长城汽车12V 48V一级智能配电系统如何实现整车智能化和轻量化

背景

长城汽车作为一家全球智能科技公司，打造了以能源、智能化为导向的森林生态体系，确立混动、纯电、氢能三轨并行发展的道路。随着长城汽车在智能驾驶、智能座舱、智能底盘等方面的深入发展，传统12V低压系统需要提升电流输出能力来满足更加智能的控制器系统，电流输出能力的提升必然增加线束线径从而导致整车重量加大。为了实现智能化和整车轻量化的共同发展，长城技术中心开展了低压12V升级到48V的相关验证。

英飞凌作为全球领先的汽车半导体厂商，为客户提供全面的系统级解决方案，同时也结合客户的未来需求提供最新的解决方案。为了更好地了解客户的需求，英飞凌设立应用中心，贴近客户，共同开展新产品、新应用、新技术的相关工作。

基于长城&英飞凌应用中心，长城技术中心和英飞凌共同合作，结合长城汽车的实际需求开发了一款12V&48V一级智能配电测试板。

作者：长城汽车电子电气架构经理 张良

英飞凌应用中心工程师 曾喆

测试板特性

采用12V&48V供电

2路CAN通信，3路LIN通信

12V负载输出

10路电子保险丝（efuse）输出

4路智能高边（HSD）输出

1路有刷电机（DC）输出

48V负载输出

1路电子保险丝（efuse）输出

2路智能高边（HSD）输出

1路有刷电机（DC）输出

2路无刷电机（BLDC）输出

电子保险丝（efuse）保护机制

过压、欠压提前预警和关闭输出

过流提前预警和关闭输出

过温保护和关闭输出

软件可编程自恢复逻辑

故障状态读取和记录

电机保护机制

过压、欠压保护

过流保护

故障状态读取和记录

图1 12V&48V混合一级智能配电测试板

测试板功能介绍

测试板根据一级智能配电的需求进行设计，在混动车型和纯电车型实现智能化的电子配电方案。

测试板基于传统的12V低压系统，部分大电流负载升级到48V。在保留现有400V/12V DCDC和12V电池的前提下通过添加一个双向12V/48V DCDC进行48V负载测试。48V供电部分采用12V/48V DCDC 和48V 电池。

基于高阶自动驾驶、智能座舱等智能化的趋势，12V的负载输出采用电子保险丝（efuse）代替传统的保险丝。48V的负载输出采用智能高边和智能驱动+mosfet的方式。

图2 12V/48V混合一级智能配电框图

48V供电采用双电源方式分别是12V/48V DCDC和48V电池，12V/48V DCDC和48V电池通过2ED4820进行管理。

正常工作情况下左右两路2ED4820打开，12V/48V DCDC给48V负载供电同时给48V电池充电；

如果12V/48V DCDC异常，关闭右路2ED4820采用48V电池给48V负载供电；

2ED4820是英飞凌开发的一款适用于12V/24V/48V的智能门级驱动芯片。

采用SPI方式控制

2ED4820有两路输出驱动，支持背靠背的工作方式

工作电压20-70V

可配置过流和短路保护

可配置过压保护

负载断路诊断

集成一路电流采集运放

图3 48V主供电框图

随着智能驾驶的提升，线控底盘控制器也会越来越多。为了满足高阶自动驾驶和整车功能安全要求，针对线控制动控制器供电采用双路冗余同时差异化的智能配电输出，采用智能门级驱动+mosfet的方式给IBC1供电，另外一路采用BHT50015给IBC2供电。

图4 IBC供电

测试板集成了两路三相无刷电机（BLDC）驱动分别用于驱动水泵和散热风扇。为了测试对比采用了两款不同的BLDC驱动芯片，两款BLDC驱动都支持48V应用分别是TLE9180和TLE9140。

TLE9140是英飞凌开发的一款满足24V/48V BLDC应用的驱动芯片。

工作电压范围8.0V~75V

集成BEMF比较器

可编程驱动输出

过压、欠压、过流、过温等诊断保护机制

SPI通信

开发流程按照ISO26262，满足ASILB的安全关断路径

测试板可以实现12V和48V负载输出电流和电压的实时监控。

12V负载部分采用一个主的2ED2410作为12V的输入，每路12V输出采用电子保险丝（efuse）和智能高边驱动（HSD）。

48V负载部分采用两个主的2ED4820作为48V输入，48V输出采用智能高边和电机驱动芯片。

台架测试

12V eFuse（BTG7003）短路测试：

图5 短路发生之后，BTG7003在45us之内触发保护同时关闭输出

12V Fuse（传统保险丝）短路测试：

图6 短路发生之后，传统保险丝在2ms之后才会触发保护同时熔断

通过对比测试可以发现在发生短路的时候，eFuse触发保护的时间明显优于传统保险丝，us级别的保护反应时间可以降低短路大电流对线束的损坏。

基于实验室环境针对BLDC和DC电机在48V和12V供电情况下进行了对比。

图7 测试板48V配电图

表1 48V下鼓风机参数汇总表

表2 12V下鼓风机参数汇总表

表3 同等风速下，12V与48V鼓风机工作电流对比

通过以上数据可以得到鼓风机在相同风速下48V供电情况下负载电流小于12V供电情况下的电流。在较低的风速下电流比例达到了4：1，但是随着风速的上升，电流比例开始变小，这个有可能跟48V散热风扇的软件成熟度不足和散热风扇不匹配实验车辆有一定的关系。

表4 48V配电下玻璃升降电机上升、下降电压电流参数

表5 原车12V玻璃升降电机上升、下降电压电流参数汇总表

表6 12V与48V摇窗电机工作电流对比

由以上数据，可以看到上升过程中，与48V电压下相比， 12V摇窗电机工作电流是48V摇窗电机的3.4倍。虽然下降阶段电流却没有明显的优势，但是下降电流最够小，这样子也有利于降低线束的线径。

结论

基于测试板功能和测试的数据可以看到如下结论：

电子保险丝（efuse）针对传统保险丝在过流保护（反应时间和过载电流）的时候有明显的优势。

相较于传统保险丝单一保护逻辑（过流），电子保险丝有着丰富的诊断和保护逻辑，在方便的同时也对于车厂提出了新的要求，例如：过压发生的时候，配电板需要结合不同的负载情况进行不同的保护逻辑。

电机负载从12V升级到48V的过程中，发现并不是所有的工况下都可以达到4：1的电流比例。

新的智能配电变革类似于从LDO+MCU的传统电路变成了功能安全的PMIC+MCU的工作机制。

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