通過靈活且智能的電力控制提升汽車的可持續性

汽車行業正在向可持續性轉變，這一轉變由軟件定義汽車（SDV）這一創新概念推動。這些汽車利用軟件集成和虛擬化技術來增強功能、連接性和自主性。這種創新不僅提高了汽車的靈活性和用戶體驗，還對可持續性努力做出了重大貢獻。

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傳統的機械保險絲正在被電子保險絲所取代，后者提供了精確且智能的電路管理功能。它們能夠實時監控車輛的電氣系統，快速檢測并響應電氣異常，從而提高安全性和可靠性。此外，通過串行外設接口（SPI）控制的電子保險絲能夠無縫集成到車輛的軟件中，實現動態調整和遠程診斷。這種智能電力控制能夠節省能源并減少浪費，確保車輛高效運行。

盡管基于硬件的I2t（電流平方乘以時間）保護曲線對導線保護與負載曲線的優化能力有限，但基于SPI的產品提供了一種革命性的方法。這種完全可編程的解決方案擁有尖端功能，僅需設置兩個參數——額定電流和時間，即可輕松配置。這種開創性的設計提供了無與倫比的適應性和性能，不僅使解決方案更加高效，還特別能夠滿足現代車輛多樣化且動態變化的電氣保護需求。

汽車中的電源管理

該領域的一個顯著進步是開發了STi2Fuse智能電子保險絲，這種保險絲通過嵌入式SPI完全可編程，從而實現數字控制和診斷。

這種創新功能為傳統汽車和下一代創新SDV中的電源分配與管理帶來了顯著優勢：

靈活性：與需要物理修改才能改變保險絲曲線級別的競爭產品不同，STi2Fuse產品可以通過軟件輕松調整，無需修改板上的組件。

易用性：用戶可以通過圖形用戶界面（GUI）簡單地更新保險絲設置，簡化了調整過程，減少了所需的時間和精力。

精確性：專有的I2t功能確保保險絲曲線級別可以高精度微調，提供最佳保護和線束優化。

智能STi2Fuse開關是汽車區域架構中的關鍵組件，每個區域通過電源軌開關（PRS）安全地接收適當的電源，而不是依賴于集中式的基于域的系統，如圖1所示。

圖1. 汽車架構（基于域和基于區域）。圖片來源于Bodo的Power Systems [PDF]

每個區域都有自己的控制單元，簡化了布線，減輕了重量，并提高了整個系統的效率，如圖2所示的電動汽車（EV）電源分配的框圖。

圖2. 電動汽車電源分配的框圖。圖片來源于Bodo的Power Systems [PDF]

為了在高精度、可靠、安全和彈性的條件下承受惡劣的電流水平，PRS可以使用智能STi2Fuse控制器驅動高電流功率MOSFET以背靠背（B2B）配置實現。這種配置可以雙向管理線路，如圖3所示。

圖3. B2B配置中的PRS框圖。圖片來源于Bodo的Power Systems [PDF]

四個單通道STi2Fuse控制器確保安全的電源分配，防止過載和可能對電氣部件造成的損壞，從而提高了車輛電氣系統的可靠性。

本文基于對一個完整解決方案的測量，展示了對控制器的全面性能分析，該解決方案集成了硬件和軟件。用于驅動和功率部分的評估板如以下圖所示（圖4和圖5）。

圖4. 驅動部分的評估板。 圖片來源于Bodo的Power Systems [PDF]

圖5. 功率部分的評估板。 圖片來源于Bodo的Power Systems [PDF]

在以下條件下對單條電源軌進行了熱分析：

VBAT = 12 V
IRAIL = 100 A
其中，VBAT為電池電壓，IRAIL為流經單條電源軌的電流。

圖6展示了電源軌組件的熱圖，特別是功率開關、分流電阻和連接器。

其中：

2表示分流電阻RSHUNT2
3表示功率開關3
4表示功率開關4

圖6. 單條電源軌功率級的熱分析。 圖片來源于Bodo的Power Systems [PDF]

每個功率開關由四個并聯的功率MOSFET組成，用于管理電流。因此，兩個功率開關的溫度均達到約85°C。這一結果突顯了評估板在確保電流通過兩個功率開關均勻分配方面的有效性。

智能STi2Fuse開關的I2t功能已通過以下測試電路進行了測試，以確定其對電路組件和布線的保護水平（圖7）。

圖7. 保護功能的測試電路。 圖片來源于Bodo的Power Systems [PDF]

如果L1和L2電源軌線路同時發生短路，智能保險絲設備將介入以保護負載。這些設備的響應時間會隨著過電流水平的增加而縮短。這種響應時間由智能保險絲內配置的I2t曲線決定。實驗數據如表1所示。

表1. 智能保險絲響應時間的實驗數據。

圖8展示了在L2電源軌線路中負載過電流為30 A時，智能保險絲的行為電壓和電流波形。

圖8. 電源軌短路條件下的測量波形。 圖片來源于Bodo的Power Systems [PDF]

在檢測到短路條件后，智能保險絲4會觸發功率開關斷開，導致其柵極電壓（VG4）降至低電平。隨后，智能保險絲3的漏源電壓（VDS3）增加，使其柵極電壓（VG3）也降至低電平。這一動作切斷了L2電源軌，導致L2電源軌中的電流降至零。L1電源軌線路也觀察到類似的行為。因此，負載電流降至零，從而有效地保護了負載。整個事件序列僅在幾毫秒內完成。

其他故障事件可能直接涉及電路負載。在這種情況下，如果兩條電源軌檢測到的電流超過軟件定義的短路閾值，兩條線路將被切斷，通過兩個功率開關的背靠背體二極管阻斷電流流動。

如果僅有一條電源軌發生短路，為了滿足連接負載的安全要求，同時避免仍在運行的DC-DC轉換器繼續為短路供電，電源軌開關（PRS）會檢測到涉及電源軌的過電流，將其斷開，并為關鍵安全負載提供永久偏置條件。

結論

全面的性能分析已證實STi2Fuse開關在實際場景中的有效性。這些智能電子保險絲以其無與倫比的靈活性、精確性和快速響應能力，徹底革新了汽車應用中的電源管理。STi2Fuse開關對于提高現代車輛的安全性、可靠性和效率至關重要。它們在汽車區域架構中的集成凸顯了其在推進車輛電氣系統中的關鍵重要性。