為未來移動出行升級下一代整車電網(wǎng)

概 述

隨著當前汽車行業(yè)的巨大變革（如即將到來的軟件定義汽車等趨勢），推進汽車技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的需求變得日益重要。新型可靠且安全的電源解決方案是實現(xiàn)更高級別自動駕駛、引入新的技術(shù)平臺（例如底盤線控系統(tǒng)）以及應對自動駕駛、駕駛輔助和信息娛樂等子系統(tǒng)不斷增長的能耗需求的基礎(chǔ)。此外，向純電動電子電氣架構(gòu)的轉(zhuǎn)變則為日益普及的高壓電源提供了更具性價比方案的新機會。

在重塑未來汽車的供電網(wǎng)絡(luò)時需要考慮許多因素。在本白皮書中，我們關(guān)注其中的四個方面：

02引 言

幾十年來，工程師們一直在優(yōu)化電網(wǎng)設(shè)計，以確保惡劣環(huán)境條件下電網(wǎng)的可行性，同時降低整體系統(tǒng)成本。隨后，新設(shè)計在相關(guān)子系統(tǒng)中提高了效率，如啟停和能量回收。同時，多個安全相關(guān)零部件的標準模式也相繼衍生而出。在傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機車輛中，系統(tǒng)的安全關(guān)鍵零件和碰撞后相關(guān)系統(tǒng)通常通過本地備用解決方案（如備用電池）或使用替代手段（如液壓應急制動）來保持可用。這些最初設(shè)計基本未經(jīng)改變地沿用于電動汽車架構(gòu)中。

創(chuàng)新型功能給供電帶來挑戰(zhàn)

然而，上述解決方案正在變得越來越受限制。特別是對于要求提高電源功率的新功能，例如線控轉(zhuǎn)向和線控制動，無法低成本的集成。此外，傳統(tǒng)的電網(wǎng)架構(gòu)可能無法滿足非常高的功能安全要求，其中電源中斷對于完全依賴單一供電電源的重要系統(tǒng)功能是不可接受的。

從失效的主因轉(zhuǎn)變?yōu)橘x能的支柱

甚至在超出安全要求的情況下，電網(wǎng)也一直是車輛電子電氣架構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計元素，其中超過50%的汽車故障可歸因于電網(wǎng)故障，其中40%以上是由于低電壓電池故障（ADAC，2021）。隨著車輛中電氣部件數(shù)量的增加，這一比例會進一步提高，在定義車輛新低壓電網(wǎng)架構(gòu)解決方案時，可靠的電網(wǎng)對于車輛的整體產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。因此，在定義新的低壓車輛電源的架構(gòu)解決方案時，安全和質(zhì)量需要密切配合。

03保護重要負載的安全斷路開關(guān)

傳統(tǒng)（熔斷）保險絲的主要作用是保護電線束免受損壞。它們通常不具備足夠快的反應速度以防止其他組件的欠電壓，這可能導致安全關(guān)鍵部件處于嚴重欠電壓狀態(tài)。這是汽車制造商正在逐漸引入安全斷開型半導體開關(guān)的原因，這些開關(guān)具有前所未有快的故障反應時間和擴展監(jiān)測功能。根據(jù)VDA 450建議（VDA，2023）的描述（參見第4節(jié)），它們常被集成為主動分離和連接單元（"Aktives Trenn- und Verbindungselement”，ATV）。

圖1描繪了一個“通道”ATV的概念，以轉(zhuǎn)向和制動負載的電源系統(tǒng)為例，其具有高達ASIL-C的安全相關(guān)要求。左側(cè)的QM(C)供應通道通過高壓（HV）系統(tǒng)從DC/DC驅(qū)動所有低電壓（LV）負載。在正常操作期間，開關(guān)保持關(guān)閉狀態(tài)，能量通過ATV流向安全負載。在發(fā)生諸如對地短路的QM負載故障時，ATV會切斷該通道。在分離后，用于安全負載的電源將僅由低壓（LV）電池提供。為確保備用供電路徑的可用性，低壓電池將不斷被監(jiān)測其老化、充電狀態(tài)和其他潛在性能問題。安全負載還受到各自的ATV保護。

