隨著汽車行業從汽油驅動轉向電動汽車的勢頭不斷增強,一些主機廠利用其傳統內燃機(ICE)架構快速制造出電池電動汽車(BEV)也就不足為奇了。
但是,當我們放眼未來的汽車電氣化時,這種方法就有了問題:使用為ICE設計的架構創建BEV會因架構上的折衷和低效推高總成本和重量。
怎么走才能達致可持續的未來?致力于開發更安全、更環保、更互聯的解決方案的全球性技術公司Aptiv給出了智能電氣中心,并細化到智能熔斷器、區域控制器等創新解決方案。
ICE到BEV的挑戰
Aptiv全球核心工程配電系統副總裁Eric Rowland表示:現在看一些插圖主機廠的“方法是有意義的,但是,當我們展望未來汽車電氣化時,這種方法是不可持續的。使用為ICE設計的架構創建BEV會帶來許多架構上的折衷和低效,從而推高總成本和重量。”
例如,使用典型SUV的ICE結構創建BEV會導致布線系統比ICE車輛重13公斤,即使沒有了整個ICE發動機線束。BEV所需的高壓電纜增加了約8公斤,為適應牽引蓄電池和驅動系統周圍的ICE結構所需的所有包裝增加了另外的5公斤。為了實現另一個指標,ICE設計的拓撲迫使BEV使用300多米的額外電線來提供相同級別的功能。
圖:ICE、BEV、SVA對比
這里的一個技術斷點在于,BEV是一個技術轉折點——需要一種專門用于電力推進的新型電氣結構。考慮到這一點,主機廠可以部署一種精確匹配車輛需求的架構,同時大幅降低低壓接線的重量和成本,從而生產出更可持續的產品。此外,該架構需要具有靈活性和可擴展性,使其于適應更高級的車型。
開發BEV專用架構的第一步可能是區域配電解決方案,如智能電氣中心,用智能熔斷器取代傳統熔斷器,用固態開關取代機電繼電器,從而形成一個功能向上集成的邏輯位置。
什么是智能電氣中心?
隨著消費者對汽車功能的要求越來越高,汽車行業正在進行其歷史上最大的電氣和電子架構轉型。Aptiv電氣中心全球產品管理總監Ajay Bhargava說:“智能電氣中心是一個水到渠成的東西。因為在未來幾年,車輛分區架構將獲得發展,特別是在電動汽車上,它更有助于簡化架構并進一步減輕重量。分區架構將車輛內的各種物理分區,添加分區控制器作為高速數據和電源集線器。”
主機廠需要智能車輛架構,但第一步可能是智能電氣中心。它是車輛中的配電裝置,用智能熔斷器和固態開關取代機電繼電器的傳統熔斷器。采取這一步驟可以幫助主機廠優化電纜尺寸,降低系統成本、重量和包裝尺寸;并啟用智能電源管理和診斷功能。固態開關也比機電式繼電器更安靜,能耗更低,并可在數百萬個工作周期內保持穩定。此外,智能電氣中心比傳統電氣中心更小、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,可以檢測連接到它的電線何時可能出現故障。它可以隔離故障條件;檢測開路和短路、電路過載和欠載;并將所有診斷信息報告回中央控制器,中央控制器可將該數據傳達給車主或經銷商進行維修。
智能電氣中心的技術是確保車輛滿足功能安全要求的關鍵。通常,智能電氣中心是ASIL-B級組件,可與另一個汽車安全完整性B級(ASIL-B)級組件結合使用,形成ASIL-D級系統。ASIL-B部件評級通過改進固態部件、診斷和軟件實施的穩健性來實現。
什么是智能熔斷器?
