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前言
如果說車輛智能化是未來，那麼智能電氣架構一定是其基礎。
上篇文章我們也講過，特斯拉的三個分布式區域控制器已基本實作了智能電氣架構，但是你搞清楚了特斯拉怎麼實作智能電氣架構，就能指導大衆和福特實作智能電氣架構嗎？答案顯然是否定的。就像張笑宇老師說的，雞蛋變成雞的學問可以指導雞，但是怎麼能夠幫助到鴨呢？
本文将從特斯拉、大衆與福特3款新型SUV的電氣架構對比開始分析，看特斯拉為何能領先業界6年實作智能電氣架構，而傳統車企的曆史包袱是如何阻礙其新技術落地的，從車輛的系統設計，到對成本模式認知及技術模式的認知，最後到落地時要面臨哪些技術難點，詳細分析如何實作智能電氣架構的落地。
本文對乘用車及商用車應用均有涉及，文中也将普及一些基礎的車輛電氣原理、傳統方案器件成本、半導體方案及成本、線束基礎知識、負載基礎特性、HSD晶片基礎、MOSFET基礎、電流與成本的關系、相關的電子電氣設計難點、晶片參數選型等，算是抛磚引玉，希望能和行業小夥伴們一起共同推動智能電氣架構的落地。
正文
如今的汽車行業正在經曆劇烈的電氣化及智能化變革，這種變革必然導緻車輛ECU數量增多及電氣架構複雜度增加，傳統車企在架構更新過程中會怎麼做？有哪些考量？
剛好，有國外網站3IS基于特斯拉Model Y，對比了大衆ID.4與福特Mach E的電子電氣架構，這三款車均為純電動SUV，量産時間相近；并且，大衆與福特作為傳統老牌大型車企，和特斯拉對比就非常具有代表性。
從下圖的ECU及網絡類型節點對比表我們可以看出，Model Y、ID.4、Mach E的ECU數量分别為26、52、51，特斯拉的內建度明顯要高很多，這主要是因為特斯拉将衆多小型ECU的功能全部內建到區域控制器中。前文我們講過，比如特斯拉的 Model 3的FBCM，既負責配電，還負責一些左前燈控制、空調控制、熱管理等功能，橫跨了傳統的車身、座艙、底盤及動力域。
之前我們就講過，傳統OEM是有很大曆史包袱的，按以往的經驗，基于現有成熟子產品進行複用可以顯著縮短車輛開發周期及降低開發成本，并保證車輛的可靠性。但如果步子邁得太大，一上來就搞大規模內建，就會牽一發而動全身。
是以，對傳統車企來講，任何的更改都需要很謹慎，因為制約因素很多，改起來就很困難，周期很長，涉及面很廣，風險很大，成本也很高。
大家應該還都記得，ID.3在剛上市時，出現了衆多軟體bug，上萬輛車停在大衆工廠等待更新。大衆尚且如此，其他家可想而知。是以我們可以看到，福特和大衆盡管宣稱是全新純電架構，但是仍然複用了很多小型ECU。
但有一點不可否認的是，大衆在電子電氣架構的更新過程中已經做了很大的更新，大家有興趣的話可以去看一下奧迪e-tron與ID.4的電子電氣架構的對比，可以看出巨大的變化。
三款車子產品數量及網絡節點對比（來源：3IS）
從上圖Lin總線數量也能看出，ID.4和Mach E的數量幾乎是特斯拉的2倍，這也從側面就說明他們複用了很多基于Lin通信的小型ECU，這是都是很典型的傳統設計方式。
在上兩篇文章中我們已經詳細分析了特斯拉Model 3 的智能配電方案及電氣架構，有興趣的小夥伴們可以再去看一下“特斯拉為什麼要“幹掉”保險絲和繼電器？”和“自動駕駛商用車需要什麼樣的電氣架構？”。從下表我們剛好可以從另一個側面了解一下智能電氣架構對車輛帶來的影響。
我們可以看到，ID.4和Mach E在這方面仍然是傳統設計，有3個配電盒，前艙1個，駕駛艙2個，并且有大量的繼電器和保險絲，而Model Y則沿用了Model 3的設計，全部采用半導體方案進行替代，傳統繼電器和保險絲的數量為0。
三款車配電子產品、保險絲及繼電器數量對比（來源：3IS）
這種設計差異就導緻大衆和福特雖然也都采用了域控架構理念，但是三者的電子電氣架構還是有較大差異的。
特斯拉的架構更接近于區控制架構，這個可以從Model S内部線束長度長達3 km，到Model 3隻有 1.5 km的進步得到印證，因為區域架構對線束的節省具有明顯價值。Aptiv也曾測算過使用區域架構後可以降低25%線束成本，而Visteon則認為區架構可以節省50%或更多的線束長度。
區控制器對線束的節省（來源：Visteon）
另外Visteon還專門闡述了區域智能配電的價值，包括：
1. 雙電源分級供電；
2. 推動配電技術電子化，取消傳統保險絲；
3. 中央配電盒虛拟化，保護特性優化；
4. 智能電源管理，基于電流及電壓診斷的故障預測；
5. 保險絲及負載優化帶來的其它價值。
區域智能配電的價值（來源：Visteon）
其實這些東西我們在上兩篇文章都已進行過多角度的深入分析，你總不能說大衆和福特不了解區域架構，或者沒有分析過區域智能配電帶來的價值吧？Model 3是2017年9月下線的，大衆和福特是2020和2021年量産的，中間有三四年的時間，但特斯拉至今仍是全球唯一采用區域智能配電的OEM，這足以說明問題。
另外，3IS最後給的結論也很有意思——3IS說：“很難簡單地說誰的架構是最好的，這取決于目的和限制條件。傳統OEM使用沿用技術可以降低研發成本，雖然這并不是最好的。特斯拉别無選擇地必須從零開始，是以可以走一條完全不同的路，它沒有任何限制。”
架構對比結論（來源：3IS）