如今，不建議獨立實現(xiàn)ATV，而是將其集成到復雜的電源分配設(shè)備中。以博世電網(wǎng)管理模塊（Powernet Guardian）（Bosch, 2023）為例，這使制造商能在整個車輛生命周期內(nèi)全面管理車輛的電源路徑并增加診斷覆蓋率。在表1中，我們提供了這種集成設(shè)備的一些特性概述，該設(shè)備能對子系統(tǒng)和負載電流進行精細控制。

電網(wǎng)管理模塊具有極具吸引力的功能組合，推動其融入主流的電子電氣架構(gòu)中。隨著新的車輛集中式架構(gòu)的引入，汽車制造商正在向全面電子開關(guān)解決方案邁進，詳見圖2。隨著數(shù)量較少且高性能的車載計算機以及用于子功能分配的區(qū)域中間層的引入，電網(wǎng)管理模塊變得極具商業(yè)吸引力。為了降低整體系統(tǒng)成本，一些汽車制造商尚未完全過渡到電子保險絲，而是通過傳統(tǒng)保險絲保護一些對功能需求較低的負載。然而，我們預計在整體電子電氣架構(gòu)的進一步整合中，主要采用電子保險絲的趨勢將持續(xù)。除了更好的可控性之外，這還提供了將電網(wǎng)組件移至不可訪問的安裝空間，或通過單獨監(jiān)測的負載路徑替換集中式通道ATV的選項。

04在高可用性需求系統(tǒng)中減小和取消低壓電池

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和線控制動系統(tǒng)正逐漸取代駕駛員到轉(zhuǎn)向機構(gòu)/制動的機械/液壓的傳動路徑，采用完全電子解決方案。這提高了對電網(wǎng)安全和故障處理的要求，因為故障無法通過非電力傳遞來補償。

在如圖所示的系統(tǒng)中，電源路徑受到高達ASIL-D的安全目標的約束。實施通常將此分解為針對關(guān)鍵負載的個體和獨立供電路徑的要求，例如針對電子穩(wěn)定性程序ECU（ESP）和線控執(zhí)行器（BWA）的路徑。盡管如此，這種方法是通用的，即適用于其他有高可靠性電源需求的車輛系統(tǒng)。

有各種方案可以創(chuàng)建具有相應ASIL評級和相互獨立性的上述供電路徑。最直接的解決方案是能量儲備和主動供電，包括電源分配器。隨后縮減電池容量，有時移除電池也是為了優(yōu)化車輛級別的可靠性（電池故障是車輛故障的常見原因，見上文），并減少車輛重量、成本和維護需求。

4.1 從低壓鉛酸電池轉(zhuǎn)向鋰電池并降低電池容量

12V鉛酸電池多年來一直是低壓電網(wǎng)的主力。它用于許多用途，如起動內(nèi)燃機車輛的發(fā)動機、提供靜態(tài)電流以及與交流發(fā)電機結(jié)合作為緩沖元件。盡管其由于循環(huán)和部分充電（有時也由于機械故障和水分損失）而容易老化，但其在運行中非常穩(wěn)健，例如對過電壓峰值的耐受性、低溫下的充電等。此外，這是一個非常經(jīng)濟的解決方案。然而，由于（計劃中的）環(huán)境法規(guī)和其重量高、故障率高和壽命僅為幾年等其他不利性質(zhì)，業(yè)界普遍希望在未來將鉛酸電池替換為鋰離子電池。

鉛酸電池僅限于在50%至100%的電荷狀態(tài)范圍內(nèi)使用，而鋰離子電池幾乎可以在整個容量范圍內(nèi)使用。這一事實以及其他有益因素（例如較低的內(nèi)阻）使得鋰離子電池相較于鉛酸電池總體容量可以顯著減小。例如，在電動汽車中，鉛酸12V電池通常儲存大約30-60Ah，而鋰離子12V電池甚至可以縮小到10Ah以下。在電池化學層面，磷酸鋰鐵（LFP）和三元鋰（NMC）電池配置為4個單體電池串聯(lián)（4s1p），目前顯現(xiàn)了成為典型12V低壓電池的潛力。這些電池通常配備自己的電池管理系統(tǒng)（BMS），包括單體監(jiān)控和半導體電池主開關(guān)。

