謹(jǐn)慎，因?yàn)橹萍s因素很多，改起來就很困難，周期很長，涉及面很廣，風(fēng)險很大，成本也很高。
大家應(yīng)該還都記得，ID.3在剛上市時，出現(xiàn)了眾多軟件bug，上萬輛車停在大眾工廠等待升級。大眾尚且如此，其他家可想而知。所以我們可以看到，福特和大眾盡管宣稱是全新純電架構(gòu)，但是仍然復(fù)用了很多小型ECU。
但有一點(diǎn)不可否認(rèn)的是，大眾在電子電氣架構(gòu)的升級過程中已經(jīng)做了很大的更新，大家有興趣的話可以去看一下奧迪e-tron與ID.4的電子電氣架構(gòu)的對比，可以看出巨大的變化。
三款車模塊數(shù)量及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對比（來源：3IS）
從上圖Lin總線數(shù)量也能看出，ID.4和Mach E的數(shù)量幾乎是特斯拉的2倍，這也從側(cè)面就說明他們復(fù)用了很多基于Lin通信的小型ECU，這是都是很典型的傳統(tǒng)設(shè)計方式。
在上兩篇文章中我們已經(jīng)詳細(xì)分析了特斯拉Model 3 的智能配電方案及電氣架構(gòu)，有興趣的小伙伴們可以再去看一下“特斯拉為什么要“干掉”保險絲和繼電器？”和“自動駕駛商用車需要什么樣的電氣架構(gòu)？”。從下表我們剛好可以從另一個側(cè)面了解一下智能電氣架構(gòu)對車輛帶來的影響。
我們可以看到，ID.4和Mach E在這方面仍然是傳統(tǒng)設(shè)計，有3個配電盒，前艙1個，駕駛艙2個，并且有大量的繼電器和保險絲，而Model Y則沿用了Model 3的設(shè)計，全部采用半導(dǎo)體方案進(jìn)行替代，傳統(tǒng)繼電器和保險絲的數(shù)量為0。
三款車配電模塊、保險絲及繼電器數(shù)量對比（來源：3IS）
這種設(shè)計差異就導(dǎo)致大眾和福特雖然也都采用了域控架構(gòu)理念，但是三者的電子電氣架構(gòu)還是有較大差異的。
特斯拉的架構(gòu)更接近于區(qū)控制架構(gòu)，這個可以從Model S內(nèi)部線束長度長達(dá)3 km，到Model 3只有 1.5 km的進(jìn)步得到印證，因?yàn)閰^(qū)域架構(gòu)對線束的節(jié)省具有明顯價值。Aptiv也曾測算過使用區(qū)域架構(gòu)后可以降低25%線束成本，而Visteon則認(rèn)為區(qū)架構(gòu)可以節(jié)省50%或更多的線束長度。
區(qū)控制器對線束的節(jié)?。▉碓矗篤isteon）
另外Visteon還專門闡述了區(qū)域智能配電的價值，包括：
1. 雙電源分級供電；
2. 推動配電技術(shù)電子化，取消傳統(tǒng)保險絲；
3. 中央配電盒虛擬化，保護(hù)特性優(yōu)化；
4. 智能電源管理，基于電流及電壓診斷的故障預(yù)測；
5. 保險絲及負(fù)載優(yōu)化帶來的其它價值。
區(qū)域智能配電的價值（來源：Visteon）
其實(shí)這些東西我們在上兩篇文章都已進(jìn)行過多角度的深入分析，你總不能說大眾和福特不了解區(qū)域架構(gòu)，或者沒有分析過區(qū)域智能配電帶來的價值吧？Model 3是2017年9月下線的，大眾和福特是2020和2021年量產(chǎn)的，中間有三四年的時間，但特斯拉至今仍是全球唯一采用區(qū)域智能配電的OEM，這足以說明問題。
另外，3IS最后給的結(jié)論也很有意思——3IS說：“很難簡單地說誰的架構(gòu)是最好的，這取決于目的和約束條件。傳統(tǒng)OEM使用沿用技術(shù)可以降低研發(fā)成本，雖然這并不是最好的。特斯拉別無選擇地必須從零開始，所以可以走一條完全不同的路，它沒有任何約束。”
架構(gòu)對比結(jié)論（來源：3IS）
實(shí)際上，特斯拉針對舊車型，也是有約束的。針對2012年推出的Model S和2015年推出的Model X，特斯拉直到2022年才能在所有新車上采用這種技術(shù)，從model 3開始第一次用智能配電方案算起，這中間已相隔5年時間，所以針對舊車型的升級改造難度可見一斑，這還是在特斯拉擁有成熟的區(qū)域智能配電架構(gòu)的基礎(chǔ)上。
特斯拉將在2022年全線切換電子保險絲（來源：teslatap）
另外，通過對特斯拉老款車型Model X (2015-2020)及Model s (2016-2020)的分析我們也能看出來，即使傳統(tǒng)配電盒方案，特斯拉的設(shè)計也異于傳統(tǒng)OEM。
特斯拉Model S/X前艙配電盒（來源：teslatap）
特斯拉Model S/X座艙配電盒（來源：網(wǎng)絡(luò)）
從上圖我們可以看出，特斯拉整車使用的Plug-in繼電器數(shù)量極少，僅有5個（傳統(tǒng)車接近20個），座艙配電盒上僅有保險絲，沒有繼電器，這為特斯拉在model 3上采用區(qū)域智能配電的創(chuàng)新架構(gòu)埋下了伏筆；相比之下，5年后量產(chǎn)的ID.4和Mach E分別為7和22。
那么，大眾、福特跟特斯拉在電氣架構(gòu)上的差距為何如此之大呢？接下來，我們將從系統(tǒng)角度、成本角度、認(rèn)知角度、技術(shù)角度對智能電氣架構(gòu)落地中的難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析。
一. 整車系統(tǒng)角度
上一章我們也講過，汽車上很多設(shè)計其實(shí)是牽一發(fā)而動全身的，因?yàn)槠囀且粋€很復(fù)雜的集成系統(tǒng)，一臺車有上萬個零部件，很多系統(tǒng)是相互關(guān)聯(lián)的。比如我們就拿特斯拉的“高壓不下電”策略來說，這一點(diǎn)牽涉到了非常多的具體設(shè)計：
1. 特斯拉Model 3停車后高壓動力電池會一直保持連接，高壓電池以約每天1%的放電速度放電；
2. Model 3的“靜態(tài)”工作電流為2.6A，而傳統(tǒng)高壓下電的車輛靜態(tài)電流在15mA～20mA左右，以保證蓄電池不虧電，下次能正常啟動（低壓沒電是上不了高壓的，因?yàn)锽MS、VCU都是用的12V蓄電池的電）；
3. 如此大的電流會導(dǎo)致鉛酸蓄電池很快耗光，據(jù)估計是一天時間，所以特斯拉又首創(chuàng)了BMS集成小型DC-DC的設(shè)計，在停車后為整車提供12V電源，防止蓄電池虧電；
4. 這個設(shè)計的初衷是為了支持所有的Online服務(wù)，比如哨兵模式；
