隨著汽車行業(yè)從汽油驅(qū)動轉(zhuǎn)向電動汽車的勢頭不斷增強,一些主機廠利用其傳統(tǒng)內(nèi)燃機(ICE)架構(gòu)快速制造出電池電動汽車(BEV)也就不足為奇了。
但是,當(dāng)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(shè)計的架構(gòu)創(chuàng)建BEV會因架構(gòu)上的折衷和低效推高總成本和重量。
怎么走才能達(dá)致可持續(xù)的未來?致力于開發(fā)更安全、更環(huán)保、更互聯(lián)的解決方案的全球性技術(shù)公司Aptiv給出了智能電氣中心,并細(xì)化到智能熔斷器、區(qū)域控制器等創(chuàng)新解決方案。
ICE到BEV的挑戰(zhàn)
Aptiv全球核心工程配電系統(tǒng)副總裁Eric Rowland表示:現(xiàn)在看一些插圖主機廠的“方法是有意義的,但是,當(dāng)我們展望未來汽車電氣化時,這種方法是不可持續(xù)的。使用為ICE設(shè)計的架構(gòu)創(chuàng)建BEV會帶來許多架構(gòu)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(jié)構(gòu)創(chuàng)建BEV會導(dǎo)致布線系統(tǒng)比ICE車輛重13公斤,即使沒有了整個ICE發(fā)動機線束。BEV所需的高壓電纜增加了約8公斤,為適應(yīng)牽引蓄電池和驅(qū)動系統(tǒng)周圍的ICE結(jié)構(gòu)所需的所有包裝增加了另外的5公斤。為了實現(xiàn)另一個指標(biāo),ICE設(shè)計的拓?fù)淦仁笲EV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(shù)斷點在于,BEV是一個技術(shù)轉(zhuǎn)折點——需要一種專門用于電力推進(jìn)的新型電氣結(jié)構(gòu)。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(gòu),同時大幅降低低壓接線的重量和成本,從而生產(chǎn)出更可持續(xù)的產(chǎn)品。此外,該架構(gòu)需要具有靈活性和可擴展性,使其于適應(yīng)更高級的車型。
開發(fā)BEV專用架構(gòu)的第一步可能是區(qū)域配電解決方案,如智能電氣中心,用智能熔斷器取代傳統(tǒng)熔斷器,用固態(tài)開關(guān)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(yè)正在進(jìn)行其歷史上最大的電氣和電子架構(gòu)轉(zhuǎn)型。Aptiv電氣中心全球產(chǎn)品管理總監(jiān)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(qū)架構(gòu)將獲得發(fā)展,特別是在電動汽車上,它更有助于簡化架構(gòu)并進(jìn)一步減輕重量。分區(qū)架構(gòu)將車輛內(nèi)的各種物理分區(qū),添加分區(qū)控制器作為高速數(shù)據(jù)和電源集線器。”
主機廠需要智能車輛架構(gòu),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(tài)開關(guān)取代機電繼電器的傳統(tǒng)熔斷器。采取這一步驟可以幫助主機廠優(yōu)化電纜尺寸,降低系統(tǒng)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(tài)開關(guān)也比機電式繼電器更安靜,能耗更低,并可在數(shù)百萬個工作周期內(nèi)保持穩(wěn)定。此外,智能電氣中心比傳統(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)傳達(dá)給車主或經(jīng)銷商進(jìn)行維修。
智能電氣中心的技術(shù)是確保車輛滿足功能安全要求的關(guān)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(jié)合使用,形成ASIL-D級系統(tǒng)。ASIL-B部件評級通過改進(jìn)固態(tài)部件、診斷和軟件實施的穩(wěn)健性來實現(xiàn)。
什么是智能熔斷器?