然而，鋰離子電池對電網(wǎng)設(shè)計提出新挑戰(zhàn)。以基于三元鋰電池的4s1p 配置為例，電池開路的名義工作電壓將從約12.5V增加到14-15.5V，并且充電電壓將從14-15V增加到15-17V。因此，其他系統(tǒng)零部件需進行調(diào)整。此外，由于更小容量電池的出現(xiàn)，車輛停止狀態(tài)的靜態(tài)電流必須減小，或在停車時需要從高壓電池進行充電。這不僅影響電網(wǎng)架構(gòu)，還會影響功能分配和通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，例如關(guān)于局部網(wǎng)絡(luò)（partial network）的使用。此外，由于電池支持和緩沖高電流峰值的能力降低，在有些情況下需要調(diào)整電壓轉(zhuǎn)換器以接受更多的峰值電流。作為替代方案，電容器可用于支持電壓轉(zhuǎn)換器。因此，鋰離子電池的切換并非是一種“插拔替換”。

4.2 使用高壓電池以及電壓轉(zhuǎn)換器在無低壓電池工況下，提供安全低壓供電

我們當前著眼于高可用性場景所需的冗余雙通道電網(wǎng)架構(gòu)，將首先在其中一條通道中移除低壓電池，如圖4所示的中間選項。在這種情況下，缺少低壓電池的通道將通過單獨的電壓轉(zhuǎn)換器從高壓電池供電。在此配置中，停車時所需的所有負載將優(yōu)先由低壓電池供電的通道提供。

然而，即使第一步也將需要對高壓電網(wǎng)和該通道的電壓轉(zhuǎn)換器做一些更改。通常，兩個低壓通道中的每一個都將具有其可用性要求的ASIL B(D)評級。這意味著高壓電池、該通道的電壓轉(zhuǎn)換器以及高壓電力分布也將獲得ASIL B(D)評級的要求。除此之外，功能要求也必須進行調(diào)整。

例如，電壓轉(zhuǎn)換器將需要支持更高的電流動態(tài)響應（最高達400A/ms）。作為替代方案，需要實施處理來自組件（如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）的電流反饋的其他措施。在高壓一側(cè)，需要考慮在必要時防止高壓電池和電壓轉(zhuǎn)換器在高壓網(wǎng)絡(luò)中QM評級的負載之間的意外干擾。此外，ASIL B(D)評級的電壓轉(zhuǎn)換器可能直接連接到高壓電池端子，即在電池主繼電器切換之前。這個電壓轉(zhuǎn)換器能以技術(shù)上有益的方式集成到高壓電池外殼中，以避免接觸未受保護的高壓電線，并更好地支持始終開啟的需求。

通過雙冗余供電方案取代低壓電池

一個更激進的選擇是完全移除兩個通道中的所有低壓電池（見圖4，右側(cè)選項）。這需要進一步的調(diào)整。兩個低壓通道將其ASIL B(D)評級的要求下達到高壓電池供電。這意味著在單一高壓系統(tǒng)場景中，高壓電池將繼承ASIL D評級。更實際的假設(shè)是，高壓電網(wǎng)將分割成兩個冗余的高壓路徑，帶有兩個電池包、獨立的高壓電力分布和獨立的電壓轉(zhuǎn)換器。當然，需要防止兩個高壓路徑之間的依賴性故障以及系統(tǒng)性故障。

