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新能源汽車行業(yè)分析研究1.引言特斯拉2017年在Model3車型用eFuse替代低壓繼電器+熔斷器,雖然多數(shù)車企eFuse還暫未上車,但我們認(rèn)為智能化領(lǐng)先的車型有望在新一代車型中應(yīng)用eFuse。eFuse在電動(dòng)車智能化中起到重要用,并在低壓電路12V→48V升級(jí)中使用個(gè)數(shù)提升。本篇報(bào)告從eFuse工作原理出發(fā),聚焦幾個(gè)方面:EV智能化程度提升,eFuse實(shí)現(xiàn)智能配電;12V→48V,功率上限提升,需要更多eFuse;eFuse單車用量等。2.eFuse:更主動(dòng)更智能的電子熔斷器eFuse是一種集成電路,提供電路保護(hù)半導(dǎo)體解決方案eFuse是一種集成保護(hù)電路,用于在故障情況下將電路電流、電壓限制在安全水平。eFuse是一種有源電路保護(hù)器件,帶有集成FET。eFuse通過(guò)測(cè)量已知電阻器上的電壓來(lái)檢測(cè)電流,在電流超過(guò)設(shè)計(jì)限值時(shí),通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)切斷電流。負(fù)載電流通過(guò)FET和一個(gè)檢測(cè)電阻器,并通過(guò)該檢測(cè)電阻器上的電壓進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)該電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí),控制邏輯會(huì)斷開(kāi)FET并切斷電流路徑。eFuse嵌入多種保護(hù)等功能,通常很難用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。eFuse嵌入了各種功能來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受浪涌電流、過(guò)流、過(guò)壓、反向電流、反極性和短路故障的影響。eFuse更準(zhǔn)確、更快,并且可以在無(wú)需用戶干預(yù)的情況下自行修復(fù)。不僅僅是保險(xiǎn)絲,內(nèi)置保護(hù)功能解決電路故障eFuse不僅僅是保險(xiǎn)絲,且內(nèi)置許多保護(hù)功能以解決電路故障。eFuse含集成控制器的功率MOSFET和許多內(nèi)置保護(hù)功能,包括過(guò)壓、過(guò)流對(duì)電池短路和熱保護(hù)、診斷功能如電源自檢、電流監(jiān)測(cè)和故障/啟用等。在解決方案上,eFuse集成過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)壓保護(hù),通過(guò)防止損壞連接器、PCB走線和下游組件,來(lái)提供保護(hù)用于熱插拔情況和常見(jiàn)電源故障或負(fù)載故障的應(yīng)用,以及任何需要浪涌/浪涌電流限制的系統(tǒng)。eFuse具有傳統(tǒng)熔斷器大電流保護(hù)功能,且有過(guò)壓保護(hù)、可編程性等優(yōu)勢(shì)熔斷器是一種過(guò)電流保護(hù)器,使用時(shí)將熔斷器串聯(lián)于被保護(hù)電路中,當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定值并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體,使電路斷開(kāi),從而起到保護(hù)的作用。eFuse除了有傳統(tǒng)熔斷器的過(guò)大電流保護(hù)功能,還具有以下新功能:過(guò)壓保護(hù):借助一些額外的電路,eFuse還可以提供過(guò)壓保護(hù),以防止浪涌或感應(yīng)跳閘,即當(dāng)輸入電壓超過(guò)設(shè)定的過(guò)壓跳閘點(diǎn)時(shí),切斷FET并在過(guò)壓條件持續(xù)期間保持在斷開(kāi)狀態(tài)。反極性保護(hù):eFuse還可以提供反極性保護(hù),如果電源反向連接,則迅速切斷電流。例如汽車電池因電纜意外接觸而短暫的反接。可編程性:可編程過(guò)電流保護(hù)和開(kāi)啟時(shí)間。與傳統(tǒng)保護(hù)器件相比,eFuse可對(duì)通過(guò)電流閾值、啟動(dòng)時(shí)間等保護(hù)參數(shù)進(jìn)行靈活、簡(jiǎn)單的編程。