車(chē)身模塊中新的失效保護(hù)方法

在今天的車(chē)身控制模塊（BCM）設(shè)計(jì)中，有見(jiàn)識(shí)的工程師機(jī)都盡可能不再使用機(jī)電式繼電器。他們的下一個(gè)發(fā)展方向是停用熔斷器。但是，停用熔斷器是一個(gè)非常必要的解決方案嗎？是一個(gè)用更加復(fù)雜的解決方案取代一個(gè)簡(jiǎn)單而且高效的元器件嗎？

今天的 BCM由大量的固態(tài)開(kāi)關(guān)和熔斷器組成。某些 BCM有多達(dá)8-12個(gè)蓄電池饋路，為60-80個(gè)負(fù)載提供電源，每個(gè)電池饋路都裝有熔斷器，這就是說(shuō)，BCM負(fù)載(車(chē)燈、門(mén)鎖等)是由驅(qū)動(dòng)器組驅(qū)動(dòng)的，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)熔斷器。為了安全起見(jiàn)，或只是因?yàn)樨?fù)載電流太大，無(wú)法均衡分配，有些負(fù)載需要單獨(dú)配備熔斷器。據(jù)說(shuō)，還有些 BCM只有一個(gè)或兩個(gè)熔斷器。萬(wàn)一輸出失效時(shí)，這些模塊依靠固態(tài)開(kāi)關(guān)提供“熔斷”保護(hù)功能。


圖 1. 福特BCM

熔斷器101

熔斷器從克魯馬努人時(shí)代開(kāi)始流傳下來(lái)。與半導(dǎo)體元器件相比，熔斷器非常簡(jiǎn)單，幾乎不需要什么制造工藝，而且成本低廉……正是因?yàn)楹?jiǎn)單，熔斷器被設(shè)計(jì)成線束保險(xiǎn)裝置，以防短路時(shí)線束變成烤箱電纜。
　　

圖2：一個(gè)早期汽車(chē)熔斷器應(yīng)用實(shí)例 (Gary Larson畫(huà))

熔斷器的工作原則是一個(gè)簡(jiǎn)單的I2R與時(shí)間的關(guān)系。電流越大，熔斷或開(kāi)路時(shí)間越短。熔斷器的功耗與通過(guò)熔斷器的電流的平方成正比。當(dāng)功耗過(guò)高時(shí)，熔斷器熔斷。這個(gè)特性同樣適用于受熔斷器保護(hù)的線束。當(dāng)熔斷器的“熔斷”特性與所保護(hù)的線束相似，只是處理電流能力略低時(shí)，熔斷器是一個(gè)理想的選擇。

　　

圖3：I2-t 特性比較

安裝位置

關(guān)于熔斷器從BCM模塊凸出來(lái)的問(wèn)題，有點(diǎn)像房地業(yè)的三條規(guī)則：位置、位置，還是位置。如果模塊有凸出來(lái)的熔斷器，模塊就必需放在車(chē)主能夠檢修的位置。線束布線和模塊方向，以及熔斷器必須放在模塊的什么地方，是令人頭疼的問(wèn)題。所有這些限制和保護(hù)功能增加了模塊的成本和制造難題。下圖所示的福特BCM在CEM3上安裝一個(gè)靈活的電路板后，才能把熔斷器置于模塊的“邊緣”。

　　

圖4：在福特BCM內(nèi)部的熔斷器連接端口陣列

汽車(chē)制造商在給這些BCM模塊/熔斷器單元尋找位置方面具有相當(dāng)高的創(chuàng)新力。我曾在儀表板和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下和踏腳板內(nèi)（前車(chē)門(mén)鉸接區(qū)的右側(cè)）看見(jiàn)過(guò)BCM模塊，甚至還在后座下面看見(jiàn)過(guò)BCM模塊（我的車(chē)子就是這樣）。某些BCM裝有鉸鏈，可以從儀表板下面拉出來(lái)，檢修比較方便。有些BCM則裝在擋板后面，只有查看用戶手冊(cè)（如果有）才能找到。我不只一次趴在駕駛座椅上，腳壓在的靠背上，頭鉆到儀表板下，尋找那個(gè)失效的熔斷器。