完全取消所有低壓電池

另一個額外的挑戰(zhàn)是在沒有低壓電池的路徑中必須通過其他手段處理的電流峰值。電壓轉(zhuǎn)換器需要設(shè)計以滿足所有功率和電流需求，包括所有峰值。在低壓電池無電的路徑中引入電容器以支持電壓轉(zhuǎn)換器可能是一個有益的措施，這可以使電壓平滑，但沒有儲存大量能量的能力。此外，停車時需要通過電壓轉(zhuǎn)換器提供靜態(tài)電流。由于大型主電壓轉(zhuǎn)換器在低功率輸出時通常效率較低，因此使用一到兩個額外的低功率電壓轉(zhuǎn)換器可能更有效。

05VDA450 電網(wǎng)簡化分析

過去電源系統(tǒng)安全概念的發(fā)展不均衡。諸如 ISO 26262安全標準在電源系統(tǒng)上的應用方式非常不同，從而導致電源系統(tǒng)的質(zhì)量、可用性和安全性存在很大差異。隨著線控轉(zhuǎn)向和線控制動功能以及需要可靠的、故障主動控制的電網(wǎng)系統(tǒng)的自動駕駛功能的出現(xiàn)，電源系統(tǒng)的發(fā)展在安全工程中變得更加突出。

VDA協(xié)會認識到了澄清和指導的需要，并成立了一個工作組，負責提供一個與安全標準（ISO 26262第2版）以及法律要求（例如UN ECE R13(H)，GB 21670和FMVSS用于制動，UN ECE R79和GB 17675用于轉(zhuǎn)向，UN ECE R157用于自動車道保持）一致的電源系統(tǒng)的開發(fā)方法。

符合安全標準是電源系統(tǒng)的一個重要質(zhì)量特征。對于一些車輛功能，符合 ISO 26262 或 GB/T 34590 已經(jīng)是型號認證的要求。

隨著 ISO 26262 第2版的發(fā)布，關(guān)于項目定義的新選項已經(jīng)可用。電源系統(tǒng)屬于這一類別，VDA 450 工作組的第一開發(fā)方法是基于電源系統(tǒng)被定義為這樣一個項目的前提。這帶來了一些優(yōu)勢。例如，電源系統(tǒng)可以被開發(fā)以滿足其自身的關(guān)于隨機硬件故障（PMHF，SPFM，LFM）的目標值。在這種情況下，電源系統(tǒng)的目標值獨立于轉(zhuǎn)向和制動等其他功能，這在開發(fā)階段大大減少了復雜性和相互依賴性。

隨著德國 VDA 450 關(guān)于自動駕駛功能的推薦標準的發(fā)布，相應安全電源系統(tǒng)的開發(fā)變得顯著更容易。它使用自上而下的方法，根據(jù)相應的標準推導需要滿足的要求。該建議收集了增強和最佳實踐，例如用于預算、故障處理、緊急操作容忍時間間隔的規(guī)則，以及具有安全屬性的新型和改進的端子術(shù)語。對于從業(yè)者來說，它還包含了檢查可能影響干擾自由度的外部和內(nèi)部條件的綜合列表。

VDA 450 推薦標準是由領(lǐng)先的行業(yè)專家開發(fā)，包括許多原始設(shè)備制造商和一級供應商，如博世。它在實際電網(wǎng)設(shè)計中的應用實例證明了其實用性，并且可以擴展到自動駕駛以外的系統(tǒng)，如前文提到的線控系統(tǒng)解決方案。因此，它對未來架構(gòu)具有無可爭議的價值。

0648V用作低壓供電電壓

信息娛樂和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能導致低壓電源網(wǎng)絡(luò)中的電力需求不斷增加。隨著更多計算性能、更大的顯示屏和舒適功能（“移動的生活空間”），及用于自動駕駛的安全電源的應用，預計到本十年末，平均車輛功耗將達到5-6千瓦。

由于持續(xù)集中化，更多能量必須傳送到較少的電控單元（ECUs），這就需要更大的導線截面和更大的半導體開關(guān)來承載所需的電流。從電力分配角度來看，提高低壓電源的電壓水平是合理的舉措，因為這樣可以減少整體布線束的重量、成本和半導體開關(guān)的功耗。因此，特斯拉（Tesla, 2023）宣布將低壓電壓水平提高到48V并不令人意外。考慮到在60V以上的額外要求，如車輛子系統(tǒng)的額外維護安全預防措施，這是最直接的電壓水平選擇。

