本文探討向分區控制的過渡、分區控制對電源管理的影響，以及確保下一代汽車系統安全、可靠和高效運作的關鍵保護策略。
隨著現代汽車的不斷發展，其電氣和電子（EE）架構必須進行調整，以有效管理日益增長的電力需求。傳統分散式和基於域的控制系統在複雜性、大量佈線和通訊瓶頸等問題上舉步維艱。分區控制架構透過將電子控制單元（ECU）整合到局部區域、最佳化功率分配、減少佈線和提高系統可靠性來應對這些挑戰。
更智慧、更安全、更互聯
現代電動車整合了先進的安全、便利和互聯功能，因此對電子控制單元（ECU）的依賴越來越大。高階汽車使用的 ECU 超過 150 個，因此必須採用更有效率、可擴展的控制架構。
汽車控制系統已從單層設計發展到多層設計，以管理日益複雜的 ECU；
· 分散式架構：早期的系統，每個 ECU 直接與主控制器通信；
· 網域架構：引進網域控制站來處理特定功能，減少主控制器的工作量；
· 區域架構： 將 ECU 按物理區域分組，由區網域控制站 （ZCU） 管理每個區域內的功能。
分區架構具有更快的車輛響應時間、模組化可擴展性、高速乙太網路通訊和更低的佈線複雜性，從而提高了安全性。然而，從分散式或基於網域的系統轉向更集中的分區方法，也需要重新定義分散式電源管理策略。確保可靠的跨區配電，同時保持效率並防止電氣危害，已成為設計中的重要考慮因素。
利用分區控制提高電動汽車效率和可靠性
分區控制可優化電動車的電池管理、能量回收和動力總成效率。 ZCU 可調節熱條件和感測器數據，同時確保在過流、過壓和 ESD 危害等惡劣條件下的可靠性。牽引馬達逆變器和車載充電機等關鍵動力總成組件也面臨類似風險。以下章節概述了提高電路可靠性的保護策略。
保護 ZCU
鑑於 ZCU 的關鍵作用，它必須堅固耐用，能夠在惡劣條件下可靠運作。圖二顯示了典型 ZCU 的電路架構圖。本文將詳細介紹如何保護這些電路免受電氣危害，確保車輛的使用壽命和安全運作。圖中也列出了保護單一 ZCU 電路的推薦元件。
ZCU需要保護，以防故障影響電源，如電源故障或負載電路故障導致的過流情況。快速響應保險絲或聚合物正溫度係數自恢復保險絲都能提供必要的保護。符合 AEC-Q200 標準的一次性保險絲和自恢復保險絲可以承受汽車使用環境中的惡劣條件。
電源也會受到高瞬態電壓的影響，特別是在電源中斷時，負載轉儲會產生感應尖峰。瞬態電壓抑制（TVS）二極體或金屬氧化物壓敏電阻（MOV）可箝位瞬態電壓，保護下游電路。MOV可以處理較高的負載轉儲能量，但TVS二極體對瞬態電壓的反應速度更快，並能箝位到較低的電壓。MOV和TVS 二極體的型號都通過了 AEC 認證。
確保ZCU中的眾多通訊和控制介面不會在惡劣的汽車使用環境中受到損壞，對於車輛的安全運行至關重要。靜電放電和瞬態電壓是主要的危害能量源。ESD二極體和聚合物ESD抑制器可為通訊資料線和控制線提供適當的保護。選擇低電容元件以減少訊號失真，使用靜電放電保護解決方案，可確保在分區控制架構內的ZCU及其連接功能之間進行可靠的資料傳輸。
保護車載電池充電機（OBC）
車用電池充電機（圖三）將交流電線電壓轉換為直流電壓，為電池組充電，工作電壓為 400-800V。隨著更快、更高功率的充電（包括三相電源）成為標準配置，每個電路模組都需要保護元件，有些還需要控制元件以提高效率。
除了電動車瞬變之外，OBC 還面臨過載和瞬變等交流電源線路風險。要像保護任何線路供電產品一樣保護它，保護通訊電路免受資料損壞，同時盡量減少內部功耗，以縮短充電時間。
保護電路可攔截交流線路上的雷擊和突波等瞬變。第一線保護是使用保險絲提供過載保護。為確保保險絲能在最壞的電流過載情況下斷開，應使用額定分斷電流大、額定電壓高的保險絲。為防止瞬態突波或雷擊，應盡可能在充電器的輸入連接處安裝MOV。MOV將吸收瞬態能量，防止其損壞下級電路。如果 OBC 使用三相電源，則應考慮添加 MOV以提供相位瞬態保護和相中性瞬態保護。
為了更好地保護下游電路，可將雙極閘流管與MOV串聯。保護閘流管具有極低的箝位電壓和較高的突波電流能力。使用晶閘管可以選擇具有較低箝位電壓的MOV，這樣做的最終效果是降低了下級電路瞬間承受的峰值瞬態電壓。