5. 這種設(shè)計進(jìn)而推動特斯拉直接取消了高壓預(yù)充電路，這估計也是全球首創(chuàng)的了；
6.特斯拉采用了大家聞所未聞的低壓蓄電池DC-DC逆變進(jìn)行高壓預(yù)充，這種設(shè)計也不支持頻繁的高壓上下電，所以相對應(yīng)的設(shè)計就是特斯拉的高壓在首次上電后，一般就不下電了。
說起來比較繞，我做了一個腦圖，大家看一下：
特斯拉高壓不下電設(shè)計（來源：左成鋼）
從這里就能看出來，一項功能的實(shí)現(xiàn)需要整個系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行配合。這里還僅僅是高壓部分的，就涉及到了預(yù)充方案、BMS、DC-DC等模塊及策略的全新設(shè)計；實(shí)際上，低壓電源分配及控制方面特斯拉也有相應(yīng)的設(shè)計來支撐。
所以說，如果不站在整車系統(tǒng)角度對一個功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入分析，步子邁得太大，一上來就搞很多新功能，做很多集成設(shè)計，就會牽一發(fā)而動全身，改了A就會導(dǎo)致B有問題，動了B才發(fā)現(xiàn)C又不行了。制約因素很多，改起來就很困難，周期很長，涉及面很廣，風(fēng)險就會很大，成本也很高。
上萬輛ID.3停在大眾工廠等待升級的畫面還歷歷在目，甚至連特斯拉也要花好幾年來升級老款車型，因此，傳統(tǒng)OEM不得不謹(jǐn)慎，沿用設(shè)計就成了不得不用的“最好選擇”。
二. 成本角度
從傳統(tǒng)車輛設(shè)計角度來看，成本是第一位的，智能電氣架構(gòu)大家都知道很好，但是OEM一看成本，項目肯定就黃了，連和你往下討論的沖動都沒有了。
筆者曾針對商用車電氣架構(gòu)和幾大OEM進(jìn)行過成本分析，整車電氣零部件部分（不包含線束），升級到智能電氣架構(gòu)后，成本至少翻一番，即使對成本沒那么敏感的商用車，這也是絕對不可接受的，對成本極敏感的乘用車，就更不用說了。
下面這張圖片我們在前面的文章中分享過，我再貼出來大家看下，對于12V系統(tǒng)，半導(dǎo)體方案是比目前的30A繼電器要貴的，更不用說在配電盒中占比最大的保險絲，整車全部采用半導(dǎo)體方案后，成本增加是非常大的，特別是大電流回路。
下面我們大概列了一下各種方案的成本對比，大家可以感受一下。
HSD/繼電器電流-成本與替代速度（來源：英飛凌）
12V系統(tǒng)方案成本對比（來源：左成鋼）
車輛保險絲及繼電器數(shù)量對比（來源：左成鋼）
舉例來講，對于一個10A回路，采用保險絲是一毛錢，芯片就要七八塊錢。但是芯片成本隨電流等級增加并不是線性的，比如30A的保險絲還是一毛錢，芯片就得二十幾塊錢了。電流再大，就沒有HSD了，只能用MOS方案。整車那么多保險絲，尤其對于一級配電盒，大電流特別多，智能配電盒成本對比簡直就不忍直視，你要是Tier 1都不好意思和OEM提成本。
那怎么辦？
智能電氣架構(gòu)作為一種顛覆式的技術(shù)創(chuàng)新，在其帶來創(chuàng)新價值的同時，也帶來了成本的大幅增加，技術(shù)要落地，要應(yīng)用，就需要有人為創(chuàng)新的成本買單，但OEM又不想直接大幅增加成本，這會直接影響利潤，對靠賣車賺錢的傳統(tǒng)OEM來說，這是不能接受的。
一般來說，如果技術(shù)帶來的成本增加在20%～30%之間，這個技術(shù)就比較容易落地，而對于智能電氣架構(gòu)，就需要從系統(tǒng)層面來考慮線束的成本降低、研發(fā)的成本降低等，但整個系統(tǒng)成本很難估算，你告訴OEM是降低的，即使OEM認(rèn)可，具體也不好算，這就導(dǎo)致成本這一關(guān)很難過，OEM的領(lǐng)導(dǎo)很難拍板說上這個技術(shù)。
半導(dǎo)體方案的系統(tǒng)成本是降低的（來源：Philippe Dupuy）
NXP的Philippe Dupuy認(rèn)為OEM是了解半導(dǎo)體解決方案的價值的，同時也是車輛電氣化的主要推動者，并且經(jīng)過計算，系統(tǒng)級及整車級的成本是節(jié)省的。但同時他也承認(rèn)，時至今日，半導(dǎo)體解決方案并未獲得顯著進(jìn)展。
何帆老師說過，你不可能在同一時間，同一場合，解決所以的問題，你要改變約束條件，換一種思路去解決。這就是我們經(jīng)常說的，不能頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳，而是說，治頭痛最好的辦法，很可能是打一盆熱水來泡腳。對智能電氣架構(gòu)而言，成本的增加帶來的問題是一樣的，我們需要去找到破局點(diǎn)。
“硬件預(yù)埋+軟件付費(fèi)”這種創(chuàng)新模式便是智能電氣架構(gòu)落地的一個破局點(diǎn)。前文我們分析過特斯拉引領(lǐng)了“硬件預(yù)埋+軟件付費(fèi)”的創(chuàng)新模式，把硬件成本作為價值預(yù)埋的一部分，硬件的成本后期可以通過軟件付費(fèi)模式進(jìn)行回收了。
傳統(tǒng)的車輛設(shè)計，需求在一開始就是被明確定義了的，整車在生命周期內(nèi)是不更新的，所以可以采用高度定制化的低成本硬件，夠用就行，不需要強(qiáng)大。但如果硬件不夠強(qiáng)大，軟硬件就很難解耦，軟硬件無法分離，就無法應(yīng)對新的需求的變化，硬件無法被軟件重新定義，因而也很難實(shí)現(xiàn)“硬件預(yù)埋+軟件付費(fèi)”。
如果沒有軟件付費(fèi)這種模式，OEM靠賣車是不可能有這種硬件預(yù)埋的創(chuàng)新做法的，甚至連想法都不會有。因?yàn)殡m然創(chuàng)新產(chǎn)生了新的價值，但是這種價值當(dāng)前并未體現(xiàn)在消費(fèi)端，或者體現(xiàn)得不直接，那么就沒有人愿意為創(chuàng)新的成本買單，創(chuàng)新的步伐就會被拉慢下來。
在上一篇文章中我們也講過，智能電氣架構(gòu)的建設(shè)，可以與目前OEM軟件能力建設(shè)的內(nèi)在需求相呼應(yīng)，同時還可以提升OEM的品牌溢價，延伸價值鏈條，也為OEM從車輛生產(chǎn)商到服務(wù)商的轉(zhuǎn)變提供了可能。
在這里想到何帆老師舉的另外一個例子，比如非洲國家債務(wù)問題，西方國家的思路是，降低利率，或者減免一部分。而中國人可能會說，咱們討論一下修路的問題吧。我們從小就知道，要想富，先修路。修了路，經(jīng)濟(jì)增長了，債務(wù)問題不就解決了嗎。西方人考慮的是如何直接解決問題，而中國人考慮的是迂回解決，因?yàn)橹苯痈揪徒鉀Q不了嘛！