實際上，特斯拉針對舊車型，也是有限制的。針對2012年推出的Model S和2015年推出的Model X，特斯拉直到2022年才能在所有新車上采用這種技術，從model 3開始第一次用智能配電方案算起，這中間已相隔5年時間，是以針對舊車型的更新改造難度可見一斑，這還是在特斯拉擁有成熟的區域智能配電架構的基礎上。
特斯拉将在2022年全線切換電子保險絲（來源：teslatap）
另外，通過對特斯拉老款車型Model X (2015-2020)及Model s (2016-2020)的分析我們也能看出來，即使傳統配電盒方案，特斯拉的設計也異于傳統OEM。
特斯拉Model S/X前艙配電盒（來源：teslatap）
特斯拉Model S/X座艙配電盒（來源：網絡）
從上圖我們可以看出，特斯拉整車使用的Plug-in繼電器數量極少，僅有5個（傳統車接近20個），座艙配電盒上僅有保險絲，沒有繼電器，這為特斯拉在model 3上采用區域智能配電的創新架構埋下了伏筆；相比之下，5年後量産的ID.4和Mach E分别為7和22。
那麼，大衆、福特跟特斯拉在電氣架構上的差距為何如此之大呢？接下來，我們将從系統角度、成本角度、認知角度、技術角度對智能電氣架構落地中的難點進行詳細的分析。
一. 整車系統角度
上一章我們也講過，汽車上很多設計其實是牽一發而動全身的，因為汽車是一個很複雜的內建系統，一台車有上萬個零部件，很多系統是互相關聯的。比如我們就拿特斯拉的“高壓不下電”政策來說，這一點牽涉到了非常多的具體設計：
1. 特斯拉Model 3停車後高壓動力電池會一直保持連接配接，高壓電池以約每天1%的放電速度放電；
2. Model 3的“靜态”工作電流為2.6A，而傳統高壓下電的車輛靜态電流在15mA～20mA左右，以保證蓄電池不虧電，下次能正常啟動（低壓沒電是上不了高壓的，因為BMS、VCU都是用的12V蓄電池的電）；
3. 如此大的電流會導緻鉛酸蓄電池很快耗光，據估計是一天時間，是以特斯拉又首創了BMS內建小型DC-DC的設計，在停車後為整車提供12V電源，防止蓄電池虧電；
4. 這個設計的初衷是為了支援所有的Online服務，比如哨兵模式；
5. 這種設計進而推動特斯拉直接取消了高壓預充電路，這估計也是全球首創的了；
6.特斯拉采用了大家聞所未聞的低壓蓄電池DC-DC逆變進行高壓預充，這種設計也不支援頻繁的高壓上下電，是以相對應的設計就是特斯拉的高壓在首次上電後，一般就不下電了。
說起來比較繞，我做了一個腦圖，大家看一下：
特斯拉高壓不下電設計（來源：左成鋼）
從這裡就能看出來，一項功能的實作需要整個系統設計進行配合。這裡還僅僅是高壓部分的，就涉及到了預充方案、BMS、DC-DC等子產品及政策的全新設計；實際上，低壓電源配置設定及控制方面特斯拉也有相應的設計來支撐。
是以說，如果不站在整車系統角度對一個功能的實作進行深入分析，步子邁得太大，一上來就搞很多新功能，做很多內建設計，就會牽一發而動全身，改了A就會導緻B有問題，動了B才發現C又不行了。制約因素很多，改起來就很困難，周期很長，涉及面很廣，風險就會很大，成本也很高。
上萬輛ID.3停在大衆工廠等待更新的畫面還曆曆在目，甚至連特斯拉也要花好幾年來更新老款車型，是以，傳統OEM不得不謹慎，沿用設計就成了不得不用的“最好選擇”。
二. 成本角度
從傳統車輛設計角度來看，成本是第一位的，智能電氣架構大家都知道很好，但是OEM一看成本，項目肯定就黃了，連和你往下讨論的沖動都沒有了。
筆者曾針對商用車電氣架構和幾大OEM進行過成本分析，整車電氣零部件部分（不包含線束），更新到智能電氣架構後，成本至少翻一番，即使對成本沒那麼敏感的商用車，這也是絕對不可接受的，對成本極敏感的乘用車，就更不用說了。
下面這張圖檔我們在前面的文章中分享過，我再貼出來大家看下，對于12V系統，半導體方案是比目前的30A繼電器要貴的，更不用說在配電盒中占比最大的保險絲，整車全部采用半導體方案後，成本增加是非常大的，特别是大電流回路。
下面我們大概列了一下各種方案的成本對比，大家可以感受一下。
HSD/繼電器電流-成本與替代速度（來源：英飛淩）
12V系統方案成本對比（來源：左成鋼）
車輛保險絲及繼電器數量對比（來源：左成鋼）
舉例來講，對于一個10A回路，采用保險絲是一毛錢，晶片就要七八塊錢。但是晶片成本随電流等級增加并不是線性的，比如30A的保險絲還是一毛錢，晶片就得二十幾塊錢了。電流再大，就沒有HSD了，隻能用MOS方案。整車那麼多保險絲，尤其對于一級配電盒，大電流特别多，智能配電盒成本對比簡直就不忍直視，你要是Tier 1都不好意思和OEM提成本。
那怎麼辦？
智能電氣架構作為一種颠覆式的技術創新，在其帶來創新價值的同時，也帶來了成本的大幅增加，技術要落地，要應用，就需要有人為創新的成本買單，但OEM又不想直接大幅增加成本，這會直接影響利潤，對靠賣車賺錢的傳統OEM來說，這是不能接受的。
一般來說，如果技術帶來的成本增加在20%～30%之間，這個技術就比較容易落地，而對于智能電氣架構，就需要從系統層面來考慮線束的成本降低、研發的成本降低等，但整個系統成本很難估算，你告訴OEM是降低的，即使OEM認可，具體也不好算，這就導緻成本這一關很難過，OEM的上司很難拍闆說上這個技術。
半導體方案的系統成本是降低的（來源：Philippe Dupuy）
