汽车电子功能安全实战手册

功能安全是汽车系统的一个关键设计考量，对于制动、转向以及高级驾驶辅助系统（ADAS）等安全关键功能尤为重要。为降低汽车的整个生命周期中的风险和系统潜在故障，全球监管机构针对自动驾驶汽车（AV）和ADAS技术逐步实施更严格的安全标准。这一趋势推动了功能安全原则在整个开发过程中的贯彻，包括半导体的设计和制造，本期我们就一起了解下关于汽车电子与功能安全技术！

新能源汽车OBC电路及芯片 - DSP控制+SiC+模拟

1、OBC的不同开关主电路拓扑

OBC解决的是充电的问题，背后是用户对充电时间，对成本，以及安全的要求；

不同功率级别的OBC，采用不同的拓扑，功率大的会关注提高效率，降低损耗，如下图；

今天给大家介绍的ST设计的交错图腾柱PFC+全桥LLC实现的7KW OBC，采用双MCU控制；

PFC及LLC 的参数如下：

PFC stage:

– Input: 85 to 265 VAC, 45 to 65 Hz– Digital inrush current limiter– Max. input current: 32 Arms– Switching frequency: 70 kHz– Average current mode control in continuous conduction mode (CCM)– PID or 2p2z 2x independent current loop regulators– PID or 2p2pz voltage regulator

DC-DC stage:

– Output voltage: 250 to 450 VDC

– Switching frequency: 92 to 250 kHz with start-up at 350 kHz

– Two independent current loops (CC)

– One voltage loop plus current balancing (CV)

– PID regulators

2、数字控制OBC框图

如上面图，主要分交错图腾柱PFC + 移相全桥LLC，我们后面再列举具体使用芯片，先从控制角度分析下里面电路功能；

PFC：

- 交流输入的采样及过零点检测；

- L1和L2的电感电流采样

- SCR晶体管的控制，用于防止启动时候的过流

- MOSFET的控制，实现PFC

LLC：

- 母线输入电压采样

- 两路输出电流采样

- 输出电压采样

- SiC MOSFET的控制

供电：

- 给MCU，驱动，隔离，运放，ADC等提供不同电压等级 (20V/-5V/12V/5V/3V/隔离5V/隔离3V）

3、OBC芯片及功率器件清单

每家芯片公司的参考设计，目的一个是证明能力，一个是尽量的推销自己的产品，整理这份清单之前，我也没想到ST的模拟已经这么丰富了……

汽车BMS - 智能接线盒(BJB)及芯片清单

1、接线盒的功能和智能化

我们我们还是老习惯，从系统层面先看接线盒 (Battery Junction Box)在动力电池BMS系统里面的位置，以及作用；

如下图，整个电池包，对外输出（包括充电，包括给到驱动系统），有一个叫做接线盒子的，应该比较好理解，高压的，大电流的，有这样的接线盒，会更安全，就类似安装家里的断路器；

那么这个盒子，为什么现在加上了智能？

传统的BJB，里面基本都是被动元器件，比如接触器（Contactors)和保险丝(Fuse)，具体的控制需要从BMU里面引出来，增加接线；

为了去除不必要的接线，提升电池包的电压采样和电流采样的精度，实时性，于是在BJB里面加入了专门测量电压，电流的AFE，以及用于控制的MCU及周边系统；

如下图

具体的智能接线盒展开，就是如下框图 (优化自TI材料, 不得不承认，模拟大哥系统研究就是透)

2、Smart BJB的具体功能

好了，已经非常明显，BJB里面完成的功能如下：

3、Battery Sensor IC

作者觉得AMS取得Battery Sensor IC，非常准确，他不是AFE，他更多像一个感知IC；

那么在智能接线盒里面，Battery Sensor IC哪家的？

目前看到的有

NXP，MM9Z1J638，Intelligent battery sensor with CAN and LIN

TI，BQ79631-Q1，UIR Sensor with Voltage, Current, and Insulation Resistance Monitoring

MM9Z1J638是NXP 的battery Sensor Analog Die + S12Z MCU Die 合封的；

- 四路电压测量通道（内置分压电阻) 或 5路电压测量通道(外置分压电阻)