eFuse無(wú)需更換,有更高精度,且有更多集成功能節(jié)省空間相較于傳統(tǒng)熔斷器,eFuse優(yōu)勢(shì)突出。電子保險(xiǎn)絲比傳統(tǒng)熔斷器具有多種優(yōu)勢(shì):無(wú)需更換,減少了維護(hù)成本和時(shí)間:由于內(nèi)置的FET被關(guān)斷以切斷電流,因此eFuse不會(huì)被單次過(guò)電流破壞。如果FET再次導(dǎo)通,通過(guò)施加與之前相同的電流,可以恢復(fù)正常工作。與不可逆熔斷的傳統(tǒng)熔斷器不同,它們可以重復(fù)使用,無(wú)需更換零件,降低了維修所需的成本和時(shí)間。更高的精度,準(zhǔn)確度:電子保險(xiǎn)絲提供精確的電流限制。它們的電流閾值可以精確設(shè)置和控制,確保對(duì)電路及其組件提供最佳保護(hù)。傳統(tǒng)的熔斷器利用熔斷絕緣和熱膨脹,因此關(guān)斷電流不能嚴(yán)格確定。傳統(tǒng)熔斷器,由于焦耳熱導(dǎo)致的溫度升高達(dá)到熔斷器材料的熔斷需要時(shí)間,因此從發(fā)生過(guò)電流到中斷存在時(shí)間滯后。在此期間,過(guò)電流持續(xù)流動(dòng)。但是,由于eFuse可以在檢測(cè)過(guò)流的同時(shí)幾乎同時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)和關(guān)斷電流,因此可以大大縮短過(guò)流發(fā)生的時(shí)間。集成功能,節(jié)省空間:eFuse是集成電路,它除了可以將過(guò)流保護(hù)功能,還可以將傳統(tǒng)熔斷器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的過(guò)壓保護(hù)功能、沖擊電流抑制(擺率的控制)功能、過(guò)熱保護(hù)功能、反向電流防止功能等多種功能封裝在一個(gè)封裝中,節(jié)省車內(nèi)安裝空間。IC(集成)方案優(yōu)于分立式方案,功能更全面且更容易通過(guò)監(jiān)管審批分立式元件可構(gòu)建基本的eFuse,但存在較多問(wèn)題。隨著有源、無(wú)源分立式器件增多,分立式器件變得笨重且容易造成單個(gè)產(chǎn)品間性能變化,以及引起與初始容差、元器件老化和溫度引起漂移等相關(guān)問(wèn)題。分立式存在許多局限性:1)分立式電路一般使用P溝道MOSFET作為通斷元件,實(shí)現(xiàn)相同導(dǎo)通電阻值比N溝道MOSFET更貴;2)效率低,會(huì)造成二極管功率耗散及電路板溫升;3)很難為無(wú)源元件FET提供足夠的熱保護(hù);4)分立式電路需要很多元器件和電路板空間,而實(shí)現(xiàn)電路穩(wěn)健性、可靠性需要增加元器件。IC方案相比分立方案功能更加全面,且更容易通過(guò)監(jiān)管審批。IC方案可以解決分立式方案的部分或全部功能限制,且體積小、性能更穩(wěn)定,成本更低。監(jiān)管審批也是分立式路線面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,所有傳統(tǒng)熱保險(xiǎn)絲都獲得了各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可,能在適當(dāng)情況下實(shí)現(xiàn)故障安全型的電流關(guān)斷功能。但要獲得同樣的審批,分立式解決方案非常困難且相當(dāng)耗時(shí)。3.EV智能化程度提升,eFuse實(shí)現(xiàn)智能配電eFuse是域控制器架構(gòu)的關(guān)鍵要素,可確保車輛局部ECU受到保護(hù)且穩(wěn)定可靠配電架構(gòu)從集中式走向分布式,模塊化配電在車輛實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制架構(gòu)。集中式配電架構(gòu)將電能從電池分配至各個(gè)負(fù)載系統(tǒng),配電裝置包括中央繼電器、保險(xiǎn)盒。智能配電系統(tǒng)采用分布式架構(gòu),包含多個(gè)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)或控制器局域網(wǎng)(CAN)相互通信的小配電中心。這種模塊化方法允許在車輛上實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制架構(gòu),大幅減少線束連接數(shù)量,優(yōu)化系統(tǒng)成本、重量,并改進(jìn)電氣性能。