从大众、福特跟特斯拉的差距看智能电气架构落地的难点与破局点

最后我们来看下成本，感受下大家为什么一定要并联使用。

NVMFS5C410N-D是特斯拉在用的最大的MOS，0.92mΩ，1.8美金一颗；比它更大一点的，0.63mΩ的就到了5.2美金，价格翻了3倍，电流其实没大多少；小一倍的2.3mΩ，价格降到了37%，越大越贵，且价格完全不成比例。所以前面图片你能看到特斯拉全是4个一组并联起步。DC-DC输入直接是2*4并联，用法和NXP建议的一样，进行了分组。但是特斯拉胆大，直接干到了4个一组（就问大众福特你敢不敢）。

功率MOSFET价格（来源：Onsemi）

03负载特性-可靠性问题

这里说的可靠性不仅包含reliability，更多涉及到robustness鲁棒性。

平常我们所说的可靠性一般是指耐久性和失效率，其实就是说可以用很久，但是坏的很少（MTBF及FIT值维度）。而在智能电气架构中，作为实现配电和控制功能的配电盒，功能不失效往往比盒子本身不坏更重要。功能如果失效了，盒子虽然保护了没坏，这对实际应用来说是没有意义的，从用户角度来讲就是不可靠，老是坏。

所以这里的可靠性更多地需要考虑鲁棒性、稳健性和健壮性，这个和半导体器件保护的灵敏性和精确性是一对矛盾体，而设计就是要均衡这个矛盾，做到稳定工作，可靠保护，但针对千差万别的车辆负载特性，这种设计就很难，比如：

  线路正常时：

1) 对负载冲击电流不应保护；

2) 负载短时过载时不应保护；

3) 保护可以重启，线路故障消除后，线路应恢复正常；

  线路异常时：

1) 硬短路需要快速保护；

2) 软短路根据需求进行保护；

3) 保护速度适当，保证导线不能发生损坏；

4) 器件保护后不能发生损坏或参数劣化；

上面我们已经提了一些负载特性问题，传统电气设计容错能力较强，因为各方面裕量够大，设计约束条件少，比如不同电流等级的保险丝成本差异极小，加上保险丝本就是需要更换维护等，这导致了传统电气设计的粗放。

但是到了电子设计时代，设计约束条件就完全变了，比如芯片灵敏度的提升，在带来精确保护的同时，必须要求设计前期精确匹配，否则后期就会出问题。比如容易误动作，或者故障时芯片烧毁；而如果前期增加裕量，则会导致BOM成本过高，因为芯片成本是和电流等级强相关的。

所以要想实现成本和可靠性的均衡设计，就必须详细了解芯片特性及负载特性，比如HSD芯片都有额定电流、限制电流参数及温度特性等，保护方面有过流保护特性、短路保护、热保护特性等，驱动芯片+MOS方案就复杂一些，很多保护特性取决于具体的硬件设计及软件策略。

负载层面，负载是容性还是感性，冲击电流波形、峰值及持续时间都要考虑，电机负载还需要考虑是否需要过载保护及堵转保护等问题。

负载特性我们前面分析过，但实际应用中你会发现，有些用电器是兼具多种负载特征的。比如某些控制器，上电时是容性，因为控制器有输入电容，工作起来后，如果控制器控制的负载是电机就有感性，负载是加热装置就类似阻性。另外不同负载工况也不尽相同，这个还需要了解整车电气原理及具体功能应用。

所以，最终功能的可靠性一定是依赖于前期假定的负载特性及工况，如果负载特性发生了变化，应用就可能会出问题。如果针对不确定的负载特性，保护特性就非常难设计，严一些就可能会和负载特性相冲突，导致误动作，宽一些就需要增加芯片裕量，导致成本升高，或者该保护时不保护，增加使用风险。

一个12V直流电机的特性曲线（来源：英飞凌）

如上图，这个电机负载有近30ms的5倍额定电流，如果是针对这个负载的保护策略，就需要把这个冲击电流给过滤掉，保证不会误动作。再考虑到电机堵转时间的不确定性，需要把时间再拉长。但如果负载变成了阻性，这时候就可能是发生了线束破皮搭铁，需要保护了。

负载特性、保护特性与线束特性曲线（来源：ST）

上面这张图非常完美的阐释了线束特性、保护特性及负载特性的关系，图中黄色为负载电流/时间特性，绿色为器件保护特性，红色为线束I²t特性。所以对设计来讲就必须同时满足以下要求：