智能熔斷器用半導體取代繼電器中的傳統熔斷器,是一種實現智能電源管理的方法,因為整個車輛的熔斷器可以集中管理。這對于電動汽車尤其重要。
·首先,如果蓄電池電量不足,系統可使用智能保險絲在整個車輛內短時間內明智地關閉一些功能,如需要大功率的非關鍵功能包括座椅加熱器或車窗加熱器。系統可以決定在駕駛員無法察覺的短時間內關閉這些功能,以便在更重要的功能需要峰值負載時釋放動力,例如急轉彎時的動力轉向。
·其次,智能保險絲可以檢測連接到它的電線何時要出故障,并將該信息傳回中央系統。這種預測性維護有助于駕駛員在潛在問題影響車輛運行之前解決這些問題。對于負責維護大量車輛的車隊運營商來說,這一點尤為重要。
·第三,智能熔斷可以節省布線成本。在過去,電線的直徑必須比實際需要的直徑大30%,以允許在沒有熔斷保險絲情況下對峰值負載有足夠的容限。相比之下,使用智能熔斷器可以在指定的時間段內讓導線匹配負載的物理極限。這通常意味著減少一個線規,例如,從4mm2減少到2．5mm2,從而減少線束重量。
智能熔斷器通過去掉笨重的保險絲盒實現了更緊湊的設計。區域控制器通常是放置智能保險絲的合理場所。
圖:半導體器件尺寸更小
智能熔斷是通過電子電路設計、軟件和半導體來實現的,在需要時可以切斷元件的電源,以防止電路過載。與熔化式熔斷器不同,智能熔斷器是自復位的,這意味著它不必在觸發時更換,其位置也不必便于維修。
案例:減少三分之一傳統設備
Aptiv最近與一家主要的北美主機廠合作,使用先進的智能電氣中心減輕了每輛車2公斤的重量和40美元的成本。在一輛車上減少了三個傳統電氣中心中的一個,在減輕重量的同時減少了57瓦時(Wh)的電力需求,改善了功能。
在這項研究中,Aptiv將17個傳統保險絲改為智能保險絲,并用固態開關取代22個機電繼電器,消除了與每個繼電器相關的線圈導線,同時也允許其他導線使用更小的線徑;還為控制器局域網(CAN)總線連接增加了兩根電線,將來可以很容易地移植到汽車以太網。
該方法還允許對各種功能進行向上集成,將更多內容放入更少的物理盒子中。該研究將一個分立式模塊集成到智能電氣中心,包括開關功能,以及發動機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智能電氣中心和一個傳統電氣中心,從而消除了第三個電氣中心。這一舉措不僅消除了與第三個電氣中心相關的包裝,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。
采用區域控制器方法可以減少通過車輛關鍵區域的布線需求。在一個例子中,Aptiv能夠減小布線組件的直徑,從而使空間減少了4倍。
圖:區域控制器所需空間更小
除了減輕重量、功耗和成本外,從傳統電氣中心轉移到智能電氣中心還改進了功能。例如,該系統能夠通過車輛網絡共享診斷信息,檢測并報告從開路負載和短路到過載和欠載的所有情況。它還可以實現增強的電源管理,因為它能夠隔離掉電。
與使用熔斷器的傳統電氣中心不同,智能電氣中心不必由技術人員進行維修,這使得設計更加靈活。智能電氣中心允許未來增加功能,甚至可以在車輛出廠后對其微控制器中的軟件進行空中更新,以改進電源管理功能,而無需去經銷商處。當然,網絡安全必須納入解決方案,作為全面安全立場的一部分。
Aptiv的智能電氣中心自2019年初開始投入生產,代表著邁向下一代電氣/電子架構——智能車輛架構(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,當主機廠準備好采取下一步行動,走向SVA? 電氣架構時,智能電氣中心將確保更輕松的過渡。
面向未來的分區架構
上面提到區域配電解決方案還有區域控制器,都是為了實現未來的分區架構所做的的努力。智能熔斷器是區域控制器的關鍵部件,而區域控制器具有超越電源管理的能力,能夠從車輛某一部分內的多個傳感器收集數據,甚至集成多個功能。相比之下,智能電氣中心允許主機廠獲得相同的電源管理優勢,而無需承諾采用完整的分區架構。
區域控制器是下一代架構的關鍵,也是先進車輛架構的關鍵組成部分,主要用于電源和數據分配。根據車輛的要求和復雜性,區域控制器的數量可能會有所不同。下面是三個示例配置。
圖:區域控制器示例配置
特別是在電動汽車上,分區架構將有助于簡化架構并進一步減輕重量。分區架構將車輛內的各種物理分區添加分區控制器作為高速數據和電源集線器。Aptiv的架構工具可以幫助主機廠將其設計遷移到分區架構。工程師可以從當前的架構開始,分析內容并將其劃分為區域,將每個區域中的設備連接到區域控制器。這使他們能夠將連接整合到較少的導線上,并確定哪些功能應向上集成到區域控制器中。
當然,由于車輛中有如此多的設備和連接,有許多方法可以劃分架構,因此下一步是使用評估指標來確定哪種變體工作得最好。其中一個指標是碰撞后的功能可用性。通過識別車輛各個區域內的所有電線和設備,設計師可以確定每個區域的碰撞會影響哪些功能。利用這些信息,設計師可以構建一輛更穩健、更具彈性的BEV。
在與全球主機廠進行的架構研究中,Aptiv為同一輛車構建了兩個完整、不同的架構,以提供A車對B車的比較。對比發現,區域控制的向上集成消除了超過9公斤的車體重量,消除了20多個連接器和許多傳統電子控制單元,以及相應的支架及其他支持硬件的開銷。
簡化布線就意味著簡化組裝,分區架構提高了主機廠自動化流程的能力——在未來幾年面臨日益增加的勞動力壓力的市場中,這是一個關鍵優勢。
展望未來
分區架構可以也使主機廠處于一個良好的位置,可以繼續進一步優化車輛,即使是需要增加更多的特性和功能也會應對自如。Aptiv的SVA? 方法允許進一步的計算向上集成,建立扁平電源主干,優化低壓接線,并通過Dock & Lock? 連接器實現更自動化的組裝。
轉向BEV代表了主機廠重新思考其車輛電氣結構的獨特機會。通過廢除ICE架構并重新開始新的架構,他們將能夠更好地開發經濟、重量更輕、彈性更強、更安全、更環保、更連通的電氣架構。