所以，基于目前階段，針對智能電氣架構(gòu)的成本問題，我們惟一的辦法可能只有迂回，而在未來，智能電氣架構(gòu)將作為區(qū)域架構(gòu)的一部分，是支撐未來新能源卡車及高階無人駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施。
三. 認(rèn)知角度
除了成本，另一個阻礙新技術(shù)或新事物發(fā)展的，應(yīng)該就是人們的認(rèn)知了吧。就像最初手機(jī)集成了分辨率只有30萬像素的拍照功能時，誰也不認(rèn)為這玩意兒有啥真正的價值，拍照時該用相機(jī)還是用相機(jī)。后來的事情大家都知道了，手機(jī)拍照的價值慢慢得到了認(rèn)可，消費(fèi)者也愿意為一億像素的鏡頭付費(fèi)了，甚至生產(chǎn)商還能以此為賣點(diǎn)進(jìn)行宣傳了，這個放到過去你敢信？
01成本模式認(rèn)知
對現(xiàn)在以賣車為老本行的OEM來說，車輛售價必須按配置進(jìn)行區(qū)分，因?yàn)椴牧铣杀揪筒灰粯?。消費(fèi)者想要更多的功能，買車時就得把錢給到位，如果買車的時候沒有錢，這個配置沒有買，后來想加裝，基本上加不上的。
比如動力底盤部分，你買了1.5T的，買完了覺著動力不行，你和4S店說想換2.0T的，這就離譜了，你不可能換個發(fā)動機(jī)啊，但電動車就可以在硬件有裕量的基礎(chǔ)上，通過軟件來實(shí)現(xiàn)部分的動力提升。
另外就是對產(chǎn)量和成本的認(rèn)知，在特斯拉最初研究電動汽車時，電池成本大概600美元每千瓦時，而馬斯克通過第一性原理分析后認(rèn)為未來可以降到80美元，后來的趨勢大家也都看到了，電池成本隨著電動車產(chǎn)量的上升，的確是不斷降低的，據(jù)估計到2029年，鋰離子電池的價格可以降到每千瓦時60美元左右。
到這里就不得不提一個在汽車領(lǐng)域里預(yù)測價格走勢非常準(zhǔn)確的定律——萊特定律，即產(chǎn)量每累計增加一倍，成本價格就會下降15％，而且會持續(xù)降低，你再翻一倍又降15%。汽車行業(yè)從1900年就遵循這一規(guī)律。
基于萊特定律進(jìn)行分析，一種新產(chǎn)品或技術(shù)，在產(chǎn)量翻四番后，成本即可下降到原來的一半。但如果不具備這一認(rèn)知，就會面對高成本的時候“知難而退”。
基于萊特定律的成本走勢（來源：左成鋼）
前文我們專門分析過智能電氣架構(gòu)對成本的影響，包括線束設(shè)計、電氣設(shè)計、EMC、車輛運(yùn)營維護(hù)。
舉個例子，比如利用能量管理算法就可以實(shí)現(xiàn)智能節(jié)能節(jié)油，博世研究表明，發(fā)電機(jī)輸出100W電功率，相當(dāng)于100km油耗0.17L，在24V系統(tǒng)也就3.7A電流，比一個70W大燈燈泡多一點(diǎn)。所以電能管理策略是可以提高整車電氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的。
來源：BOSCH汽車電氣與電子第338頁
然而，很多決策者都過于關(guān)注直接成本，卻對間接成本關(guān)注不多。所以，對成本模式的認(rèn)知，也會阻礙很多技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
02技術(shù)模式認(rèn)知
之前我們也講過，汽車產(chǎn)業(yè)作為一個擁有上百年歷史的產(chǎn)業(yè)，其很多設(shè)計是有傳承的，傳承的意思就是有延續(xù)性、變動較少。傳統(tǒng)保險絲繼電器技術(shù)悠久，可靠性夠用，使用成本低，綜合考慮下來，目前是可靠性和成本后均衡后的最佳方案。
筆者在和眾多OEM進(jìn)行過技術(shù)交流后，大家首先的反應(yīng)就是，你這不使用保險絲的技術(shù)方案可靠嗎？不會保護(hù)不了把線燒了吧？你的方案裝過車嗎？驗(yàn)證過嗎？誰家用過？
汽車行業(yè)的技術(shù)人員在面對新技術(shù)時，首先考慮的是你這種設(shè)計可靠不可靠，有沒有人這么干過？傳統(tǒng)技術(shù)，保險絲燒了換一個就好了，而半導(dǎo)體技術(shù)壞了必須換掉整個模塊，成本太高，不可靠根本不行。
關(guān)于新的電氣架構(gòu)，大家的認(rèn)知不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）可靠性
我們用一句話來概括，那就是：傳統(tǒng)電氣架構(gòu)的可靠性下限比較高，但上限很低，而基于半導(dǎo)體方案的智能電氣架構(gòu)，可靠性下限比較低，但是上限非常高！
關(guān)于可靠性這方面，我們在“干掉保險絲和繼電器，自動駕駛才能更安全”這篇文章已中有詳細(xì)分析，歡迎大家去看一下。
所以，我們不能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)說傳統(tǒng)的方案就已經(jīng)很可靠了，那是因?yàn)槟氵€沒有更高的可靠性需求。半導(dǎo)體方案不成熟，一開始可能會不可靠，但我們要相信，它可以非?？煽?。就像有句話說的，鷹有時會飛得比雞低，但雞永遠(yuǎn)飛不了鷹那么高。
最后放個可靠性參數(shù)表格對比一下：
（2）沖擊電流
OEM做電氣的對這個都比較關(guān)心，一是普遍認(rèn)為半導(dǎo)體器件可能太靈敏了，負(fù)載啟動瞬間的沖擊電流會導(dǎo)致意外保護(hù)，另外是認(rèn)為半導(dǎo)體器件無法承受負(fù)載的沖擊電流，可能會導(dǎo)致?lián)p壞。之前幾篇文章中，我們沒有對負(fù)載沖擊電流特性進(jìn)行詳細(xì)分析，在此就順便講一下：
車輛不同負(fù)載類型的沖擊電流特性（來源：左成鋼）
我們再放幾張沖擊電流波形圖：
典型的24V/70W燈泡啟動沖擊電流波形（來源：左成鋼）
典型的12V/150W直流電機(jī)啟動沖擊電流波形（來源：左成鋼）
從上圖可以看出來，容性負(fù)載沖擊電流在10倍左右，感性負(fù)載在3～5倍之間，我們再來看一下半導(dǎo)體器件的耐沖擊電流能力：
可驅(qū)動2*70W/24V燈泡的HSD芯片參數(shù)（來源：英飛凌BTT6010-1ERA）