- 一路电流检测通道

- 电压测量和电流测量的同步机制

- 5路温度传感器通道，可由内部供电

- 支持低功耗模式

- 支持多种唤醒模式：LIN,定时器,高压输入,CAN,过流等

- LIN 2.2/2.1/2.0协议及物理收发器

3、智能接线盒芯片清单

如下，是奥迪车型里面实际的BJB用的芯片清单，点赞的多，我把整一个框图分享出来；

4、关于锰铜的具体使用

开始没有理解，中间的锰铜和旁边的紫铜，具体啥关系，看了下焊林院的介绍，原来是采用真空高能电子束焊接的，如下图，因为高精度采样，不仅仅是把电阻做出来，还要如何应用到系统，这个锰铜分流器的含金量还是高的

为什么采用锰铜，如下图，它具有很小的电阻温度系数，长期负载稳定性高，极低的热电动势，以及良好的焊接性和加工性……

查看原文：https://www.dianyuan.com/eestar/article-7397.html

电动汽车VCU是如何控制空调的

此次我们就不主讲电动汽车的空调自身是怎么控制，而是从另外一个维度来讨论，电动汽车的整车的控制器，是如何来参与空调的控制。

有些人会好奇，整车控制器还能当空调控制器来使用？

首先，我们先看下什么是整车的控制器。整车控制器，行业里通用的叫法叫做VCU（Vehicle Control Unit），是汽车的控制大脑，也就是相当于汽油车的ECU。不过差异点是VCU管辖的范围更广，负责整车三电联合控制及低压电路的相关控制。

ECU则是专属保姆，主要控制着发动机的工作。而今电动汽车的发展，是一个饱含满满高科技的产品，而这里面，VCU发挥着它强大的控制能力，那在空调方面的控制，VCU也就承担起了部分职责。

空调控制跟VCU有什么关系？

传统汽油车上，我们看到直观的空调冷却系统，更主要是乘用舱的驾驶体验。最直观的感受是，炎炎夏日，车内开启空调那股冷风的冰爽；或是冬天瑟瑟寒风，车内开启暖风的满满暖意，当然还有除霜除雾，内在循环功能，甚至是自动空调，PM2.5空调滤清等功能，都是属于空调控制的功能范畴。

而这一类的控制，是专属空调控制器的管辖范围，行业里将该控制器称为HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning，空气调节系统 )，空调的控制逻辑是空调控制器的软实力体现。

那到了电动汽车上，空调的控制会发生什么变化呢？

大家都知道，传统汽油车，空调工作的动力源，是通过发动机带动皮带让压缩机实现转动，产生机械做功；而到了电动汽车，没有了发动机，就没有了机械的驱动，转而变成了电驱动，压缩机消耗电池包的电，采用电能做功，整个工作系统都在高压下进行。这个时候，VCU就发挥了其控制空调的部分职责，即如何控制这个高压系统，管理着空调工作的一些具体事务。电动汽车这个电动系统的架构关系，让VCU跟空调的控制产生了联系，VCU担当起了空调控制的二当家。

VCU控制空调工作的哪些内容呢？

VCU控制空调启动工作的高压系统：

上面我们已经说了，电动汽车的空调工作是在高压环境下进行的，而整个高压系统是由VCU控制的。其中，最关键的是车辆的上下电流程。这个过程是不允许空调提前工作的，否则会影响电池包的预充失败。

所以，VCU这个时候对空调的高压电源进行管理。VCU对整个上下电的时序做了一定的优先级管理，如图2所示，上电过程中，VCU等待预充成功后，才给空调发送高压使能可用标志位，允许空调启动工作；

如图3所示，下电过程中，VCU给空调发送高压不可用标志位，等待空调停止工作后，同时包括其他高压附件停止工作，才会继续走下电流程，发送电池继电器切断请求，从实实现下电，避免在下电过程中，高压带载切电池继电器，对继电器完成粘连等风险。