NXP的Philippe Dupuy認為OEM是了解半導體解決方案的價值的，同時也是車輛電氣化的主要推動者，并且經過計算，系統級及整車級的成本是節省的。但同時他也承認，時至今日，半導體解決方案并未獲得顯著進展。
何帆老師說過，你不可能在同一時間，同一場合，解決是以的問題，你要改變限制條件，換一種思路去解決。這就是我們經常說的，不能頭痛醫頭，腳痛醫腳，而是說，治頭痛最好的辦法，很可能是打一盆熱水來泡腳。對智能電氣架構而言，成本的增加帶來的問題是一樣的，我們需要去找到破局點。
“硬體預埋+軟體付費”這種創新模式便是智能電氣架構落地的一個破局點。前文我們分析過特斯拉引領了“硬體預埋+軟體付費”的創新模式，把硬體成本作為價值預埋的一部分，硬體的成本後期可以通過軟體付費模式進行回收了。
傳統的車輛設計，需求在一開始就是被明确定義了的，整車在生命周期内是不更新的，是以可以采用高度定制化的低成本硬體，夠用就行，不需要強大。但如果硬體不夠強大，軟硬體就很難解耦，軟硬體無法分離，就無法應對新的需求的變化，硬體無法被軟體重新定義，因而也很難實作“硬體預埋+軟體付費”。
如果沒有軟體付費這種模式，OEM靠賣車是不可能有這種硬體預埋的創新做法的，甚至連想法都不會有。因為雖然創新産生了新的價值，但是這種價值目前并未展現在消費端，或者展現得不直接，那麼就沒有人願意為創新的成本買單，創新的步伐就會被拉慢下來。
在上一篇文章中我們也講過，智能電氣架構的建設，可以與目前OEM軟體能力建設的内在需求相呼應，同時還可以提升OEM的品牌溢價，延伸價值鍊條，也為OEM從車輛生産商到服務商的轉變提供了可能。
在這裡想到何帆老師舉的另外一個例子，比如非洲國家債務問題，西方國家的思路是，降低利率，或者減免一部分。而中國人可能會說，咱們讨論一下修路的問題吧。我們從小就知道，要想富，先修路。修了路，經濟增長了，債務問題不就解決了嗎。西方人考慮的是如何直接解決問題，而中國人考慮的是迂回解決，因為直接根本就解決不了嘛！
是以，基于目前階段，針對智能電氣架構的成本問題，我們惟一的辦法可能隻有迂回，而在未來，智能電氣架構将作為區域架構的一部分，是支撐未來新能源卡車及高階無人駕駛技術的基礎設施。
三. 認知角度
除了成本，另一個阻礙新技術或新事物發展的，應該就是人們的認知了吧。就像最初手機內建了分辨率隻有30萬像素的拍照功能時，誰也不認為這玩意兒有啥真正的價值，拍照時該用相機還是用相機。後來的事情大家都知道了，手機拍照的價值慢慢得到了認可，消費者也願意為一億像素的鏡頭付費了，甚至生産商還能以此為賣點進行宣傳了，這個放到過去你敢信？
01
成本模式認知
對現在以賣車為老本行的OEM來說，車輛售價必須按配置進行區分，因為材料成本就不一樣。消費者想要更多的功能，買車時就得把錢給到位，如果買車的時候沒有錢，這個配置沒有買，後來想加裝，基本上加不上的。
比如動力底盤部分，你買了1.5T的，買完了覺着動力不行，你和4S店說想換2.0T的，這就離譜了，你不可能換個發動機啊，但電動車就可以在硬體有裕量的基礎上，通過軟體來實作部分的動力提升。
另外就是對産量和成本的認知，在特斯拉最初研究電動汽車時，電池成本大概600美元每千瓦時，而馬斯克通過第一性原理分析後認為未來可以降到80美元，後來的趨勢大家也都看到了，電池成本随着電動車産量的上升，的确是不斷降低的，據估計到2029年，锂離子電池的價格可以降到每千瓦時60美元左右。
到這裡就不得不提一個在汽車領域裡預測價格走勢非常準确的定律——萊特定律，即産量每累計增加一倍，成本價格就會下降15％，而且會持續降低，你再翻一倍又降15%。汽車行業從1900年就遵循這一規律。
基于萊特定律進行分析，一種新産品或技術，在産量翻四番後，成本即可下降到原來的一半。但如果不具備這一認知，就會面對高成本的時候“知難而退”。
基于萊特定律的成本走勢（來源：左成鋼）
前文我們專門分析過智能電氣架構對成本的影響，包括線束設計、電氣設計、EMC、車輛營運維護。
舉個例子，比如利用能量管理算法就可以實作智能節能節油，博世研究表明，發電機輸出100W電功率，相當于100km油耗0.17L，在24V系統也就3.7A電流，比一個70W大燈燈泡多一點。是以電能管理政策是可以提高整車電氣系統的經濟性的。
來源：BOSCH汽車電氣與電子第338頁
然而，很多決策者都過于關注直接成本，卻對間接成本關注不多。是以，對成本模式的認知，也會阻礙很多技術的推廣和應用。
02
技術模式認知
之前我們也講過，汽車産業作為一個擁有上百年曆史的産業，其很多設計是有傳承的，傳承的意思就是有延續性、變動較少。傳統保險絲繼電器技術悠久，可靠性夠用，使用成本低，綜合考慮下來，目前是可靠性和成本後均衡後的最佳方案。
筆者在和衆多OEM進行過技術交流後，大家首先的反應就是，你這不使用保險絲的技術方案可靠嗎？不會保護不了把線燒了吧？你的方案裝過車嗎？驗證過嗎？誰家用過？
汽車行業的技術人員在面對新技術時，首先考慮的是你這種設計可靠不可靠，有沒有人這麼幹過？傳統技術，保險絲燒了換一個就好了，而半導體技術壞了必須換掉整個子產品，成本太高，不可靠根本不行。
關于新的電氣架構，大家的認知不足主要展現在以下幾個方面：
（1）可靠性
我們用一句話來概括，那就是：傳統電氣架構的可靠性下限比較高，但上限很低，而基于半導體方案的智能電氣架構，可靠性下限比較低，但是上限非常高！