從上表可以看到，HSD芯片的耐沖擊電流能力（即限制電流limitation current）是額定電流的10倍，這足以應(yīng)對所有類型的容性負(fù)載（純電容除外，大電容必須采用預(yù)充），同時，HSD芯片僅僅限制輸出電流到一個值，而并不是發(fā)生保護(hù)，把負(fù)載關(guān)掉，這是在芯片設(shè)計時，芯片設(shè)計人員已經(jīng)考慮到的一個應(yīng)用場景。
至于針對3～5倍沖擊電流的感性負(fù)載，那就更沒有問題了。
下面我們再來看一下MOS管的耐沖擊電流能力，我們就以特斯拉使用的一顆功率MOS來進(jìn)行參數(shù)分析：
特斯拉區(qū)域控制器采用的MOSFET參數(shù)（來源：Onsemi NVMFS5C426N-D）
這是一顆40V的NMOS，可用于12V系統(tǒng)，參數(shù)為1.3mΩ，235A，意思就是你要是給足了散熱，它能給你干到235A的電流，但實(shí)際上沒人敢這么用，你總不能給它上液氮冷卻吧，我們要考慮工程實(shí)現(xiàn)。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，1.3mΩ的MOS給予一定散熱設(shè)計，全溫度范圍（-40度～85度）干到40A以上應(yīng)該問題不大，參數(shù)表里是按100度，給到了29A，比較保守。
但是我們再看脈沖，100度是166A，注意前面的參數(shù)是RJC，表示這是一個較長的瞬態(tài)電流，類似于感性負(fù)載沖擊，這個參數(shù)也是額定電流的5倍以上了，應(yīng)對感性負(fù)載3～5倍沖擊完全沒有問題，而且，我們再看備注3,1秒的脈沖都是沒問題的。
可能有的小伙伴又要問了，為什么我分析HSD講容性負(fù)載，分析MOS講感性負(fù)載？那是因?yàn)樾‰娏魅菪载?fù)載用HSD就可以搞定了，同時因?yàn)檫@些負(fù)載一般都較小，即使10倍的沖擊，也都沒問題。而大電流應(yīng)用，沒有相應(yīng)的HSD芯片，只能用MOS，且大電流負(fù)載一般都是感性特性，沖擊時間長，但倍數(shù)較小。這就像傳統(tǒng)保險絲的應(yīng)用一樣，小電流用片式快熔，抗高倍數(shù)短脈沖，要的是快速保護(hù)；大電流用板式慢熔，抗大電流長時間沖擊，要的是皮實(shí)可靠，這樣看來，雖然是兩種技術(shù)路線，但卻有異曲同工之妙啊。
（3）額定電流
這個問題我們在上篇文章有詳細(xì)分析，在這邊只放一下結(jié)論：智能電氣架構(gòu)下，配電模塊的帶載能力可以按照負(fù)載的額定電流進(jìn)行匹配。
OEM的電氣設(shè)計以往對電流匹配的認(rèn)知全部基于保險絲，自然就會拿傳統(tǒng)保險絲的額定電流和芯片做對比，比如原來是用20A的保險絲，他會要求你芯片也采用20A的，這種認(rèn)知就是不對的，這時候就需要拋棄保險絲思維，關(guān)注真實(shí)的負(fù)載情況了。下面這張圖比較簡單明了，我再放一下：
芯片帶載能力對比（來源：左成鋼）
一般情況下，對比原有保險絲設(shè)計，芯片設(shè)計的額定電流都可以更小一點(diǎn)，甚至可以是原來的一半，相應(yīng)的，線徑設(shè)計也就降下來了。
所以，基于未來智能架構(gòu)的芯片設(shè)計，大家一定要轉(zhuǎn)變認(rèn)知。當(dāng)有人說電流是20A的時候，你得問他是以前保險配了20A，還是負(fù)載額定電流是20A。否則大家的認(rèn)識不在一個頻道上，溝通就會出問題，并且電流等級還是和成本直接相關(guān)的，10A和20A芯片那成本差的可不是一倍的關(guān)系。另外就是因此帶來的線束成本降低，電氣設(shè)計簡化等價值，之前都已經(jīng)詳細(xì)討論過了。
（4）電源屬性
電源屬性這個概念在汽車行業(yè)無人不知，畢竟已經(jīng)用了這么久了，連大家熟知的KL15/KL30這種叫法，也是博世在1984年就提出來的，可見其歷史之悠久。過去定義供電屬性的原因就是為了便于進(jìn)行能量管理，但是切換到智能電氣架構(gòu)后，你會突然發(fā)現(xiàn)，電源可以沒有屬性之分了，所有的線路都可以被定義為任意供電屬性，固定的電源屬性自然就不再需要了。
任意電源屬性帶來的價值包括但不限于：支持更自由更復(fù)雜的能量管理策略、整車電氣架構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、線束系統(tǒng)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計優(yōu)化等。
（5）每路單獨(dú)可控
在傳統(tǒng)架構(gòu)下，絕大多數(shù)的回路都是不可控的，比如常電回路，整車一上電，這些回路就有電了，你想關(guān)是關(guān)不掉的，乘用車沒有總閘，就必須有靜態(tài)功耗管理，卡車就靠總閘來管著了。
在智能電氣架構(gòu)中，每路單獨(dú)可控，但做傳統(tǒng)電氣設(shè)計的人很難具備這一認(rèn)知，在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)看來，怎么可能那么多回路全部是獨(dú)立可控的？因而，他們也就無法意識到這種獨(dú)立可控帶來的價值。
智能電氣架構(gòu)帶來的其他價值比如：可取消電源總開關(guān)，可進(jìn)行功耗控制及能量管理、線束優(yōu)化、可配置、可編程、可升級、可迭代等，這些我們上兩篇文章都有詳細(xì)分析，想看的小伙伴們可以去找來看一下。
（6）每路獨(dú)立保護(hù)
傳統(tǒng)架構(gòu)下，電源分配必然是分級的，類似于瀑布架構(gòu)，所有的二級回路都是經(jīng)過了一級大保險絲，再分配到多路二級小保險絲，然后到用電設(shè)備的。如果一級出了問題，很多個二級就會受到影響。
還有，在傳統(tǒng)設(shè)計中，保險絲負(fù)責(zé)保護(hù)，繼電器負(fù)責(zé)控制，保護(hù)和控制自然是分開的，如果保護(hù)共用，控制分開，一路負(fù)載出了問題，所有負(fù)載就會全部斷電。
而智能電氣架構(gòu)中，因?yàn)榭煽啃蕴岣撸由蠜]有電源屬性之分，二級配電的供電電源要少得多，所以，可以認(rèn)為所有的二級終端用電設(shè)備和一級是并聯(lián)的，而非串聯(lián)的，相當(dāng)于二級的保護(hù)其實(shí)是獨(dú)立的。
所以采用智能電氣架構(gòu)帶來的天然優(yōu)勢就是，線路保護(hù)和控制融合了，所有的回路保護(hù)自然都是獨(dú)立的，不受其他回路故障的影響。
（7）保護(hù)及診斷功能