图2：一种上电时序图

图3：一种下电时序图

VCU负责着对空调功率的管理：

上面已经提到电动汽车，空调在工作的过程中，是消耗电能的，一般在使用过程中，空调的电能来自于电池包的放电。而汽车在使用过程中，各种交叉场景使用都有，行驶中既要考虑车辆的动力性，经济性，又得考虑乘用舱的空调使用体验，特别是在电池包低电量的场景。

所以，VCU发挥着其强大的能量控制能力，对整车的高压器件使用功率进行分配。那这样的情况下，VCU就有必要根据场景使用，对空调的功率进行管理，在必要的时候，进行功率限值。在车辆放电的场景下，如果电量不足以满足当前车辆的加速功率，则会考虑同时降空调的使用功率，来补给加速时电机需要的驱动功率；如果电池包的放电功率比较低的情况下，会考虑限制空调的许用功率为0，停止空调的工作，避免电池包出现电池过放的可能。

上面说的是电池包放电的情况，如果是充电的过程中呢？

这个看车辆开发时对产品的定义需求了。有的会考虑，空调的功率必须限值在充电机的许用功率范围内，避免充电过程中电池包出现放电现象，影响充电效果；有的会优先考虑空调的体验，在充电过程中，电源已经有了，不在惧怕没电，这个时候更加注重空调的使用体验，就像手机充电时的使用，发现性能更加给力，这些都是各大主机厂各自开发的产品定义。

它清楚整车的使用环境及整车状态，像一位智者，给空调等其他高压附近做功率分配，保证车辆的工作配合有序，各种性能各有表现。

VCU负责着请求空调给电池包进行热管理的控制：

电动汽车的热管理关注点转向了电机回路的冷却以及电池包的热管理。

电机回路主要靠水冷+风冷，电池包需要冷却时，主要靠空调压缩机降温，需要加热时，主要靠PTC加热。VCU这位管家，与整车各大器件控制器时刻进行着交流，时刻知道着车辆整体时刻的冷暖需求，最后会根据整体的需求情况是否满足，来判断是否应该请求空调来给电池包进行热管理……

查看原文：https://www.dianyuan.com/eestar/article-7309.html

新能源汽车里面的配电系统和E-Fuse

之前针对新能源汽车接线盒学习交流时候，朋友提到特斯拉已经大量采用E-Fuse，提升了整车的配电和用电安全；在大功率充电桩文章里面可以看到大量的应用了熔断器，继电器等安全配电器件；在介绍BCM时候，提到了高低边开关；

本文总结下新能源汽车整车配电用电的变化，E-Fuse(Smart Fuse)及其在配电的应用；

本文目录：

1新能源汽车配电系统升级

传统车的配电系统，ECU主要通过保险丝和继电器完成车载电器的电源控制，包括钥匙开关继电器、灯光继电器、喇叭继电器等，还有一些常供电的负载直接通过保险丝接蓄电池正极，如下图

传统保险丝或者继电器/熔断器有如下劣势

随着汽车智能化，电气化的不断升级，更小、更轻、更智能、更容易安装的智能电器盒出现了，特斯拉率先在MODEL 3中采用E-Fuse替代保险丝和继电器进行配电；

E-Fuse有什么优势呢？

那么，采用E-Fuse的系统，有什么优势呢？

2什么是E-Fuse

E-Fuse，和之前MCU文章介绍的E-Fuse不一样，这里的E-Fuse，是一种基于半导体实现的，可以提供用电安全保护的电路，一般由MOSFET作为开关，并配置驱动，采样，保护等电路形成如下是TI基于高低边开关，或者驱动器+MOSFET实现的E-Fuse方案……

查看原文：https://www.dianyuan.com/eestar/article-6949.html

电源系统架构之汽车篇

传统的汽车电子设备包括：车身控制器（BCM）、车门控制器（DCM）、仪表娱乐系统、底盘系统等，后来新能源汽车强势崛起，整车控制器（VCM）、电池管理系统（BMS）等也逐步成熟，与此同时，高级辅助驾驶系统（ADAS）、V2X车联网系统等概念也如火如荼的被开发着。