48V過渡的最大挑戰(zhàn)在于當前車輛架構(gòu)中存在著顯著的傳統(tǒng)方案。自20世紀60年代以來，12V一直是主要電源電壓，因此幾乎所有車輛零部件都經(jīng)過了優(yōu)化。也有一些明顯的例外，例如用于輕混合動力和主動懸掛的電源供應，然而，它們目前在整個車輛電網(wǎng)中僅占很小的一部分。

汽車制造商正在仔細評估潛在的遷移方案，并與博世等一級供應商一起專注于單個負載和整體系統(tǒng)成本控制。然而，如同在電子電氣架構(gòu)分析中通常的情況一樣，沒有一種解決方案適合所有的情況。根據(jù)我們目前的分析，我們認為在短期內(nèi)，48V不會完全取代汽車的12V標準電壓，但可能會成為當前12V標準和高壓之間的第三個選擇，而用于某些零件。

雖然一些汽車制造商將完全堅持使用12V，或者將電壓增加至16V以上，但有些將會采取逐步遷移至48V的方式。由于目前沒有現(xiàn)成的48V零部件，預計在最初階段可能需要額外成本，這在一開始不會被因線束、保險絲成本的減少和效率的增加而得到補償。

從長遠來看，盡管48V零部件的成本降低，但尋找48V零部件的最佳應用場景也將變得重要，如圖6，因為將零部件移至高壓電網(wǎng)可能成為一個可行的替代方案。對于低功率負載，通過48V減少線束成本和提高效率的可實現(xiàn)收益低于48V零部件的成本增加。在這種情況下，整體系統(tǒng)成本控制將驅(qū)動決策，例如是將48V電源本地轉(zhuǎn)換為12V以適應小功率沿用零部件，還是將這些零部件移至48V電源系統(tǒng)中。

由于引入了額外的電網(wǎng)電壓，附加的基礎(chǔ)設(shè)施成本因48V而有巨大差別。根據(jù)48V零部件的數(shù)量和電源分布式拓撲層（區(qū)域架構(gòu)）的可用性，最優(yōu)解會是不同的電網(wǎng)架構(gòu)，如圖7所示。對于一些參考架構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)48V的成本效益是由于ECU總數(shù)較少和嚴格執(zhí)行區(qū)域架構(gòu)的分層供電分配而得以實現(xiàn)。對于從其他架構(gòu)演變而來的情況，必須仔細確定電網(wǎng)架構(gòu)變更所需的臨界點。

總的來說，48V不是顯而易見優(yōu)于12V的解決方案，而是由于更可用的零部件和電網(wǎng)設(shè)計的整體變革，它在未來可能會變得更具商業(yè)吸引力。

07針對安全驗證和可靠性評估的仿真

除了在電網(wǎng)和組件設(shè)計中的使用，ISO 26262 還極力推薦進行仿真來驗證電網(wǎng)的無不合理風險（ISO，2018）。類似于物理故障注入測試，可以使用仿真環(huán)境來檢查所需安全措施的正確實施、有效性和性能/準確性。

此外，由于電網(wǎng)設(shè)計復雜性激增和變體數(shù)量增加，過去幾年仿真的價值在安全論證之外進一步增加。由于物理測試場景的建立成本高昂且很易因評估設(shè)計而被替代，因此推薦使用仿真來獲得早期反饋，并在大量變體的情況下實現(xiàn)高測試覆蓋率。

在圖8中，我們展示了作為電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計活動部分通常的仿真基本分類。除了簡單的能量仿真（供應能力、能量儲備保持能力等），我們還分析電網(wǎng)在正常運行時的所有可能用例以及各種故障場景中的電壓穩(wěn)定性。隨著高速通信、高敏感性的車輛計算機以及車輛中許多高頻開關(guān)電源電子器件的使用增加，對瞬態(tài)效應、電壓紋波以及高壓和低壓網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用的評估也變得更加重要。如上所述，這些仿真的輸出對于電網(wǎng)和零部件設(shè)計非常有用，例如用于優(yōu)化電池尺寸。此外，仿真還可以用于驗證電網(wǎng)設(shè)計和功能安全概念，物理電網(wǎng)與軟件功能（例如電能管理或診斷）的交互，以及可靠性分析。由于仿真易于擴展，它們還能幫助比較不同的電網(wǎng)架構(gòu)和可能的解決方案以及對組件屬性或環(huán)境輸入條件（溫度、任務配置文件等）的參數(shù)變化。