這一點(diǎn)我們之前的文章已經(jīng)講得比較細(xì)了，在此我就大概列幾點(diǎn)基礎(chǔ)的：
保護(hù)后可恢復(fù)，恢復(fù)條件可軟件定義，比如靠ON檔、開關(guān)信號或上下電。
可自定義的過載保護(hù)功能，傳統(tǒng)保險絲是不支持的。
電流檢測功能
開路檢測功能（ON/OFF狀態(tài)）
電壓檢測功能（過壓/欠壓）
有特斯拉愛好者在2022款Model s上測試了一下eFuse的自恢復(fù)保護(hù)功能，發(fā)現(xiàn)的確可以在故障解除后自動恢復(fù)，比如12V輔助電源插座（12v accessory power socket）。有的就不好說，比如驅(qū)動控制按鈕（drive control button），測試者從400mA的帶載，拉到了1.5A，就發(fā)現(xiàn)輸出立即保護(hù)了，同時也喜提中控屏故障報警，信息精確到了哪個功能出現(xiàn)了故障，以及怎么去查看。測試者說這個故障并沒有自動恢復(fù)，而是等到整車軟件升級后才恢復(fù)的，所以說，具體的恢復(fù)條件取決于軟件策略。
特斯拉2022款Model S的eFuse保護(hù)功能（來源：teslatap）
因?yàn)閭鹘y(tǒng)架構(gòu)根本就沒有診斷功能，所以大家對這一塊兒可以說基本上是沒有認(rèn)知的，是空白的，就像你用功能手機(jī)的時候，是無法想象智能手機(jī)帶來的影響的，包括移動支付、掃碼等應(yīng)用，都是在智能機(jī)逐漸普及后才衍生出來的新應(yīng)用。基于智能電氣架構(gòu)的保護(hù)和診斷功能，同樣可以衍生出各種新的應(yīng)用，產(chǎn)生新的價值，并對車輛的智能化產(chǎn)生巨大的影響。
拋開前面講的系統(tǒng)維度和成本因素，改變?nèi)藗儗σ环N新事物的認(rèn)知，從某種意義上講，可能比其他所有努力都要重要。智能電氣架構(gòu)作為一種顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，它所能帶來的價值其實(shí)遠(yuǎn)超我們的想象，所以只有先改變我們對它的認(rèn)知，打破傳統(tǒng)思維的局限，才能進(jìn)而發(fā)掘其潛在的價值，并評估其對汽車產(chǎn)業(yè)帶來的影響，進(jìn)而共同推動其盡快落地。
四. 技術(shù)角度
前面我們從系統(tǒng)、成本及認(rèn)知角度分析了智能電氣架構(gòu)面臨的問題，這一章，我們再從技術(shù)落地的角度來談一下，如果要上智能電氣架構(gòu)，會遇到哪些技術(shù)問題。
01技術(shù)范疇
談這個問題之前，先講一個我的經(jīng)歷。打車時如果遇到純電動的，我一般會和師傅多聊兩句，問一下續(xù)航、百公里電費(fèi)成本、駕駛體驗(yàn)、和燃油車的差別等等。我發(fā)現(xiàn)師傅們普遍反饋一個問題就是，純電車修起來很貴，即便是小問題，師傅也不敢自己動，必須開到4s店，普通的路邊店是搞不定的，也不敢搞，為什么呢？大家思考一下。
燃油車的問題大都是機(jī)械問題，是肉眼可見的問題，電動車在電氣化后，機(jī)械問題極少，問題變成了電子電氣問題或軟件問題，肉眼不可見了，對故障排查的技術(shù)要求就隨之變高了，加上電動車是新生事物，大家都不懂，自然也不敢動。
智能電氣架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)配電盒設(shè)計對比
從傳統(tǒng)架構(gòu)到智能電氣架構(gòu)，也會面臨類似的問題——傳統(tǒng)電氣架構(gòu)全部都是機(jī)械和電氣范疇內(nèi)的，在OEM那里是屬于電氣部門的，和電子不搭界，但升級到智能電氣架構(gòu)后，全電子化了。
傳統(tǒng)配電盒屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，拼的是低成本，設(shè)計方面技術(shù)含量不高，但電子化后，原來的傳統(tǒng)配電盒廠家就懵了，根本就不懂，這觸及到了他們的認(rèn)知盲區(qū)。OEM的電氣部門也不懂，雖然智能配電盒的電氣原理圖看起來更簡單了，但在他們看來就是個黑盒子，因?yàn)橹虚g還有軟件邏輯和配置，單看原理圖根本沒用。
除了認(rèn)知層面和技術(shù)能力層面，這里還涉及到了一些以前不太重視的技術(shù)問題。
比如負(fù)載特性，在傳統(tǒng)電氣架構(gòu)下做電氣設(shè)計時大差不差就行，因?yàn)楸ｋU本來就是分檔的，你只能10A、15A地來選擇，線徑裕量一般也足夠，你不需要很詳細(xì)地了解負(fù)載特性，按經(jīng)驗(yàn)來問題就不大，不行就保險絲就升一檔，問題就解決了。但在智能電氣架構(gòu)下做電子設(shè)計時，不了解負(fù)載特性就完全不行，這個我們隨后再詳細(xì)分析。
這里我們簡單普及一個車用電線小知識，汽車電線的過電流能力其實(shí)是遠(yuǎn)超大家想象的，極端一點(diǎn)，我們就拿發(fā)煙時間來講——就是你給一根導(dǎo)線通多大的電流，多長時間能冒煙（因種類而已，有的電線是不冒煙的），車用電線可以在5倍額定電流5s內(nèi)不冒煙，而保險絲，即使慢熔保險，5倍電流在1s之內(nèi)就燒掉了。
汽車電線的過流能力（來源：英飛凌）
如上圖，電線的短時過載能力極強(qiáng)，遠(yuǎn)超片式保險，電線不當(dāng)使用的最大問題在于長時間過載發(fā)熱導(dǎo)致的絕緣損壞。
車載保險絲熔斷時間特性（來源：Littelfuse）
上表可以看出，沒有保險絲能抗住5倍電流達(dá)到5s。
所以，傳統(tǒng)配電盒廠家在涉足智能電氣架構(gòu)時面臨的問題包括但不限于：
電子化后的系統(tǒng)認(rèn)知，包括電子電氣架構(gòu)、控制邏輯、網(wǎng)絡(luò)通信等；
電子產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，包括系統(tǒng)、硬件、軟件設(shè)計；
電子產(chǎn)品測試方法、可靠性設(shè)計等；
汽車電子試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，包括電氣、環(huán)境、耐久、ESD、EMC等；
負(fù)載特性與工作模式的深入理解；
設(shè)計方案選擇與成本的均衡。
那你說傳統(tǒng)搞配電盒的廠家搞不定，做電子模塊的廠家呢？他們懂電子設(shè)計啊，沒錯，但你這句話只說對了一小半，他們只是懂專業(yè)內(nèi)的小電流電子設(shè)計，而整車電氣架構(gòu)、大電流設(shè)計卻觸及到了他們的知識盲區(qū)。