eFuse是域控制器架構(gòu)的關(guān)鍵要素,可確保車輛局部ECU受到保護(hù)且穩(wěn)定可靠。域控架構(gòu)下,傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和機(jī)械繼電器可替換為更緊湊的電子保險(xiǎn)絲(eFuse),以提供更先進(jìn)的保護(hù)功能,且將保護(hù)和開(kāi)關(guān)功能集成到單個(gè)小尺寸封裝中。eFuse是局部配電方案的重要組成部分,為車輛電子控制單元(ECU)多個(gè)負(fù)載點(diǎn)提供關(guān)鍵的智能保護(hù)。eFuse負(fù)責(zé)保護(hù)整個(gè)車輛的傳感器、攝像頭、低壓電機(jī)(汽車座椅、車窗控制等)、前大燈和尾燈免受過(guò)流影響。eFuse優(yōu)勢(shì)1:實(shí)現(xiàn)OTA升級(jí),配合智能車軟件升級(jí)eFuse具有可編程的電流限值、過(guò)壓等,可配合OTA升級(jí)。電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí),控制邏輯會(huì)斷開(kāi)FET并切斷電流路徑。對(duì)于傳統(tǒng)電子保險(xiǎn)絲來(lái)說(shuō),電流水平是固定的,而eFuse的電流水平可通過(guò)外部電阻器設(shè)置。以德州儀器產(chǎn)品為例,TPS26620電子保險(xiǎn)絲通常用于24V應(yīng)用中,其設(shè)定的電流限值為500mA,工作電壓為4.5V至60V,最大電流為80mA,產(chǎn)品具有可編程的電流限值、過(guò)壓、欠壓和反極性保護(hù)功能。OTA不斷開(kāi)啟新功能,eFuse可通過(guò)編輯參數(shù)配合功能升級(jí)。軟件定義汽車已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)的共識(shí),基礎(chǔ)硬件差異或越來(lái)越小,關(guān)鍵在于汽車給用戶的體驗(yàn)的多樣性,而這種體驗(yàn)的差異性在很大程度上是由汽車的軟件來(lái)決定的。通過(guò)OTA升級(jí),可以不斷給用戶開(kāi)啟新功能,不斷優(yōu)化產(chǎn)品體驗(yàn),進(jìn)行快速迭代。功能升級(jí)往往對(duì)應(yīng)電壓、電流或功率變化,eFuse可通過(guò)編輯參數(shù)配合功能升級(jí)。若采用傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲,電路或需要重新設(shè)計(jì),增加成本。eFuse優(yōu)勢(shì)2:主動(dòng)保護(hù),具有自恢復(fù)性,提升智能車安全性故障率隨智能化程度提升而增加,eFuse可主動(dòng)保護(hù),故障消失后恢復(fù)正常運(yùn)行。隨著電動(dòng)車智能化程度提升,汽車中軟件代碼行數(shù)成正比不斷增長(zhǎng),隨之而來(lái)的是軟件工程復(fù)雜度指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)和軟件故障概率的提升。eFuse反應(yīng)速度快且可復(fù)位,故障消失后可自動(dòng)重啟恢復(fù),提升智能車安全性。速度:反應(yīng)快,其斷開(kāi)反應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí),有些設(shè)計(jì)能達(dá)到納秒級(jí)。可復(fù)位:根據(jù)具體型號(hào),eFuse可選擇在激活后保持?jǐn)嚅_(kāi)(稱為閂鎖模式),或在當(dāng)前故障消失后恢復(fù)正常工作(自動(dòng)重啟模式)。在更換保險(xiǎn)絲困難或成本較高的情況下,也很有用。4.12V→48V,功率上限提升,需要更多eFuse電子電氣架構(gòu)決定整車智能化功能發(fā)揮上限,12V→48V升級(jí)或成為未來(lái)趨勢(shì)電子電氣架構(gòu)決定整車智能化功能發(fā)揮上限。電子電氣架構(gòu)(EEA)把汽車中的傳感器、電子控制單元ECU、線束整合在一起,實(shí)現(xiàn)汽車各項(xiàng)電氣化功能。智能化和娛樂(lè)化趨勢(shì)需要更高的功率,增加電壓一方面是提高功率上限,另一方面降低電流,減少線束的量,同時(shí)降低損耗并降低溫度。相比12V,48V將電壓增加三倍,電流減少3/4,同時(shí)保持遠(yuǎn)低于60V安全電壓,為車企最佳選擇。