• 保护特性必须对负载特性实现包络，否则就会误动作；

• 保护特性必须在线束特性范围内，否则故障时就可能会烧线；

• 三条曲线必须保证全温度范围内没有交叉。

前面我们已经详细分析过了负载特性对保护策略的影响，但是没有具体数据对比，可能大家还没用直观感受，我就上一组数据对比一下：

负载特性与保护参数特性（来源：左成钢）

文中我为什么要一直强调负载特性呢？就上面这些个负载特性及故障参数，且不说针对通用性设计，就是针对特定类型负载，你给我定个保护策略试试？所以说，通用设计或通用负载类型保护设计都是很难的。设计必须针对具体负载，设计的可靠性和成本才能平衡。从这个角度来讲，乘用车设计难度要远低于商用车，做商用车的小伙伴们可以小小地傲娇一下，虽然技术落后点，但是难度更大。

04静态电流问题

前面我们也分析过，传统保险丝是有很多好处的，包括简单好用、便宜、皮实，但还有一点是一直被大家忽略掉的，那就是作为被动器件的电流消耗。保险丝只是一段金属材料，作为完全的无源器件，它不消耗任何额外电流，可以持续地保护线缆，防止出现任何短路故障，随时都能起到保护作用。

在车辆运行时，保险丝的这个优势无法体现，但是当车辆处于停放状态时，整车对静态电流的消耗就提出了要求，这时候保险丝的优势就体现出来了。它可以静悄悄地为整车提供保护，同时不增加任何额外的静态电流消耗，而半导体芯片则不行。单维持芯片导通还好一点，但至少要几十µA，如果同时还需要保护功能（废话，不保护车停那里就有烧掉的风险），那电流等级就要到mA级别了。

这里再普及一个小知识，一般高边驱动方案，不管是用HSD集成芯片还是驱动芯片外加MOSFET，一个通道维持导通外加保护功能，一般需要5mA左右，这是OEM打死都不能接受的（一般乘用车OEM要求整车15mA～20mA左右）。

几款HSD静态电流参数（来源：ST、Infineon、TI）

比如有5个功能需要常电，那就需要额外25mA左右，如果蓄电池容量又不大，那么车放一段时间就没电了。比如原来能放一个月，现在就只能放半个月了，你出个长差回来，发现车子启动不了了，你说你什么感受？

乘用车车辆蓄电池容量、静态电流与停放天数关系对比如下：

车辆蓄电池容量、静态电流和停放天数关系（来源：左成钢）

商用车比如中重卡，蓄电池普遍偏大，动辄100Ah以上，加上有总闸，还有就是卡车是用来赚钱的，使用模式不一样，一般也不大可能十天半个月停着不动，贷款还得还呢。所以商用车这方面问题要比乘用车好一点。

另外，针对纯电动车，现在的趋势是蓄电池小型化。比如特斯拉就采用了33Ah的小电池，因为不需要承担起动机启动任务了嘛，同时只要不下电，就有高压电池在那里撑着，也用不着它。但是一旦高压下电，低压静态功耗控制不好，导致蓄电池亏电，即使高压有电，车辆也无法启动。当然了，纯电动车因为只要能让高压接触器吸合，车辆就能上高压并启动，高压DC-DC就可以给低压蓄电池充电了，这个比燃油车的起动机对电池剩余电量的需求要小得多，但相应要求是否可以降低一些还有待商榷。

所以针对电子化后静态功耗增加这个问题，斯拉别出心裁，高压根本不下电，这是个系统工程设计，主要是为了支持所有Online服务的，也顺便解决了采用半导体设计带来的静态功耗问题，当然几十mA的功耗增加在特斯拉2.6A的静态电流面前就是个弟弟。

但这个问题对别的OEM来说，可能就真是个问题，除非纯电动车你能照抄特斯拉这个系统设计，并且你的用户还能买账。因为并非所有用户都能接受停车后高压电池每天1%掉电的，你没有额外带来一些价值就无法说服客户。同时不同品牌的受众群体也差异较大，认知不在一个频道，对有些设计的接受程度就存在极大差异，比如iPhone用户对信号差、电池小和没快充就能接受，换安卓用户你敢想？

而对燃油车来讲，因为只有低压铅酸蓄电池，如果要求常电负载较多，静态电流就降不下来，这个问题就是无解的，必须要有一款uA级的解决方案才行。

针对这个问题，ST新推出了一款车规级驱动芯片，专门用于高边驱动外置MOSFET应用，耐压达到60V，可以用于乘用车及商用车领域。ST的这款芯片待机电流低至70µA，在待机时可以进行持续供电，同时还具有保护功能。

驱动芯片待机静态电流参数（来源：ST）

最后做一下总结，本文从系统、成本、认知、技术等四个维度分析了智能电气架构落地的难点，笔者认为，这四点中，认知可能是最重要一点，也是最难改变的一点。智能电气架构作为一种颠覆性的技术创新，改变人们对其的认知，从某种意义上讲，可能比其他所有努力都要重要。