傳統(tǒng)電子模塊設(shè)計廠家在涉足智能電氣架構(gòu)時面臨的問題包括但不限于：
電子化后的系統(tǒng)認(rèn)知，包括整車電子電氣架構(gòu)、電氣原理、電氣設(shè)計；
整車能量管理、上下電策略；
整車負(fù)載類型，負(fù)載特性；
保護(hù)特性和線束匹配（傳統(tǒng)保險絲匹配是有經(jīng)驗(yàn)及推薦設(shè)計的）；
殼體設(shè)計，包括散熱、防護(hù)等級、安裝方式等；
大電流接線方式設(shè)計，包括連接器、螺栓等；
大電流板級設(shè)計，包括器件散熱、PCB載流等；
大電流器件選型，對MOSFET特性參數(shù)的理解等；
大電流產(chǎn)品測試、驗(yàn)證方法。
對板級大電流設(shè)計方案，傳統(tǒng)電子模塊廠家應(yīng)該是很欠缺相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的。不說別的，就特斯拉板子上那么大，那么多的busbar載流設(shè)計，一般人都沒見過。因?yàn)殡娮釉O(shè)計一般情況下電流不會超過10A，大多是mA級別的，靜態(tài)功耗一般是µA級別的，對幾百安的電流大家都是沒有概念的，無法想象；甚至，傳統(tǒng)電子模塊廠家可能連相應(yīng)的直流電源設(shè)備都沒有（常用的直流電源在30A內(nèi)，最大的不超過100A），超過4平方的導(dǎo)線也沒怎么見過（家里入戶電線線徑一般也就4平方）。
筆者認(rèn)為，傳統(tǒng)配電盒廠家轉(zhuǎn)型難度較大，因?yàn)樯婕暗闹R盲區(qū)太多了，從硬件設(shè)計，軟件開發(fā)，到電子產(chǎn)品測試經(jīng)驗(yàn)，知識架構(gòu)都不一樣，想補(bǔ)起來很難。
傳統(tǒng)電子模塊廠家跨界做電氣設(shè)計，難度也不小。比如對整車電氣原理、電氣設(shè)計的理解，負(fù)載特性的深入了解等，還有傳統(tǒng)配電盒的結(jié)構(gòu)、電氣、線束等方面的設(shè)計，知識架構(gòu)也不同。這方面的坑也很多，比如大電流導(dǎo)線配多大的螺栓，裝配時要求扭矩范圍多大，這個傳統(tǒng)電子模塊廠家根本沒有概念。
所以，筆者認(rèn)為，最有可能實(shí)現(xiàn)智能電氣架構(gòu)落地的，是兼具傳統(tǒng)配電盒和電子模塊設(shè)計能力的Tier 1，他們可以集合內(nèi)部這兩個過去完全不搭界的部門，和OEM一起完成智能電氣架構(gòu)的設(shè)計，并逐步落地。
02芯片方案問題
小電流設(shè)計還好，可以用成熟的集成芯片方案（HSD高邊芯片），這個上篇文章已經(jīng)分析過了，乘用車應(yīng)用25A以下都很成熟，商用車10A以下都有。
大電流解決方案，乘用車目前已經(jīng)有量產(chǎn)30A的HSD芯片可供選擇了，未來電流等級會持續(xù)增加。但是商用車方面，據(jù)筆者了解，各大芯片供應(yīng)商暫時沒有新的roadmap。大電流方案只能用驅(qū)動芯片+ MOSFET分立方案，這個方案存在以下問題：
整體方案復(fù)雜，綜合成本較高；
電流檢測復(fù)雜，成本高（shunt+amp運(yùn)放方案）；
保護(hù)功能少，保護(hù)速度慢；
保護(hù)電路復(fù)雜，保護(hù)策略復(fù)雜；
診斷功能少，診斷功能設(shè)計復(fù)雜；
大電流應(yīng)用需要MOSFET并聯(lián)設(shè)計；
此方案需要根據(jù)應(yīng)用需求增加相應(yīng)的分立電路，需要電流檢測就必須增加shunt和amp，包括保護(hù)功能和診斷功能，功能越多，電路越復(fù)雜。因?yàn)楸Ｗo(hù)功能大多由MCU來實(shí)現(xiàn)，速度慢不說，軟件策略也復(fù)雜。
我們先來欣賞下特斯拉的方案，大家有點(diǎn)直觀感受。下圖黑色的小方塊就是功率MOSFET，銀白色的是PCB Busbar，用來做大電流載流，黃銅色的是shunt，用來進(jìn)行電流檢測，大電流的shunt全球能做得不多，別看就是個銅片，但是對材料的精度和溫度系數(shù)要求極高，算是基礎(chǔ)材料學(xué)科，德國一家做得非常好，當(dāng)然也不便宜。
特斯拉的驅(qū)動芯片+ MOSFET分立方案
德國Isabellenhuette的車規(guī)級shunt
另外， MOSFET雖然有其相應(yīng)的額定電流及脈沖電流參數(shù)，但設(shè)計時必須考慮SOA（Safe Operating Area安全工作區(qū)），這個對MOS設(shè)計非常重要。專門的驅(qū)動芯片一般都考慮到了MOS的驅(qū)動電壓、電流、結(jié)電容充放電時間等開關(guān)相關(guān)的參數(shù)設(shè)計，但是自己搭電路的話，要考慮的就比較多。另外即使驅(qū)動芯片有保護(hù)功能，一般也僅限于短路保護(hù)（基于VDS）和MOS過溫保護(hù)，如果芯片不支持shunt電流檢測，其他通過電流檢測衍生的保護(hù)功能如過流保護(hù)、開路保護(hù)、電流限制等，自己搭電路實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，包括硬件電路和軟件策略。
驅(qū)動芯片+ MOSFET分立方案（來源：左成鋼）
還有就是針對更大電流等級所必須采用的MOSFET并聯(lián)設(shè)計問題，這個對MOS器件本身的一致性及產(chǎn)品的硬件設(shè)計要求很高。比如PCB的均流、瞬態(tài)能量、峰值關(guān)斷電壓、寄生震蕩等問題，特別是針對感性負(fù)載應(yīng)用時的感性能量釋放問題，處理不好就容易出問題，最脆弱的或者阻抗最小的那個回路就會先炸掉。
Power MOSFET大電流并聯(lián)應(yīng)用（來源：IR/英飛凌）
下面這個是英飛凌對Power MOSFET并聯(lián)應(yīng)用的總結(jié)，第一條和第三條都提到了電流均衡問題，即使MOSFET是正溫度系數(shù)器件，天然能帶來一些自均衡優(yōu)勢，但也有其限制（穩(wěn)態(tài)和開關(guān)態(tài)沒問題，但短路問題就很大，下面沒提）。第二條就是SOA問題，可見其重要性。
Power MOSFET大電流并聯(lián)應(yīng)用（來源：IR/英飛凌）