氣體放電管（GDT）是第四個保護元件，可提供卓越的電路保護。它在熱線和中性線與車輛底盤接地之間提供了高度電氣隔離，為防止雷電幹擾引起的快速瞬變提供了額外保護。
剩餘電流監視器可偵測交流/直流洩漏電流或絕緣擊穿電流，其感應直流差為 6 mA，交流差為 10 mA。
整流器模組應使用具有高電流處理能力的晶閘管，以提供必要的電源，並安全地承受通過保護和 EMI 濾波器級的突波瞬態電流。
功率因數校正電路透過降低總交流功耗來提高效率。為調節電感，應使用閘極驅動器和絕緣柵雙極電晶體（IGBT），選擇具有合適電壓範圍、高抗閂鎖效應和快速開關時間的驅動器，以盡量減少功率損耗。使用能承受高達30 kV 瞬態電壓的內建或外置ESD二極體確保 ESD保護。
DC/DC電路可提升充電電壓並為電池產生電流。為減輕 Ldi/dt 的影響，應在集極和閘極之間放置一個 TVS 二極體，以保護功率 IGBT 免受瞬態電壓的影響。使用TVS二極體作為集電極-柵極反饋元件稱為主動箝位，這種方法可保持 IGBT 的穩定性。某些IGBT內建主動箝位TVS二極體。
輸出電壓級可能需要提供電流過載保護和車內瞬態電壓保護，當馬達接通或斷開時，或電流因電纜斷裂而瞬間中斷時。有時，由於其他模組也包含保護功能，因此此處無需保護。可以考慮使用保險絲來保護因電池組或傳輸電池電壓的電線短路而導致的過流。使用 MOV或TVS二極體可防止潛在的破壞性瞬態電壓。
充電器的控制單元與ZCU通訊。為避免通訊電路模組受損和資料損壞，應對輸入/輸出線提供靜電放電和瞬態電壓保護。保護ZCU CAN總線的同類型ESD二極體可保護控制單元 I/O 線路。
透過實施這些保護策略，設計人員可以確保OBC具有強大的抗電危害能力。圖三總結了建議的組件。
保護牽引馬達逆變器
牽引馬達逆變器將電池直流電轉換為交流電，以驅動牽引馬達。此電路模組的運作需要安全、高效和可靠的推進力。 圖四顯示了牽引馬達逆變器的電路模組，表中列出建議的保護、控制和感測元件。
與 ZCU 電路中的電源一樣，牽引逆變器電路中的電源也需要過流和瞬態電壓保護。保險絲和 TVS 二極體可提供必要的保護。
CAN 收發器需要一個 ESD 二極體陣列來防止 ESD 碰撞。為 ZCU 中的 CAN/CAN FD 電路推薦的 TVS 二極體陣列同樣可以保護該電路。
閘極驅動器電路控制功率電晶體。閘極驅動器積體電路控制 IGBT 和 SiC MOSFET 等功率電晶體的開關，以最大限度地減少功率損耗和提高效率。保護閘極驅動器積體電路需要使用 ESD 二極體陣列來安全吸收 ESD 撞擊。
逆變器模組為推進馬達提供動力驅動。為確保逆變器可靠地運行，需要對功率電晶體進行過電流、電壓瞬變和熱保護。為防止功率電晶體在危險的高溫下運作，需要使用熱保護器等裝置，中斷功率電晶體電路的供電電流。
使用 SiC MOSFET 時，MOSFET 閘極和源極之間的 TVS 二極體可保護 MOSFET 免受瞬態電壓的影響。對於 IGBT，集極和閘極之間的 TVS 二極體可防止集極電壓瞬態上升對 IGBT 造成損壞。 TVS 二極體將集極-閘極電壓箝位到 IGBT 的安全等級。這為保護 OBC 電路中的 IGBT 提供了一種主動箝位技術。
監測馬達負載電流可顯示馬達的狀態。監測電流的常見選擇是使用霍爾效應技術的電流感測器，該技術利用磁性檢測來感應負載電流。負載電流線穿過霍爾效應感測器的開孔或下方，可對馬達電流進行隔離監控，而不會增加電路的功率損耗。
確保可靠的 ZCU 和動力總成性能
隨著汽車架構向分區控制轉變，確保 ZCU、車載充電器和牽引馬達逆變器的可靠性對於安全和效率至關重要。適當的過流、過壓和熱保護元件可提高在惡劣環境下的耐用性。與電子元件製造商的應用工程專家（如Littelfuse團隊）合作，就高性價比的保護、控制和感測解決方案提出寶貴建議，有助於簡化開發流程，同時透過預合規性測試幫助符合汽車標準，減少認證延誤。
(本文作者 James Colby 為Littelfuse 公司業務開發高級經理）
相關作者
相關產業類別
相關關鍵字
相關網站單元