图1. 汽车供电系统总体架构图

汽车供电系统主要由蓄电池、发电机、调节器以及配电、保护装置组成。发电机和蓄电池并联工作，发动机正常工作后驱动发电机发电，再通过调节器将发电机电压稳定在14V（12V蓄电池系统，多用于小型客车）或28V（24V蓄电池系统，多用于大中型客车）。我们车内的用电设备，如：收音机、空调、语音导航等大多由上述电压作为输入电压。

首先要知道的是，汽车供电和之前提到的计算机以及通信设备供电有一个很大的区别，就是在启动之前它各个部件的电能完全由蓄电池提供，因此，低功耗设计是汽车电子产品需要考虑的一个重点。下面，就我亲身开发过的车身控制器（BCM）的系统和电源架构做一个介绍：

图2. BCM系统架构图

BCM的功能除了传统的灯光控制、雨刮（洗涤）控制、门锁控制等基本功能外，近年来逐渐集成了自动雨刮、发动机防盗（IMMO）、胎压监测（TPMS）等功能。其系统架构如图二所示，这种控制器采用的主芯片一般是以16/32位arm内核单片机的MCU为主，功耗在0.3W上下。输入信号采集功能是它很重要的一部分，这部分电路主要是通过分立阻容网络设计一套模拟、数字信号的采集、滤波电路，采集的信号回到MCU进行判断、综合处理。

按照输入信号的性质可分细为三类电路：（1）数字信号采集电路（2）模拟信号采集电路（3）诊断信息采集输入。此外，还有输出驱动控制功能，也就是通过MCU控制驱动芯片，驱动车身的各种设备，如：车灯、雨刮器、座椅加热器等等，反正就是各种奇奇怪怪的负载。而这些驱动器件呢，主要由高边驱动、低边驱动、桥驱、继电器等构成，其实本质也就是一些功率MOSFET，再加上相应的温度、电流检测保护（SPS），还有一些将车灯换成LED的，诸如此类。最后，就是负责通信功能的总线模块了，比如CAN总线、LIN总线，加上以太网等。

图3. BCM输入侧电源架构图

电源方面，以小型客车为例，蓄电池12VDC电压进入控制器后，首先需要进行防反接处理，因为采用电池供电，所以这种防反接保护是很有必要的，否则不小心接错电池正负极，会直接烧毁控制器内部芯片。对于控制部分，防反功能一般采用二极管就够了，但功率部分的话最好选择MOSFET，但成本和设计复杂度会相应增加。防反接之后就是一个宽输入范围的LDO或者BUCK，因为蓄电池电压会下降，线缆也会有损耗，加上其他一些外接因素的干扰，所以这里最好采用宽输入范围的降压电路（如图3）。

图4. 一款SBC与MCU连接架构图

另外，如果空间有限，成本放宽，则可以考虑选择SBC方案作为系统的主供电，SBC内部集成有多个LDO、高边驱动、低边驱动、以及CAN、LIN等通信接口，功能非常强大，是产品小型化的不错选择。上图4所示为一款SBC芯片和MCU的连接图，可以看到SBC内部不仅集成了高速CAN接口用于控制器与外部通信，还可以由内部LDO输出电源VCC1给MCU供电，VCC2给其他IC供电，而它自身与MCU之间通信则采用SPI接口。

上面介绍的是12VDC进入控制器之后，通过防反接、LDO（SBC）降压之后给内部MCU以及一些功能芯片如CAN、LIN、时钟、存储芯片供电的方案。特点就是功耗不会很大，比如MCU电压5V，80MHz主频下最大电流50mA，功耗也只有0.25W左右。一个CAN模块5V供电，40mA，功耗也就0.2W，这相比于之前介绍的计算机和5G基站电源就是小巫见大巫了。但这种低功耗产品采用的是电池供电，因此在低功耗设计方面是要下功夫的，比如怎么降低休眠电流等，多1mA少1mA都是大问题，而这些在之前的供电系统中简直微不足道……

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新洁能：汽车电子产品可应用于五大域控，已有产品应用于无人驾驶

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公司回答表示：公司汽车电子产品可应用于汽车底盘域、动力域、智能信息域、车身控制域、驾驶辅助域五大域控，已有产品应用于无人驾驶。

本文源自金融界AI电报

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