在這里順便普及下MOSFET的一些基礎(chǔ)知識，MOS的RDSON即導(dǎo)通阻抗，單位是mΩ，值越小電流越大，就越貴。車規(guī)級MOSFET的一致性和穩(wěn)定性本身就是高于消費(fèi)級及工業(yè)級的，但是即使同批次的MOS也存在巨大的參數(shù)差異，因?yàn)樗鼈兛赡軄碜圆煌膚afer。當(dāng)然這些差異并不會超出datasheet規(guī)定的參數(shù)范圍，但這些差異依然會造成并聯(lián)應(yīng)用時的許多問題。
MOSFET批次參數(shù)差異（來源：NXP）
我們直接看結(jié)論，這個應(yīng)用文檔分析了半天最后的結(jié)論是：不建議多個MOS并聯(lián)應(yīng)用（簡直是廢話），認(rèn)為單個低RDSON的MOS更好，即使并聯(lián)n個，最終肯定達(dá)不到n倍的效果（除非你不差錢，第1、2條算是無價值建議，其實(shí)這個大家都知道，就是成本不允許）。最后建議如果實(shí)在要并聯(lián)，不要超過3個，再多就分組并聯(lián)，特斯拉就是這么玩的。
感興趣的小伙伴可以去看NXP和Infineon的應(yīng)用文檔，在此不再詳述。
功率MOSFET并聯(lián)建議（來源：NXP）
最后我們來看下成本，感受下大家為什么一定要并聯(lián)使用。
NVMFS5C410N-D是特斯拉在用的最大的MOS，0.92mΩ，1.8美金一顆；比它更大一點(diǎn)的，0.63mΩ的就到了5.2美金，價格翻了3倍，電流其實(shí)沒大多少；小一倍的2.3mΩ，價格降到了37%，越大越貴，且價格完全不成比例。所以前面圖片你能看到特斯拉全是4個一組并聯(lián)起步。DC-DC輸入直接是2*4并聯(lián)，用法和NXP建議的一樣，進(jìn)行了分組。但是特斯拉膽大，直接干到了4個一組（就問大眾福特你敢不敢）。
功率MOSFET價格（來源：Onsemi）
03負(fù)載特性-可靠性問題
這里說的可靠性不僅包含reliability，更多涉及到robustness魯棒性。
平常我們所說的可靠性一般是指耐久性和失效率，其實(shí)就是說可以用很久，但是壞的很少（MTBF及FIT值維度）。而在智能電氣架構(gòu)中，作為實(shí)現(xiàn)配電和控制功能的配電盒，功能不失效往往比盒子本身不壞更重要。功能如果失效了，盒子雖然保護(hù)了沒壞，這對實(shí)際應(yīng)用來說是沒有意義的，從用戶角度來講就是不可靠，老是壞。
所以這里的可靠性更多地需要考慮魯棒性、穩(wěn)健性和健壯性，這個和半導(dǎo)體器件保護(hù)的靈敏性和精確性是一對矛盾體，而設(shè)計就是要均衡這個矛盾，做到穩(wěn)定工作，可靠保護(hù)，但針對千差萬別的車輛負(fù)載特性，這種設(shè)計就很難，比如：
線路正常時：
1) 對負(fù)載沖擊電流不應(yīng)保護(hù)；
2) 負(fù)載短時過載時不應(yīng)保護(hù)；
3) 保護(hù)可以重啟，線路故障消除后，線路應(yīng)恢復(fù)正常；
線路異常時：
1) 硬短路需要快速保護(hù)；
2) 軟短路根據(jù)需求進(jìn)行保護(hù)；
3) 保護(hù)速度適當(dāng)，保證導(dǎo)線不能發(fā)生損壞；
4) 器件保護(hù)后不能發(fā)生損壞或參數(shù)劣化；
上面我們已經(jīng)提了一些負(fù)載特性問題，傳統(tǒng)電氣設(shè)計容錯能力較強(qiáng)，因?yàn)楦鞣矫嬖Ａ繅虼螅O(shè)計約束條件少，比如不同電流等級的保險絲成本差異極小，加上保險絲本就是需要更換維護(hù)等，這導(dǎo)致了傳統(tǒng)電氣設(shè)計的粗放。
但是到了電子設(shè)計時代，設(shè)計約束條件就完全變了，比如芯片靈敏度的提升，在帶來精確保護(hù)的同時，必須要求設(shè)計前期精確匹配，否則后期就會出問題。比如容易誤動作，或者故障時芯片燒毀；而如果前期增加裕量，則會導(dǎo)致BOM成本過高，因?yàn)樾酒杀臼呛碗娏鞯燃墢?qiáng)相關(guān)的。
所以要想實(shí)現(xiàn)成本和可靠性的均衡設(shè)計，就必須詳細(xì)了解芯片特性及負(fù)載特性，比如HSD芯片都有額定電流、限制電流參數(shù)及溫度特性等，保護(hù)方面有過流保護(hù)特性、短路保護(hù)、熱保護(hù)特性等，驅(qū)動芯片+MOS方案就復(fù)雜一些，很多保護(hù)特性取決于具體的硬件設(shè)計及軟件策略。
負(fù)載層面，負(fù)載是容性還是感性，沖擊電流波形、峰值及持續(xù)時間都要考慮，電機(jī)負(fù)載還需要考慮是否需要過載保護(hù)及堵轉(zhuǎn)保護(hù)等問題。
負(fù)載特性我們前面分析過，但實(shí)際應(yīng)用中你會發(fā)現(xiàn)，有些用電器是兼具多種負(fù)載特征的。比如某些控制器，上電時是容性，因?yàn)榭刂破饔休斎腚娙荩ぷ髌饋砗?，如果控制器控制的?fù)載是電機(jī)就有感性，負(fù)載是加熱裝置就類似阻性。另外不同負(fù)載工況也不盡相同，這個還需要了解整車電氣原理及具體功能應(yīng)用。
所以，最終功能的可靠性一定是依賴于前期假定的負(fù)載特性及工況，如果負(fù)載特性發(fā)生了變化，應(yīng)用就可能會出問題。如果針對不確定的負(fù)載特性，保護(hù)特性就非常難設(shè)計，嚴(yán)一些就可能會和負(fù)載特性相沖突，導(dǎo)致誤動作，寬一些就需要增加芯片裕量，導(dǎo)致成本升高，或者該保護(hù)時不保護(hù)，增加使用風(fēng)險。
一個12V直流電機(jī)的特性曲線（來源：英飛凌）
如上圖，這個電機(jī)負(fù)載有近30ms的5倍額定電流，如果是針對這個負(fù)載的保護(hù)策略，就需要把這個沖擊電流給過濾掉，保證不會誤動作。再考慮到電機(jī)堵轉(zhuǎn)時間的不確定性，需要把時間再拉長。但如果負(fù)載變成了阻性，這時候就可能是發(fā)生了線束破皮搭鐵，需要保護(hù)了。
負(fù)載特性、保護(hù)特性與線束特性曲線（來源：ST）
上面這張圖非常完美的闡釋了線束特性、保護(hù)特性及負(fù)載特性的關(guān)系，圖中黃色為負(fù)載電流/時間特性，綠色為器件保護(hù)特性，紅色為線束I²t特性。所以對設(shè)計來講就必須同時滿足以下要求：
保護(hù)特性必須對負(fù)載特性實(shí)現(xiàn)包絡(luò)，否則就會誤動作；
保護(hù)特性必須在線束特性范圍內(nèi)，否則故障時就可能會燒線；
三條曲線必須保證全溫度范圍內(nèi)沒有交叉。
前面我們已經(jīng)詳細(xì)分析過了負(fù)載特性對保護(hù)策略的影響，但是沒有具體數(shù)據(jù)對比，可能大家還沒用直觀感受，我就上一組數(shù)據(jù)對比一下：