關于可靠性這方面，我們在“幹掉保險絲和繼電器，自動駕駛才能更安全”這篇文章已中有詳細分析，歡迎大家去看一下。
是以，我們不能根據經驗說傳統的方案就已經很可靠了，那是因為你還沒有更高的可靠性需求。半導體方案不成熟，一開始可能會不可靠，但我們要相信，它可以非常可靠。就像有句話說的，鷹有時會飛得比雞低，但雞永遠飛不了鷹那麼高。
最後放個可靠性參數表格對比一下：
（2）沖擊電流
OEM做電氣的對這個都比較關心，一是普遍認為半導體器件可能太靈敏了，負載啟動瞬間的沖擊電流會導緻意外保護，另外是認為半導體器件無法承受負載的沖擊電流，可能會導緻損壞。之前幾篇文章中，我們沒有對負載沖擊電流特性進行詳細分析，在此就順便講一下：
車輛不同負載類型的沖擊電流特性（來源：左成鋼）
我們再放幾張沖擊電流波形圖：
典型的24V/70W燈泡啟動沖擊電流波形（來源：左成鋼）
典型的12V/150W直流電機啟動沖擊電流波形（來源：左成鋼）
從上圖可以看出來，容性負載沖擊電流在10倍左右，感性負載在3～5倍之間，我們再來看一下半導體器件的耐沖擊電流能力：
可驅動2*70W/24V燈泡的HSD晶片參數（來源：英飛淩BTT6010-1ERA）
從上表可以看到，HSD晶片的耐沖擊電流能力（即限制電流limitation current）是額定電流的10倍，這足以應對所有類型的容性負載（純電容除外，大電容必須采用預充），同時，HSD晶片僅僅限制輸出電流到一個值，而并不是發生保護，把負載關掉，這是在晶片設計時，晶片設計人員已經考慮到的一個應用場景。
至于針對3～5倍沖擊電流的感性負載，那就更沒有問題了。
下面我們再來看一下MOS管的耐沖擊電流能力，我們就以特斯拉使用的一顆功率MOS來進行參數分析：
特斯拉區域控制器采用的MOSFET參數（來源：Onsemi NVMFS5C426N-D）
這是一顆40V的NMOS，可用于12V系統，參數為1.3mΩ，235A，意思就是你要是給足了散熱，它能給你幹到235A的電流，但實際上沒人敢這麼用，你總不能給它上液氮冷卻吧，我們要考慮工程實作。根據筆者經驗，1.3mΩ的MOS給予一定散熱設計，全溫度範圍（-40度～85度）幹到40A以上應該問題不大，參數表裡是按100度，給到了29A，比較保守。
但是我們再看脈沖，100度是166A，注意前面的參數是RJC，表示這是一個較長的瞬态電流，類似于感性負載沖擊，這個參數也是額定電流的5倍以上了，應對感性負載3～5倍沖擊完全沒有問題，而且，我們再看備注3,1秒的脈沖都是沒問題的。
可能有的小夥伴又要問了，為什麼我分析HSD講容性負載，分析MOS講感性負載？那是因為小電流容性負載用HSD就可以搞定了，同時因為這些負載一般都較小，即使10倍的沖擊，也都沒問題。而大電流應用，沒有相應的HSD晶片，隻能用MOS，且大電流負載一般都是感性特性，沖擊時間長，但倍數較小。這就像傳統保險絲的應用一樣，小電流用片式快熔，抗高倍數短脈沖，要的是快速保護；大電流用闆式慢熔，抗大電流長時間沖擊，要的是皮實可靠，這樣看來，雖然是兩種技術路線，但卻有異曲同工之妙啊。
（3）額定電流
這個問題我們在上篇文章有詳細分析，在這邊隻放一下結論：智能電氣架構下，配電子產品的帶載能力可以按照負載的額定電流進行比對。
OEM的電氣設計以往對電流比對的認知全部基于保險絲，自然就會拿傳統保險絲的額定電流和晶片做對比，比如原來是用20A的保險絲，他會要求你晶片也采用20A的，這種認知就是不對的，這時候就需要抛棄保險絲思維，關注真實的負載情況了。下面這張圖比較簡單明了，我再放一下：
晶片帶載能力對比（來源：左成鋼）
一般情況下，對比原有保險絲設計，晶片設計的額定電流都可以更小一點，甚至可以是原來的一半，相應的，線徑設計也就降下來了。
是以，基于未來智能架構的晶片設計，大家一定要轉變認知。當有人說電流是20A的時候，你得問他是以前保險配了20A，還是負載額定電流是20A。否則大家的認識不在一個頻道上，溝通就會出問題，并且電流等級還是和成本直接相關的，10A和20A晶片那成本差的可不是一倍的關系。另外就是是以帶來的線束成本降低，電氣設計簡化等價值，之前都已經詳細讨論過了。
（4）電源屬性
電源屬性這個概念在汽車行業無人不知，畢竟已經用了這麼久了，連大家熟知的KL15/KL30這種叫法，也是博世在1984年就提出來的，可見其曆史之悠久。過去定義供電屬性的原因就是為了便于進行能量管理，但是切換到智能電氣架構後，你會突然發現，電源可以沒有屬性之分了，所有的線路都可以被定義為任意供電屬性，固定的電源屬性自然就不再需要了。
任意電源屬性帶來的價值包括但不限于：支援更自由更複雜的能量管理政策、整車電氣架構設計優化、線束系統優化、網絡管理設計優化等。
（5）每路單獨可控
在傳統架構下，絕大多數的回路都是不可控的，比如常電回路，整車一上電，這些回路就有電了，你想關是關不掉的，乘用車沒有總閘，就必須有靜态功耗管理，卡車就靠總閘來管着了。
在智能電氣架構中，每路單獨可控，但做傳統電氣設計的人很難具備這一認知，在傳統經驗看來，怎麼可能那麼多回路全部是獨立可控的？因而，他們也就無法意識到這種獨立可控帶來的價值。
智能電氣架構帶來的其他價值比如：可取消電源總開關，可進行功耗控制及能量管理、線束優化、可配置、可程式設計、可更新、可疊代等，這些我們上兩篇文章都有詳細分析，想看的小夥伴們可以去找來看一下。
