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从ICE到BEV:汽车电气化车辆架构怎么走?

文︱立厷

图︱网络

随着汽车行业从汽油驱动转向电动汽车的势头不断增强,一些主机厂利用其传统内燃机(ICE)架构快速制造出电池电动汽车(BEV)也就不足为奇了。

但是,当我们放眼未来的汽车电气化时,这种方法就有了问题:使用为ICE设计的架构创建BEV会因架构上的折衷和低效推高总成本和重量。

怎么走才能达致可持续的未来?致力于开发更安全、更环保、更互联的解决方案的全球性技术公司Aptiv给出了智能电气中心,并细化到智能熔断器、区域控制器等创新解决方案。

ICE到BEV的挑战

Aptiv全球核心工程配电系统副总裁Eric Rowland表示:现在看一些插图主机厂的“方法是有意义的,但是,当我们展望未来汽车电气化时,这种方法是不可持续的。使用为ICE设计的架构创建BEV会带来许多架构上的折衷和低效,从而推高总成本和重量。”

例如,使用典型SUV的ICE结构创建BEV会导致布线系统比ICE车辆重13公斤,即使没有了整个ICE发动机线束。BEV所需的高压电缆增加了约8公斤,为适应牵引蓄电池和驱动系统周围的ICE结构所需的所有包装增加了另外的5公斤。为了实现另一个指标,ICE设计的拓扑迫使BEV使用300多米的额外电线来提供相同级别的功能。

图:ICE、BEV、SVA对比

这里的一个技术断点在于,BEV是一个技术转折点——需要一种专门用于电力推进的新型电气结构。考虑到这一点,主机厂可以部署一种精确匹配车辆需求的架构,同时大幅降低低压接线的重量和成本,从而生产出更可持续的产品。此外,该架构需要具有灵活性和可扩展性,使其易于适应更高级的车型。

开发BEV专用架构的第一步可能是区域配电解决方案,如智能电气中心,用智能熔断器取代传统熔断器,用固态开关取代机电继电器,从而形成一个功能向上集成的逻辑位置。

什么是智能电气中心?

随着消费者对汽车功能的要求越来越高,汽车行业正在进行其历史上最大的电气和电子架构转型。Aptiv电气中心全球产品管理总监Ajay Bhargava说:“智能电气中心是一个水到渠成的东西。因为在未来几年,车辆分区架构将获得发展,特别是在电动汽车上,它更有助于简化架构并进一步减轻重量。分区架构将车辆内的各种物理分区,添加分区控制器作为高速数据和电源集线器。”

主机厂需要智能车辆架构,但第一步可能是智能电气中心。它是车辆中的配电装置,用智能熔断器和固态开关取代机电继电器的传统熔断器。采取这一步骤可以帮助主机厂优化电缆尺寸,降低系统成本、重量和包装尺寸;并启用智能电源管理和诊断功能。固态开关也比机电式继电器更安静,能耗更低,并可在数百万个工作周期内保持稳定。此外,智能电气中心比传统电气中心更小、更轻。

同样重要的是,智能电气中心可以提供更完整的诊断图像,可以检测连接到它的电线何时可能出现故障。它可以隔离故障条件;检测开路和短路、电路过载和欠载;并将所有诊断信息报告回中央控制器,中央控制器可将该数据传达给车主或经销商进行维修。

智能电气中心的技术是确保车辆满足功能安全要求的关键。通常,智能电气中心是ASIL-B级组件,可与另一个汽车安全完整性B级(ASIL-B)级组件结合使用,形成ASIL-D级系统。ASIL-B部件评级通过改进固态部件、诊断和软件实施的稳健性来实现。

什么是智能熔断器?

智能熔断器用半导体取代继电器中的传统熔断器,是一种实现智能电源管理的方法,因为整个车辆的熔断器可以集中管理。这对于电动汽车尤其重要。

·首先,如果蓄电池电量不足,系统可使用智能保险丝在整个车辆内短时间内明智地关闭一些功能,如需要大功率的非关键功能包括座椅加热器或车窗加热器。系统可以决定在驾驶员无法察觉的短时间内关闭这些功能,以便在更重要的功能需要峰值负载时释放动力,例如急转弯时的动力转向。

·其次,智能保险丝可以检测连接到它的电线何时要出故障,并将该信息传回中央系统。这种预测性维护有助于驾驶员在潜在问题影响车辆运行之前解决这些问题。对于负责维护大量车辆的车队运营商来说,这一点尤为重要。

·第三,智能熔断可以节省布线成本。在过去,电线的直径必须比实际需要的直径大30%,以允许在没有熔断保险丝情况下对峰值负载有足够的容限。相比之下,使用智能熔断器可以在指定的时间段内让导线匹配负载的物理极限。这通常意味着减少一个线规,例如,从4mm2减少到2.5mm2,从而减少线束重量。

智能熔断器通过去掉笨重的保险丝盒实现了更紧凑的设计。区域控制器通常是放置智能保险丝的合理场所。

图:半导体器件尺寸更小

智能熔断是通过电子电路设计、软件和半导体来实现的,在需要时可以切断元件的电源,以防止电路过载。与熔化式熔断器不同,智能熔断器是自复位的,这意味着它不必在触发时更换,其位置也不必便于维修。

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