這還不算完，你還要解開(kāi)哪一個(gè)熔斷器號(hào)對(duì)哪一個(gè)功能的啞謎……熔斷器面板除提供幾行編號(hào)外，沒(méi)有任何標(biāo)記。真地像猜謎比賽，除了分值之外，你不能告訴選手任何信息。如果再?zèng)]有用戶手冊(cè)，BCM就像一個(gè)食品柜，里面裝滿了撕去標(biāo)簽的罐頭……你只能分類(lèi)排查，別無(wú)它法。你只能不斷地猜測(cè)，直到找到失效的熔斷器號(hào)為止。

固態(tài)熔斷器可解決很多問(wèn)題

熔斷器可能會(huì)因?yàn)闆](méi)有明顯原因而熔斷，熔斷器的容錯(cuò)能力非常差，哪怕是最輕微的短路都會(huì)熔斷（你曾經(jīng)把硬幣掉到點(diǎn)煙器插座/電源插座嗎？）。當(dāng)你最后發(fā)現(xiàn)硬幣并將其取出時(shí)，熔斷器不會(huì)復(fù)位。

如果BCM模塊上沒(méi)有熔斷器，安裝位置就不是這樣問(wèn)題了。把BCM模塊安裝在后座下面，不必鉆到儀表板下檢修BCM模塊，這對(duì)我來(lái)說(shuō)就不再是一個(gè)太大的問(wèn)題。因?yàn)槿蹟嗥饔羞@么多的麻煩，難怪汽車(chē)廠商關(guān)注無(wú)熔斷器或熔斷器較少的BCM解決方案。

不讓汽車(chē)自燃或提供更多保修故障的解決方案

因此，這種解決方案必須可靠，在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)性能優(yōu)異，幾乎沒(méi)有任何成本。

今天的固態(tài)開(kāi)關(guān)因?yàn)楸Ｗo(hù)形式簡(jiǎn)單，有一點(diǎn)以自我為中心。這就是說(shuō)，它們更加關(guān)注自我保護(hù)，而不是保護(hù)外圍元器件。固態(tài)開(kāi)關(guān)有過(guò)熱和超負(fù)載保護(hù)電路，當(dāng)因輸出短路而限制負(fù)載電流時(shí)，這種元器件是最佳的選擇。因此，用固態(tài)開(kāi)關(guān)替代熔斷器有時(shí)候并不是最佳的選擇。

像硬短路一樣的短路事件比較容易保護(hù)，例如，受驅(qū)動(dòng)器限制的負(fù)載電流。在這種情況下，功耗不是I2R的結(jié)果，而是驅(qū)動(dòng)器上的電壓降與相應(yīng)的限流的結(jié)果。這是一個(gè)高功耗事件，大部分功耗發(fā)生在智能開(kāi)關(guān)上而不是線束上。因此，開(kāi)關(guān)的溫度迅速升高，激活過(guò)熱關(guān)斷功能，從而保護(hù)相關(guān)的線束。

車(chē)身模塊中的大多數(shù)負(fù)載是燈泡。燈泡有一個(gè)很難處理的特性：涌流，我們了解并喜歡這個(gè)特性。涌流要求強(qiáng)迫固態(tài)開(kāi)關(guān)的限流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)定狀態(tài)開(kāi)關(guān)操作所需的限流值。我所說(shuō)的一切都是為了說(shuō)明：當(dāng)沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的硬短路事件時(shí)，這些高涌流的元器件準(zhǔn)許異常高的穩(wěn)態(tài)電流在線束內(nèi)流動(dòng)，這就是固態(tài)開(kāi)關(guān)保護(hù)自我而不保護(hù)所在系統(tǒng)的情況。這時(shí)，電流強(qiáng)度還不足以激活開(kāi)關(guān)限流功能，但是足以燒毀線束或電路板。

在圖5的示例中有一個(gè)點(diǎn)，智能開(kāi)關(guān) (VN5010)將繼續(xù)前行，而電線將開(kāi)始自毀（紅線在藍(lán)色虛線上方）。如果這種情況是真實(shí)的，甚至連電路板都可能會(huì)自毀?，F(xiàn)在考慮到涌流要求很可能更加嚴(yán)格，我們開(kāi)始意識(shí)到有必要開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠仿真熔斷器特性的保護(hù)算法。