作為典型仿真任務的簡單示例，我們在圖8中展示了 DC/DC 變換器負載階躍響應的仿真結(jié)果和測量結(jié)果。等效電路圖描述了變換器每一側(cè)的阻抗網(wǎng)絡(luò)。仿真的特點是我們還能夠?qū)⑽锢黼娋W(wǎng)的仿真與軟件模型的協(xié)同仿真相結(jié)合，例如仿真軟件邏輯和內(nèi)部切換電路的延遲對結(jié)果的影響。結(jié)合博世等系統(tǒng)供應商對功能需求的全面了解，這是一項獨特的優(yōu)勢。這樣的信息對于設(shè)計電控單元（ECU）內(nèi)部電路、擴展安全維度和其他響應機制都很有價值。這也可以擴展到分布式電源解決方案，例如通過使用分布層之間通信延遲的模型。

08總 結(jié)

新穎的車輛領(lǐng)域功能使得對電網(wǎng)架構(gòu)的要求提升到了一個新的水平。隨著對安全可靠電力供應的需求不斷增加，有必要顯著推進電網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計。在本文中，我們展望了未來幾年汽車制造商和供應商將持續(xù)參與的一些主要話題。

諸如48V, eFuses等新技術(shù)將深遠地改變當下電網(wǎng)

像博世電網(wǎng)管理模塊（Powernet Guardian）這樣朝向電子電力分配解決方案的發(fā)展，將使制造商能夠為線控系統(tǒng)和自動駕駛等功能將更多安全相關(guān)的負載引入車輛。分區(qū)架構(gòu)將對改善電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的布置，提高整體可維護性和可靠性非常重要。隨著新發(fā)布的 VDA 450推薦，安全電網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計過程和實施將變得越來越標準化。

引入 48V 供電電壓可以減輕低壓區(qū)域高性能負載的線束重量，提高效率。然而，這樣的變化需要在制造商和供應商之間進行精心規(guī)劃、評估、合作和研究，以實現(xiàn)積極的系統(tǒng)總成本效益。正如在電子電氣架構(gòu)中普遍存在的那樣，沒有一種適合所有情況的解決方案，特別是在存在重要的歷史包袱局限時。

電網(wǎng)仿真將助力新的復雜設(shè)計

仿真能力將成為未來電網(wǎng)設(shè)計師的重要資產(chǎn)。通過對故障、瞬態(tài)和外部影響進行復雜建模，可以經(jīng)濟高效地評估電網(wǎng)架構(gòu)中的進化和革命性步驟，并實現(xiàn)快速反饋。這需要擴展建模環(huán)境，以額外反映這些復雜系統(tǒng)中的軟件邏輯和通信路徑。

讓我們共塑未來

總的來說，我們正處于汽車行業(yè)的大轉(zhuǎn)型階段。這也同樣適用于電網(wǎng)設(shè)計。為打造可靠、安全且具有成本效益的車輛，將需要車輛制造商與像博世這樣具有完整系統(tǒng)能力的供應商進行密切合作。我們相信未來的電子電氣架構(gòu)將提供正確的框架和巨大的機遇，通過優(yōu)秀的工程開發(fā)出極具吸引力的卓越汽車。

作者:

Dr. Thorsten Huck,

Dr. Andreas Achtzehn,

Dr. Felix Hoos, Alexander Fuchs,

Jonas Stüble, Dr. Tobias T. Traub,

Vasileios Kourtidis, Manuel Eder,

Dr. Karsten Wehefritz

Robert Bosch GmbH

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