系统分析：保险丝 - 改良汽车的配电架构

　　系统分析：保险丝

　　现代化的高端汽车可以轻松配备100根保险丝和4个保险丝盒，方便进行维修和更换保险丝。这个空间和入口都在车厢之中，其代价非常高昂，因为它会降低乘客的舒适感。在发生短路之后，固态受保护设备（电子器件或电子保险丝）不需要进行更换，因此可以将其放置在不容易接触的地方。这种配置能够简化车辆设计，还能够提供更多车厢空间。

　　相比采用单值设计、不能编程的机械式保险丝，电子保险丝可以设置为10、15、20等值，或者所需要的任意安培值。电子保险丝的这种灵活性使它能够完全兼容大型平台车辆的设计。

　　机械式保险丝，尤其是当今生产的机械式保险丝，它们的最小值和最大值都不准确，因此需要使用大号电线，确保在所有极端条件下也能提供足够的安全裕量。为满足超尺寸要求、规避不安全的操作条件，以及确保保险丝能在所有操作条件下保护电线，通用的售后更换保险丝发挥了重大作用。图3显示了在现今机械式保险丝不够准确的情况下，电线尺寸必须具备更高安全裕量的原因。

　　

　　图3.不准确是机械式保险丝本身存在的一个重大问题，也是规定过大电线尺寸的原因。

　　机械式保险丝还具有其他缺点。机械式保险丝不提供诊断和监测安全功能，而电子保险丝能够时常报告合乎互联汽车趋势的动态操作状态。电子保险丝还能够通过自身提供的诊断和健康监测功能，提升集线器的安全等级。这层额外的保护已经可见于部分汽车制造商的座椅和车门应用中以及数量有限的车辆中。

　　表3显示的是传统保险丝和电子保险丝之间的比较结果。在总共8个方面的比较中，电子保险丝在其中7个方面都比机械式保险丝更具优势。图表中没有显示可靠性这一项。由于人为干预，有些保险丝会熔断，这不会对保险丝要保护的电子设备构成威胁。不同于机械式保险丝，电子保险丝在遭遇人为事件之后可以复位，不会给车主带来后续成本或麻烦。

　　

　　表3.电子保险丝相比机械式保险丝的优势

　　然而，人们现在仍在大量使用继电器和保险丝，尤其是在更大型的负载中，这是因为它们的性价比一直较高。因此，时至今日，通过电子解决方案淘汰接线盒甚至减少接线盒数量的举措并未获得显著进展。

　　目前，对电子更换起主要推动作用的是汽车制造商，而不是半导体行业。OEM了解这种变革的价值，要求汽车实现电气化。虽然芯片解决方案价格更高，但汽车制造商在计算之后得出结论，从系统和车辆层面来看，他们可以实现成本节省。

　　电气化可利用电子断路器/开关来降低集线器和汽车架构的复杂性。如图4所示，一辆典型中档车的电池和交流发电机最多能提供200A电流，绝不会超过250A（25%保护频带）。但是，对集线器和保护集线器的每根保险丝实施分析的结果显示，集线器中的电流容量水平可以达到950A。类似情况也发生在室内布线应用中。汽车机械工程师应了解这种容量过剩所具备的重要意义，以及改变这种状况所需采取的措施。

　　

　　图4.现今规格过高、成本高昂的接线容量

　　预期或可能的变革

　　对车辆配电架构作何种更改，取决于用于更换机械式继电器和保险丝的解决方案的可购性。因此，这种电气化预计会经历多个步骤或阶段。第一步可能发生于2018至2022期间。在这个阶段，机械组件会实现电气化，但其架构保持不变。电子继电器和电子保险丝将简单地取代机械式继电器和保险丝。

　　之后，在2020年至2030年期间，会开始向互联智能接线盒和智能保险丝盒转变，充分利用电气化带来的所有优势，包括回到该架构以优化集线器的尺寸，使其与电源容量相匹配，并利用完全安全的容错架构，准备迎接自动驾驶汽车的到来。恩智浦正在分析某些新兴理念，以做好迎接这种未来变革的准备。

　　行业携手

　　向完全电气化的配电装置转变的举措并非全无困难。以下介绍了在更替继电器和保险丝过程中遇到的两种问题：

　　? 机械式继电器开启时，无论两种输出是何种极性，它都会开启。即使电池反向，继电器仍会开启。但是，MOSFET配有集成本体二极管，在电池反向的情况下，会直接发生短路。为了避免发生短路，固态继电器需要阻拦反方向的电流。这种拦截需要使用背靠背MOSFET，大幅提高了解决方案的成本。成本大幅增加是不对许多继电器进行更换的一大重要原因。

　　? 保险丝的情况也类似。由于保险丝只是一片金属，是一种非常被动的器件，在车辆长时间停放期间，保险丝会继续保护线缆，防止出现短路，且在这个过程中，它不会消耗任何电流。而电子保险丝则需要消耗一些电流才能工作。如今使用的解决方案都处于毫安范围，但实际却需要一款微安解决方案。否则，只需一周左右时间，电池电量就会完全用完。

　　发挥领导作用

　　作为汽车、网络、飞行器以及其他行业的使能技术供应商，恩智浦对于实现互联和推动变革非常感兴趣。但是，电气化革命是无法依靠一家公司来完成的，它需要跨行业的合作。恩智浦已充分准备发挥领导作用，让车辆布线改革成为现实。

　　本文作者：Philippe Dupuy，博士，智能继电器和智能电网高级研发经理