（6）每路獨立保護
傳統架構下，電源配置設定必然是分級的，類似于瀑布架構，所有的二級回路都是經過了一級大保險絲，再配置設定到多路二級小保險絲，然後到用電裝置的。如果一級出了問題，很多個二級就會受到影響。
還有，在傳統設計中，保險絲負責保護，繼電器負責控制，保護和控制自然是分開的，如果保護共用，控制分開，一路負載出了問題，所有負載就會全部斷電。
而智能電氣架構中，因為可靠性提高，加上沒有電源屬性之分，二級配電的供電電源要少得多，是以，可以認為所有的二級終端用電裝置和一級是并聯的，而非串聯的，相當于二級的保護其實是獨立的。
是以采用智能電氣架構帶來的天然優勢就是，線路保護和控制融合了，所有的回路保護自然都是獨立的，不受其他回路故障的影響。
（7）保護及診斷功能
這一點我們之前的文章已經講得比較細了，在此我就大概列幾點基礎的：
- 保護後可恢複，恢複條件可軟體定義，比如靠ON檔、開關信号或上下電。
- 可自定義的過載保護功能，傳統保險絲是不支援的。
- 電流檢測功能
- 開路檢測功能（ON/OFF狀态）
- 電壓檢測功能（過壓/欠壓）
有特斯拉愛好者在2022款Model s上測試了一下eFuse的自恢複保護功能，發現的确可以在故障解除後自動恢複，比如12V輔助電源插座（12v accessory power socket）。有的就不好說，比如驅動控制按鈕（drive control button），測試者從400mA的帶載，拉到了1.5A，就發現輸出立即保護了，同時也喜提中控屏故障報警，資訊精确到了哪個功能出現了故障，以及怎麼去檢視。測試者說這個故障并沒有自動恢複，而是等到整車軟體更新後才恢複的，是以說，具體的恢複條件取決于軟體政策。
特斯拉2022款Model S的eFuse保護功能（來源：teslatap）
因為傳統架構根本就沒有診斷功能，是以大家對這一塊兒可以說基本上是沒有認知的，是空白的，就像你用功能手機的時候，是無法想象智能手機帶來的影響的，包括移動支付、掃碼等應用，都是在智能機逐漸普及後才衍生出來的新應用。基于智能電氣架構的保護和診斷功能，同樣可以衍生出各種新的應用，産生新的價值，并對車輛的智能化産生巨大的影響。
抛開前面講的系統次元和成本因素，改變人們對一種新事物的認知，從某種意義上講，可能比其他所有努力都要重要。智能電氣架構作為一種颠覆性的創新技術，它所能帶來的價值其實遠超我們的想象，是以隻有先改變我們對它的認知，打破傳統思維的局限，才能進而發掘其潛在的價值，并評估其對汽車産業帶來的影響，進而共同推動其盡快落地。
四. 技術角度
前面我們從系統、成本及認知角度分析了智能電氣架構面臨的問題，這一章，我們再從技術落地的角度來談一下，如果要上智能電氣架構，會遇到哪些技術問題。
01
技術範疇
談這個問題之前，先講一個我的經曆。打車時如果遇到純電動的，我一般會和師傅多聊兩句，問一下續航、百公裡電費成本、駕駛體驗、和燃油車的差别等等。我發現師傅們普遍回報一個問題就是，純電車修起來很貴，即便是小問題，師傅也不敢自己動，必須開到4s店，普通的路邊店是搞不定的，也不敢搞，為什麼呢？大家思考一下。
燃油車的問題大都是機械問題，是肉眼可見的問題，電動車在電氣化後，機械問題極少，問題變成了電子電氣問題或軟體問題，肉眼不可見了，對故障排查的技術要求就随之變高了，加上電動車是新生事物，大家都不懂，自然也不敢動。
智能電氣架構和傳統架構配電盒設計對比
從傳統架構到智能電氣架構，也會面臨類似的問題——傳統電氣架構全部都是機械和電氣範疇内的，在OEM那裡是屬于電氣部門的，和電子不搭界，但更新到智能電氣架構後，全電子化了。
傳統配電盒屬于勞動密集型産業，拼的是低成本，設計方面技術含量不高，但電子化後，原來的傳統配電盒廠家就懵了，根本就不懂，這觸及到了他們的認知盲區。OEM的電氣部門也不懂，雖然智能配電盒的電氣原理圖看起來更簡單了，但在他們看來就是個黑盒子，因為中間還有軟體邏輯和配置，單看原理圖根本沒用。
除了認知層面和技術能力層面，這裡還涉及到了一些以前不太重視的技術問題。
比如負載特性，在傳統電氣架構下做電氣設計時大差不差就行，因為保險本來就是分檔的，你隻能10A、15A地來選擇，線徑裕量一般也足夠，你不需要很詳細地了解負載特性，按經驗來問題就不大，不行就保險絲就升一檔，問題就解決了。但在智能電氣架構下做電子設計時，不了解負載特性就完全不行，這個我們随後再詳細分析。
這裡我們簡單普及一個車用電線小知識，汽車電線的過電流能力其實是遠超大家想象的，極端一點，我們就拿發煙時間來講——就是你給一根導線通多大的電流，多長時間能冒煙（因種類而已，有的電線是不冒煙的），車用電線可以在5倍額定電流5s内不冒煙，而保險絲，即使慢熔保險，5倍電流在1s之内就燒掉了。
汽車電線的過流能力（來源：英飛淩）
如上圖，電線的短時過載能力極強，遠超片式保險，電線不當使用的最大問題在于長時間過載發熱導緻的絕緣損壞。
車載保險絲熔斷時間特性（來源：Littelfuse）
上表可以看出，沒有保險絲能抗住5倍電流達到5s。
是以，傳統配電盒廠家在涉足智能電氣架構時面臨的問題包括但不限于：
- 電子化後的系統認知，包括電子電氣架構、控制邏輯、網絡通信等；
- 電子産品設計經驗，包括系統、硬體、軟體設計；
- 電子産品測試方法、可靠性設計等；