智能熔斷器用半導(dǎo)體取代繼電器中的傳統(tǒng)熔斷器,是一種實現(xiàn)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(tǒng)可使用智能保險絲在整個車輛內(nèi)短時間內(nèi)明智地關(guān)閉一些功能,如需要大功率的非關(guān)鍵功能包括座椅加熱器或車窗加熱器。系統(tǒng)可以決定在駕駛員無法察覺的短時間內(nèi)關(guān)閉這些功能,以便在更重要的功能需要峰值負(fù)載時釋放動力,例如急轉(zhuǎn)彎時的動力轉(zhuǎn)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(tǒng)。這種預(yù)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(fù)責(zé)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(jié)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(fù)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(nèi)讓導(dǎo)線匹配負(fù)載的物理極限。這通常意味著減少一個線規(guī),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(xiàn)了更緊湊的設(shè)計。區(qū)域控制器通常是放置智能保險絲的合理場所。
圖:半導(dǎo)體器件尺寸更小
智能熔斷是通過電子電路設(shè)計、軟件和半導(dǎo)體來實現(xiàn)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(fù)位的,這意味著它不必在觸發(fā)時更換,其位置也不必便于維修。
案例:減少三分之一傳統(tǒng)設(shè)備
Aptiv最近與一家主要的北美主機廠合作,使用先進(jìn)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(tǒng)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(tǒng)保險絲改為智能保險絲,并用固態(tài)開關(guān)取代22個機電繼電器,消除了與每個繼電器相關(guān)的線圈導(dǎo)線,同時也允許其他導(dǎo)線使用更小的線徑;還為控制器局域網(wǎng)(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(wǎng)。
該方法還允許對各種功能進(jìn)行向上集成,將更多內(nèi)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(guān)功能,以及發(fā)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(tǒng)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(guān)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(qū)域控制器方法可以減少通過車輛關(guān)鍵區(qū)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(qū)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(tǒng)電氣中心轉(zhuǎn)移到智能電氣中心還改進(jìn)了功能。例如,該系統(tǒng)能夠通過車輛網(wǎng)絡(luò)共享診斷信息,檢測并報告從開路負(fù)載和短路到過載和欠載的所有情況。它還可以實現(xiàn)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(tǒng)電氣中心不同,智能電氣中心不必由技術(shù)人員進(jìn)行維修,這使得設(shè)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(jìn)行空中更新,以改進(jìn)電源管理功能,而無需去經(jīng)銷商處。當(dāng)然,網(wǎng)絡(luò)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(chǎn),代表著邁向下一代電氣/電子架構(gòu)——智能車輛架構(gòu)(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(dāng)主機廠準(zhǔn)備好采取下一步行動,走向SVA? 電氣架構(gòu)時,智能電氣中心將確保更輕松的過渡。
面向未來的分區(qū)架構(gòu)
上面提到區(qū)域配電解決方案還有區(qū)域控制器,都是為了實現(xiàn)未來的分區(qū)架構(gòu)所做的的努力。智能熔斷器是區(qū)域控制器的關(guān)鍵部件,而區(qū)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(nèi)的多個傳感器收集數(shù)據(jù),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(yōu)勢,而無需承諾采用完整的分區(qū)架構(gòu)。
區(qū)域控制器是下一代架構(gòu)的關(guān)鍵,也是先進(jìn)車輛架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,主要用于電源和數(shù)據(jù)分配。根據(jù)車輛的要求和復(fù)雜性,區(qū)域控制器的數(shù)量可能會有所不同。下面是三個示例配置。
圖:區(qū)域控制器示例配置
特別是在電動汽車上,分區(qū)架構(gòu)將有助于簡化架構(gòu)并進(jìn)一步減輕重量。分區(qū)架構(gòu)將車輛內(nèi)的各種物理分區(qū)添加分區(qū)控制器作為高速數(shù)據(jù)和電源集線器。Aptiv的架構(gòu)工具可以幫助主機廠將其設(shè)計遷移到分區(qū)架構(gòu)。工程師可以從當(dāng)前的架構(gòu)開始,分析內(nèi)容并將其劃分為區(qū)域,將每個區(qū)域中的設(shè)備連接到區(qū)域控制器。這使他們能夠?qū)⑦B接整合到較少的導(dǎo)線上,并確定哪些功能應(yīng)向上集成到區(qū)域控制器中。
當(dāng)然,由于車輛中有如此多的設(shè)備和連接,有許多方法可以劃分架構(gòu),因此下一步是使用評估指標(biāo)來確定哪種變體工作得最好。其中一個指標(biāo)是碰撞后的功能可用性。通過識別車輛各個區(qū)域內(nèi)的所有電線和設(shè)備,設(shè)計師可以確定每個區(qū)域的碰撞會影響哪些功能。利用這些信息,設(shè)計師可以構(gòu)建一輛更穩(wěn)健、更具彈性的BEV。
在與全球主機廠進(jìn)行的架構(gòu)研究中,Aptiv為同一輛車構(gòu)建了兩個完整、不同的架構(gòu),以提供A車對B車的比較。對比發(fā)現(xiàn),區(qū)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(tǒng)電子控制單元,以及相應(yīng)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(qū)架構(gòu)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(guān)鍵優(yōu)勢。
展望未來
分區(qū)架構(gòu)可以也使主機廠處于一個良好的位置,可以繼續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化車輛,即使是需要增加更多的特性和功能也會應(yīng)對自如。Aptiv的SVA? 方法允許進(jìn)一步的計算向上集成,建立扁平電源主干,優(yōu)化低壓接線,并通過Dock & Lock? 連接器實現(xiàn)更自動化的組裝。
轉(zhuǎn)向BEV代表了主機廠重新思考其車輛電氣結(jié)構(gòu)的獨特機會。通過廢除ICE架構(gòu)并重新開始新的架構(gòu),他們將能夠更好地開發(fā)經(jīng)濟、重量更輕、彈性更強、更安全、更環(huán)保、更連通的電氣架構(gòu)。