負(fù)載特性與保護(hù)參數(shù)特性（來源：左成鋼）
文中我為什么要一直強(qiáng)調(diào)負(fù)載特性呢？就上面這些個負(fù)載特性及故障參數(shù)，且不說針對通用性設(shè)計，就是針對特定類型負(fù)載，你給我定個保護(hù)策略試試？所以說，通用設(shè)計或通用負(fù)載類型保護(hù)設(shè)計都是很難的。設(shè)計必須針對具體負(fù)載，設(shè)計的可靠性和成本才能平衡。從這個角度來講，乘用車設(shè)計難度要遠(yuǎn)低于商用車，做商用車的小伙伴們可以小小地傲嬌一下，雖然技術(shù)落后點(diǎn)，但是難度更大。
04靜態(tài)電流問題
前面我們也分析過，傳統(tǒng)保險絲是有很多好處的，包括簡單好用、便宜、皮實(shí)，但還有一點(diǎn)是一直被大家忽略掉的，那就是作為被動器件的電流消耗。保險絲只是一段金屬材料，作為完全的無源器件，它不消耗任何額外電流，可以持續(xù)地保護(hù)線纜，防止出現(xiàn)任何短路故障，隨時都能起到保護(hù)作用。
在車輛運(yùn)行時，保險絲的這個優(yōu)勢無法體現(xiàn)，但是當(dāng)車輛處于停放狀態(tài)時，整車對靜態(tài)電流的消耗就提出了要求，這時候保險絲的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。它可以靜悄悄地為整車提供保護(hù)，同時不增加任何額外的靜態(tài)電流消耗，而半導(dǎo)體芯片則不行。單維持芯片導(dǎo)通還好一點(diǎn)，但至少要幾十µA，如果同時還需要保護(hù)功能（廢話，不保護(hù)車停那里就有燒掉的風(fēng)險），那電流等級就要到mA級別了。
這里再普及一個小知識，一般高邊驅(qū)動方案，不管是用HSD集成芯片還是驅(qū)動芯片外加MOSFET，一個通道維持導(dǎo)通外加保護(hù)功能，一般需要5mA左右，這是OEM打死都不能接受的（一般乘用車OEM要求整車15mA～20mA左右）。
幾款HSD靜態(tài)電流參數(shù)（來源：ST、Infineon、TI）
比如有5個功能需要常電，那就需要額外25mA左右，如果蓄電池容量又不大，那么車放一段時間就沒電了。比如原來能放一個月，現(xiàn)在就只能放半個月了，你出個長差回來，發(fā)現(xiàn)車子啟動不了了，你說你什么感受？
乘用車車輛蓄電池容量、靜態(tài)電流與停放天數(shù)關(guān)系對比如下：
車輛蓄電池容量、靜態(tài)電流和停放天數(shù)關(guān)系（來源：左成鋼）
商用車比如中重卡，蓄電池普遍偏大，動輒100Ah以上，加上有總閘，還有就是卡車是用來賺錢的，使用模式不一樣，一般也不大可能十天半個月停著不動，貸款還得還呢。所以商用車這方面問題要比乘用車好一點(diǎn)。
另外，針對純電動車，現(xiàn)在的趨勢是蓄電池小型化。比如特斯拉就采用了33Ah的小電池，因?yàn)椴恍枰袚?dān)起動機(jī)啟動任務(wù)了嘛，同時只要不下電，就有高壓電池在那里撐著，也用不著它。但是一旦高壓下電，低壓靜態(tài)功耗控制不好，導(dǎo)致蓄電池虧電，即使高壓有電，車輛也無法啟動。當(dāng)然了，純電動車因?yàn)橹灰茏尭邏?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/507518.html">接觸器吸合，車輛就能上高壓并啟動，高壓DC-DC就可以給低壓蓄電池充電了，這個比燃油車的起動機(jī)對電池剩余電量的需求要小得多，但相應(yīng)要求是否可以降低一些還有待商榷。
所以針對電子化后靜態(tài)功耗增加這個問題，斯拉別出心裁，高壓根本不下電，這是個系統(tǒng)工程設(shè)計，主要是為了支持所有Online服務(wù)的，也順便解決了采用半導(dǎo)體設(shè)計帶來的靜態(tài)功耗問題，當(dāng)然幾十mA的功耗增加在特斯拉2.6A的靜態(tài)電流面前就是個弟弟。
但這個問題對別的OEM來說，可能就真是個問題，除非純電動車你能照抄特斯拉這個系統(tǒng)設(shè)計，并且你的用戶還能買賬。因?yàn)椴⒎撬杏脩舳寄芙邮芡＼嚭蟾邏弘姵孛刻?%掉電的，你沒有額外帶來一些價值就無法說服客戶。同時不同品牌的受眾群體也差異較大，認(rèn)知不在一個頻道，對有些設(shè)計的接受程度就存在極大差異，比如iPhone用戶對信號差、電池小和沒快充就能接受，換安卓用戶你敢想？
而對燃油車來講，因?yàn)橹挥械蛪恒U酸蓄電池，如果要求常電負(fù)載較多，靜態(tài)電流就降不下來，這個問題就是無解的，必須要有一款uA級的解決方案才行。
針對這個問題，ST新推出了一款車規(guī)級驅(qū)動芯片，專門用于高邊驅(qū)動外置MOSFET應(yīng)用，耐壓達(dá)到60V，可以用于乘用車及商用車領(lǐng)域。ST的這款芯片待機(jī)電流低至70µA，在待機(jī)時可以進(jìn)行持續(xù)供電，同時還具有保護(hù)功能。
驅(qū)動芯片待機(jī)靜態(tài)電流參數(shù)（來源：ST）
最后做一下總結(jié)，本文從系統(tǒng)、成本、認(rèn)知、技術(shù)等四個維度分析了智能電氣架構(gòu)落地的難點(diǎn)，筆者認(rèn)為，這四點(diǎn)中，認(rèn)知可能是最重要一點(diǎn)，也是最難改變的一點(diǎn)。智能電氣架構(gòu)作為一種顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新，改變?nèi)藗儗ζ涞恼J(rèn)知，從某種意義上講，可能比其他所有努力都要重要。
限于篇幅，有些技術(shù)點(diǎn)并沒有涉及到，比如為什么可以考慮MOSFET采用并聯(lián)設(shè)計，而HSD不能直接并聯(lián)呢？為什么高邊供電設(shè)計一定要耗電呢？汽車電子的工程設(shè)計思維和傳統(tǒng)電子設(shè)計有哪些差異呢？歡迎小伙伴們留言，后續(xù)我們可以繼續(xù)分析。
參考文獻(xiàn)：
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4. 特斯拉為什么要干掉保險絲和繼電器？九章智駕
5. 自動駕駛商用車需要什么樣的電氣架構(gòu)？九章智駕
6. 干掉保險絲和繼電器，自動駕駛才能更安全，九章智駕
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