- 汽車電子試驗标準，包括電氣、環境、耐久、ESD、EMC等；
- 負載特性與工作模式的深入了解；
- 設計方案選擇與成本的均衡。
那你說傳統搞配電盒的廠家搞不定，做電子子產品的廠家呢？他們懂電子設計啊，沒錯，但你這句話隻說對了一小半，他們隻是懂專業内的小電流電子設計，而整車電氣架構、大電流設計卻觸及到了他們的知識盲區。
傳統電子子產品設計廠家在涉足智能電氣架構時面臨的問題包括但不限于：
- 電子化後的系統認知，包括整車電子電氣架構、電氣原理、電氣設計；
- 整車能量管理、上下電政策；
- 整車負載類型，負載特性；
- 保護特性和線束比對（傳統保險絲比對是有經驗及推薦設計的）；
- 殼體設計，包括散熱、防護等級、安裝方式等；
- 大電流接線方式設計，包括連接配接器、螺栓等；
- 大電流闆級設計，包括器件散熱、PCB載流等；
- 大電流器件選型，對MOSFET特性參數的了解等；
- 大電流産品測試、驗證方法。
對闆級大電流設計方案，傳統電子子產品廠家應該是很欠缺相應經驗的。不說别的，就特斯拉闆子上那麼大，那麼多的busbar載流設計，一般人都沒見過。因為電子設計一般情況下電流不會超過10A，大多是mA級别的，靜态功耗一般是µA級别的，對幾百安的電流大家都是沒有概念的，無法想象；甚至，傳統電子子產品廠家可能連相應的直流電源裝置都沒有（常用的直流電源在30A内，最大的不超過100A），超過4平方的導線也沒怎麼見過（家裡入戶電線線徑一般也就4平方）。
筆者認為，傳統配電盒廠家轉型難度較大，因為涉及的知識盲區太多了，從硬體設計，軟體開發，到電子産品測試經驗，知識架構都不一樣，想補起來很難。
傳統電子子產品廠家跨界做電氣設計，難度也不小。比如對整車電氣原理、電氣設計的了解，負載特性的深入了解等，還有傳統配電盒的結構、電氣、線束等方面的設計，知識架構也不同。這方面的坑也很多，比如大電流導線配多大的螺栓，裝配時要求扭矩範圍多大，這個傳統電子子產品廠家根本沒有概念。
是以，筆者認為，最有可能實作智能電氣架構落地的，是兼具傳統配電盒和電子子產品設計能力的Tier 1，他們可以集合内部這兩個過去完全不搭界的部門，和OEM一起完成智能電氣架構的設計，并逐漸落地。
02
晶片方案問題
小電流設計還好，可以用成熟的內建晶片方案（HSD高邊晶片），這個上篇文章已經分析過了，乘用車應用25A以下都很成熟，商用車10A以下都有。
大電流解決方案，乘用車目前已經有量産30A的HSD晶片可供選擇了，未來電流等級會持續增加。但是商用車方面，據筆者了解，各大晶片供應商暫時沒有新的roadmap。大電流方案隻能用驅動晶片+ MOSFET分立方案，這個方案存在以下問題：
- 整體方案複雜，綜合成本較高；
- 電流檢測複雜，成本高（shunt+amp運放方案）；
- 保護功能少，保護速度慢；
- 保護電路複雜，保護政策複雜；
- 診斷功能少，診斷功能設計複雜；
- 大電流應用需要MOSFET并聯設計；
此方案需要根據應用需求增加相應的分立電路，需要電流檢測就必須增加shunt和amp，包括保護功能和診斷功能，功能越多，電路越複雜。因為保護功能大多由MCU來實作，速度慢不說，軟體政策也複雜。
我們先來欣賞下特斯拉的方案，大家有點直覺感受。下圖黑色的小方塊就是功率MOSFET，銀白色的是PCB Busbar，用來做大電流載流，黃銅色的是shunt，用來進行電流檢測，大電流的shunt全球能做得不多，别看就是個銅片，但是對材料的精度和溫度系數要求極高，算是基礎材料學科，德國一家做得非常好，當然也不便宜。
特斯拉的驅動晶片+ MOSFET分立方案
德國Isabellenhuette的車規級shunt
另外， MOSFET雖然有其相應的額定電流及脈沖電流參數，但設計時必須考慮SOA（Safe Operating Area安全工作區），這個對MOS設計非常重要。專門的驅動晶片一般都考慮到了MOS的驅動電壓、電流、結電容充放電時間等開關相關的參數設計，但是自己搭電路的話，要考慮的就比較多。另外即使驅動晶片有保護功能，一般也僅限于短路保護（基于VDS）和MOS過溫保護，如果晶片不支援shunt電流檢測，其他通過電流檢測衍生的保護功能如過流保護、開路保護、電流限制等，自己搭電路實作起來比較複雜，包括硬體電路和軟體政策。
驅動晶片+ MOSFET分立方案（來源：左成鋼）
還有就是針對更大電流等級所必須采用的MOSFET并聯設計問題，這個對MOS器件本身的一緻性及産品的硬體設計要求很高。比如PCB的均流、瞬态能量、峰值關斷電壓、寄生震蕩等問題，特别是針對感性負載應用時的感性能量釋放問題，處理不好就容易出問題，最脆弱的或者阻抗最小的那個回路就會先炸掉。
Power MOSFET大電流并聯應用（來源：IR/英飛淩）
下面這個是英飛淩對Power MOSFET并聯應用的總結，第一條和第三條都提到了電流均衡問題，即使MOSFET是正溫度系數器件，天然能帶來一些自均衡優勢，但也有其限制（穩态和開關态沒問題，但短路問題就很大，下面沒提）。第二條就是SOA問題，可見其重要性。
Power MOSFET大電流并聯應用（來源：IR/英飛淩）
在這裡順便普及下MOSFET的一些基礎知識，MOS的RDSON即導通阻抗，機關是mΩ，值越小電流越大，就越貴。車規級MOSFET的一緻性和穩定性本身就是高于消費級及工業級的，但是即使同批次的MOS也存在巨大的參數差異，因為它們可能來自不同的wafer。當然這些差異并不會超出datasheet規定的參數範圍，但這些差異依然會造成并聯應用時的許多問題。