60V通常被認(rèn)為是汽車上最高的安全電壓,48V可通過(guò)過(guò)載設(shè)計(jì)最高達(dá)到60V。驅(qū)動(dòng)電機(jī)等多種設(shè)備也將受益于更高的工作電壓,需要更少的銅并且提供更大扭矩,同時(shí)有更小的封裝尺寸。汽車電氣系統(tǒng)演進(jìn):12V系統(tǒng)已應(yīng)用60多年,難以滿足電動(dòng)車電氣化、智能化發(fā)展燃油車低壓系統(tǒng)經(jīng)歷了從6V→12V的演變,2011年奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷、大眾聯(lián)合推出48V混動(dòng)系統(tǒng)以滿足車載負(fù)載需求以及減排,而Cybertruck為特斯拉首款在整輛車中使用48V電氣系統(tǒng)的電動(dòng)車。6V:1918年開(kāi)始第一批大規(guī)模生產(chǎn)的汽車使用6V架構(gòu);20世紀(jì)50年代,隨著內(nèi)燃機(jī)排量增加、高壓縮比內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn),6V電壓系統(tǒng)無(wú)法滿足用電需求,因此推出12V系統(tǒng)。12V:20世紀(jì)60年代末,美國(guó)幾乎所有汽車都使用12V電壓系統(tǒng),電氣系統(tǒng)和組件都圍繞12V電壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一,包括電動(dòng)車窗、室內(nèi)照明、點(diǎn)煙器、剎車燈燈。48V:2011年奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷、大眾聯(lián)合推出48V系統(tǒng),以滿足車載負(fù)載需求以及更嚴(yán)格的排放法規(guī)。利用DC/DC轉(zhuǎn)換裝置,實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)12V/48V雙電壓架構(gòu),分別驅(qū)動(dòng)不同元件。而Cybertruck為特斯拉首款在整輛車中使用48V電氣系統(tǒng)的電動(dòng)車。48V系統(tǒng)帶來(lái)功率提升,電路復(fù)雜程度提升帶來(lái)fuse使用個(gè)數(shù)提升,電路重新設(shè)計(jì)或加速eFuse應(yīng)用電動(dòng)車智能化加速48V應(yīng)用,電路復(fù)雜程度提升帶來(lái)fuse使用個(gè)數(shù)提升。汽車擁有越來(lái)越豐富的電氣功能,用戶界面比傳統(tǒng)儀表板更類似于視頻游戲控制臺(tái)。隨著智能化程度提升,電動(dòng)車有望配備ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng))、導(dǎo)航系統(tǒng)以及環(huán)境控制,以及復(fù)雜的信息娛樂(lè)系統(tǒng)等功能。隨著汽車中的邊緣人工智能(如駕駛員警覺(jué)系統(tǒng))越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)更大功率的需求可能會(huì)迫使所有汽車制造商采用48V系統(tǒng),更多電器的應(yīng)用有望帶來(lái)fuse使用個(gè)數(shù)提升。電路復(fù)雜程度提升,電路重新設(shè)計(jì)或加速eFuse應(yīng)用。車端架構(gòu)按功能域劃分,分為動(dòng)力系統(tǒng)域、車身系統(tǒng)域、影音娛樂(lè)域、ADAS主動(dòng)安全域、自動(dòng)駕駛域,不同的功能域有著不同的通信網(wǎng)絡(luò)和功能安全等級(jí)設(shè)計(jì)。隨著電路復(fù)雜程度提升,我們認(rèn)為電路重新設(shè)計(jì)或增加熔斷器、繼電器使用成本,且由于eFuse設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔且可編寫(xiě)、可擴(kuò)展,或在48V系統(tǒng)中加速滲透。5.eFuse單車用量Model3在2017年用eFuse替代低壓繼電器+熔斷器特斯拉在Model3車型中移除低壓部分繼電器和熔斷器,用eFuse替代。2017年,特斯拉在model3中移除所有所有
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