MOSFET批次參數差異（來源：NXP）
我們直接看結論，這個應用文檔分析了半天最後的結論是：不建議多個MOS并聯應用（簡直是廢話），認為單個低RDSON的MOS更好，即使并聯n個，最終肯定達不到n倍的效果（除非你不差錢，第1、2條算是無價值建議，其實這個大家都知道，就是成本不允許）。最後建議如果實在要并聯，不要超過3個，再多就分組并聯，特斯拉就是這麼玩的。
感興趣的小夥伴可以去看NXP和Infineon的應用文檔，在此不再詳述。
功率MOSFET并聯建議（來源：NXP）
最後我們來看下成本，感受下大家為什麼一定要并聯使用。
NVMFS5C410N-D是特斯拉在用的最大的MOS，0.92mΩ，1.8美金一顆；比它更大一點的，0.63mΩ的就到了5.2美金，價格翻了3倍，電流其實沒大多少；小一倍的2.3mΩ，價格降到了37%，越大越貴，且價格完全不成比例。是以前面圖檔你能看到特斯拉全是4個一組并聯起步。DC-DC輸入直接是2*4并聯，用法和NXP建議的一樣，進行了分組。但是特斯拉膽大，直接幹到了4個一組（就問大衆福特你敢不敢）。
功率MOSFET價格（來源：Onsemi）
03
負載特性-可靠性問題
這裡說的可靠性不僅包含reliability，更多涉及到robustness魯棒性。
平常我們所說的可靠性一般是指耐久性和失效率，其實就是說可以用很久，但是壞的很少（MTBF及FIT值次元）。而在智能電氣架構中，作為實作配電和控制功能的配電盒，功能不失效往往比盒子本身不壞更重要。功能如果失效了，盒子雖然保護了沒壞，這對實際應用來說是沒有意義的，從使用者角度來講就是不可靠，老是壞。
是以這裡的可靠性更多地需要考慮魯棒性、穩健性和健壯性，這個和半導體器件保護的靈敏性和精确性是一對沖突體，而設計就是要均衡這個沖突，做到穩定工作，可靠保護，但針對千差萬别的車輛負載特性，這種設計就很難，比如：
線路正常時：
1) 對負載沖擊電流不應保護；
2) 負載短時過載時不應保護；
3) 保護可以重新開機，線路故障消除後，線路應恢複正常；
線路異常時：
1) 硬短路需要快速保護；
2) 軟短路根據需求進行保護；
3) 保護速度适當，保證導線不能發生損壞；
4) 器件保護後不能發生損壞或參數劣化；
上面我們已經提了一些負載特性問題，傳統電氣設計容錯能力較強，因為各方面裕量夠大，設計限制條件少，比如不同電流等級的保險絲成本差異極小，加上保險絲本就是需要更換維護等，這導緻了傳統電氣設計的粗放。
但是到了電子設計時代，設計限制條件就完全變了，比如晶片靈敏度的提升，在帶來精確定護的同時，必須要求設計前期精确比對，否則後期就會出問題。比如容易誤動作，或者故障時晶片燒毀；而如果前期增加裕量，則會導緻BOM成本過高，因為晶片成本是和電流等級強相關的。
是以要想實作成本和可靠性的均衡設計，就必須詳細了解晶片特性及負載特性，比如HSD晶片都有額定電流、限制電流參數及溫度特性等，保護方面有過流保護特性、短路保護、熱保護特性等，驅動晶片+MOS方案就複雜一些，很多保護特性取決于具體的硬體設計及軟體政策。
負載層面，負載是容性還是感性，沖擊電流波形、峰值及持續時間都要考慮，電機負載還需要考慮是否需要過載保護及堵轉保護等問題。
負載特性我們前面分析過，但實際應用中你會發現，有些用電器是兼具多種負載特征的。比如某些控制器，上電時是容性，因為控制器有輸入電容，工作起來後，如果控制器控制的負載是電機就有感性，負載是加熱裝置就類似阻性。另外不同負載工況也不盡相同，這個還需要了解整車電氣原理及具體功能應用。
是以，最終功能的可靠性一定是依賴于前期假定的負載特性及工況，如果負載特性發生了變化，應用就可能會出問題。如果針對不确定的負載特性，保護特性就非常難設計，嚴一些就可能會和負載特性相沖突，導緻誤動作，寬一些就需要增加晶片裕量，導緻成本升高，或者該保護時不保護，增加使用風險。
一個12V直流電機的特性曲線（來源：英飛淩）
如上圖，這個電機負載有近30ms的5倍額定電流，如果是針對這個負載的保護政策，就需要把這個沖擊電流給過濾掉，保證不會誤動作。再考慮到電機堵轉時間的不确定性，需要把時間再拉長。但如果負載變成了阻性，這時候就可能是發生了線束破皮搭鐵，需要保護了。
負載特性、保護特性與線束特性曲線（來源：ST）
上面這張圖非常完美的闡釋了線束特性、保護特性及負載特性的關系，圖中黃色為負載電流/時間特性，綠色為器件保護特性，紅色為線束I²t特性。是以對設計來講就必須同時滿足以下要求：
- 保護特性必須對負載特性實作包絡，否則就會誤動作；
- 保護特性必須線上束特性範圍内，否則故障時就可能會燒線；
- 三條曲線必須保證全溫度範圍内沒有交叉。
前面我們已經詳細分析過了負載特性對保護政策的影響，但是沒有具體資料對比，可能大家還沒用直覺感受，我就上一組資料對比一下：
負載特性與保護參數特性（來源：左成鋼）
文中我為什麼要一直強調負載特性呢？就上面這些個負載特性及故障參數，且不說針對通用性設計，就是針對特定類型負載，你給我定個保護政策試試？是以說，通用設計或通用負載類型保護設計都是很難的。設計必須針對具體負載，設計的可靠性和成本才能平衡。從這個角度來講，乘用車設計難度要遠低于商用車，做商用車的小夥伴們可以小小地傲嬌一下，雖然技術落後點，但是難度更大。
04
靜态電流問題
前面我們也分析過，傳統保險絲是有很多好處的，包括簡單好用、便宜、皮實，但還有一點是一直被大家忽略掉的，那就是作為被動器件的電流消耗。保險絲隻是一段金屬材料，作為完全的無源器件，它不消耗任何額外電流，可以持續地保護線纜，防止出現任何短路故障，随時都能起到保護作用。
在車輛運作時，保險絲的這個優勢無法展現，但是當車輛處于停放狀态時，整車對靜态電流的消耗就提出了要求，這時候保險絲的優勢就展現出來了。它可以靜悄悄地為整車提供保護，同時不增加任何額外的靜态電流消耗，而半導體晶片則不行。單維持晶片導通還好一點，但至少要幾十µA，如果同時還需要保護功能（廢話，不保護車停那裡就有燒掉的風險），那電流等級就要到mA級别了。
這裡再普及一個小知識，一般高邊驅動方案，不管是用HSD內建晶片還是驅動晶片外加MOSFET，一個通道維持導通外加保護功能，一般需要5mA左右，這是OEM打死都不能接受的（一般乘用車OEM要求整車15mA～20mA左右）。
幾款HSD靜态電流參數（來源：ST、Infineon、TI）
比如有5個功能需要常電，那就需要額外25mA左右，如果蓄電池容量又不大，那麼車放一段時間就沒電了。比如原來能放一個月，現在就隻能放半個月了，你出個長差回來，發現車子啟動不了了，你說你什麼感受？
乘用車車輛蓄電池容量、靜态電流與停放天數關系對比如下：
車輛蓄電池容量、靜态電流和停放天數關系（來源：左成鋼）
商用車比如中重卡，蓄電池普遍偏大，動辄100Ah以上，加上有總閘，還有就是卡車是用來賺錢的，使用模式不一樣，一般也不大可能十天半個月停着不動，貸款還得還呢。是以商用車這方面問題要比乘用車好一點。
另外，針對純電動車，現在的趨勢是蓄電池小型化。比如特斯拉就采用了33Ah的小電池，因為不需要承擔起動機啟動任務了嘛，同時隻要不下電，就有高壓電池在那裡撐着，也用不着它。但是一旦高壓下電，低壓靜态功耗控制不好，導緻蓄電池虧電，即使高壓有電，車輛也無法啟動。當然了，純電動車因為隻要能讓高壓接觸器吸合，車輛就能上高壓并啟動，高壓DC-DC就可以給低壓蓄電池充電了，這個比燃油車的起動機對電池剩餘電量的需求要小得多，但相應要求是否可以降低一些還有待商榷。
是以針對電子化後靜态功耗增加這個問題，斯拉别出心裁，高壓根本不下電，這是個系統工程設計，主要是為了支援所有Online服務的，也順便解決了采用半導體設計帶來的靜态功耗問題，當然幾十mA的功耗增加在特斯拉2.6A的靜态電流面前就是個弟弟。
但這個問題對别的OEM來說，可能就真是個問題，除非純電動車你能照抄特斯拉這個系統設計，并且你的使用者還能買賬。因為并非所有使用者都能接受停車後高壓電池每天1%掉電的，你沒有額外帶來一些價值就無法說服客戶。同時不同品牌的閱聽人群體也差異較大，認知不在一個頻道，對有些設計的接受程度就存在極大差異，比如iPhone使用者對信号差、電池小和沒快充就能接受，換安卓使用者你敢想？
而對燃油車來講，因為隻有低壓鉛酸蓄電池，如果要求常電負載較多，靜态電流就降不下來，這個問題就是無解的，必須要有一款uA級的解決方案才行。
針對這個問題，ST新推出了一款車規級驅動晶片，專門用于高邊驅動外置MOSFET應用，耐壓達到60V，可以用于乘用車及商用車領域。ST的這款晶片待機電流低至70µA，在待機時可以進行持續供電，同時還具有保護功能。
驅動晶片待機靜态電流參數（來源：ST）
最後做一下總結，本文從系統、成本、認知、技術等四個次元分析了智能電氣架構落地的難點，筆者認為，這四點中，認知可能是最重要一點，也是最難改變的一點。智能電氣架構作為一種颠覆性的技術創新，改變人們對其的認知，從某種意義上講，可能比其他所有努力都要重要。
限于篇幅，有些技術點并沒有涉及到，比如為什麼可以考慮MOSFET采用并聯設計，而HSD不能直接并聯呢？為什麼高邊供電設計一定要耗電呢？汽車電子的工程設計思維和傳統電子設計有哪些差異呢？歡迎小夥伴們留言，後續我們可以繼續分析。
參考文獻：
1. Munro And 3IS Compare Tesla, Ford & VW Electrical Architectures， 3IS
2. Zonal_EE_Architecture-Towards a Fully Automotive Ethernet–Based Vehicle，Visteon
3. NXP Philippe Dupuy-Improving the automotive power distribution architecture
4. 特斯拉為什麼要幹掉保險絲和繼電器？九章智駕
5. 自動駕駛商用車需要什麼樣的電氣架構？九章智駕
6. 幹掉保險絲和繼電器，自動駕駛才能更安全，九章智駕
7. Fuse Function with PROFET application note， Infineon
8. Paralleling Of Power MOSFETs For Higher Power Output，International Rectifier
9. Using power MOSFETs in parallel，NXP
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