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出品 | 汽车电子与软件
目 录
引言
一、传统配电架构的局限性：迈向e-fuse时代的必然性
二、智能汽车对配电系统的新需求：e-fuse的技术驱动力
三、e-fuse的技术原理与核心优势：智能配电系统的核心元件
四、e-fuse与汽车电子电气架构的演进关系
五、行业标准与法规对e-fuse的要求
六、结语：e-fuse的未来发展趋势和前景
引 言
随着汽车产业电动化、智能化、网联化的加速推进，汽车电子电气架构正经历前所未有的深刻变革。作为这一变革的核心组件，电子保险丝(e-fuse)正从传统配电系统的补充角色，逐步演变为智能汽车配电系统的关键支撑技术。本文将深入探讨e-fuse的技术原理、应用场景、行业发展趋势，以及其在智能汽车发展中的实践价值，为行业从业者提供参考与启示。
一、传统配电架构的局限性：
迈向e-fuse时代的必然性
传统汽车配电系统主要依赖机械式元器件，包括机械保险丝、继电器和配电盒等。这种架构在燃油车时代表现良好，但在智能汽车时代已显现出诸多局限性，它们无法可靠的配电，快速的隔离，精确的控制和丰富的诊断功能。
图 1 传统配电架构
图 2 传统配电盒
1.1 机械保险丝的固有缺陷
机械保险丝的核心原理是通过熔断金属丝来切断电路，这种物理熔断机制存在明显不足：
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无法重置：一旦熔断，必须更换，增加了维修成本和时间
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响应速度慢：在短路或过载情况下，熔断时间通常在数百毫秒至数秒级别，无法满足智能驾驶系统对快速故障隔离的需求
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精度有限：熔断特性受环境温度、寿命老化等因素影响，保护精度难以保证
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无诊断功能：无法提供实时状态监测和故障诊断信息，难以实现预防性维护
如图3所示，传统配电架构中，机械保险丝在过载或短路情况下的反应速度远远无法满足现代智能汽车对安全性的高要求。
图 3 机械保险丝发生过载时的反应
1.2 继电器的局限性
继电器作为传统配电系统中的关键控制元件，同样存在诸多不足：
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机械磨损：频繁开关导致触点磨损，可靠性下降
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响应速度慢：机械动作需要一定时间，无法实现微秒级的快速控制
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体积大：占用空间大，不利于紧凑型配电设计
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无智能功能：无法提供实时监测、故障诊断和远程控制功能
在现代智能汽车中，这些缺陷已成为制约系统安全性和可靠性的关键因素。特别是对于自动驾驶系统、线控系统等安全关键功能，传统配电架构的局限性已无法满足日益严苛的功能安全要求。
1.3 传统配电架构与智能驾驶的矛盾
随着SAE J3016:2021中定义的Level 3及以上级别的自动驾驶功能普及，传统配电架构的不足愈发明显：
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主动变道功能：当车辆雷达、摄像头等传感器供电失效时，系统无法检测到相邻车道的空闲状态或障碍物，可能导致非预期变道，增加碰撞风险。UNECE R157标准明确要求自动驾驶系统必须具备高可用性，而传统配电架构无法满足这一要求。
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全速自适应巡航功能：在0-120km/h范围内，系统需要持续感知前方车辆状态并自动调整车速。若机械保险丝或继电器配电通道故障无法快速关断，可能导致刹车模块供电不足，无法保持安全距离，造成追尾事故。ISO21448(SOTIF)标准对此提出了明确要求。
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自动解锁功能：在碰撞发生时，法规ECE R94/R95要求自动解锁车门以便乘客逃生和救援。如果碰撞导致保险丝或继电器松动脱落，中断供电回路，将严重影响救援效率。
这些清晰地表明，传统配电架构已无法满足现代智能汽车对安全性和可靠性的严苛要求，e-fuse技术的引入已成为必然选择。
二、智能汽车对配电系统的新需求：
e-fuse的技术驱动力
智能配电架构通过采用半导体器件(高边开关芯片、efuse 芯片、MOSFET)，逐步取代机械保险丝和继电器，实现了设备供电，状态采集，智能检测，故障快速隔离和用电管理的集成化。通过智能化和模块化的设计，实现更高效、安全和灵活的配电网络，提供了系统的可靠性，还降低了线束冗余设计。
图 4 智能配电架构
随着整车电子电气架构的发展，智能驾驶功能要求越来越高，传统配电架构已无法满足现代整车智能化、电动化和互联化的要求。这些不足促使汽车行业向更高效、更可靠、更智能的配电方案转型，具体需求包括：
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需求类型 |
详细描述 |
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快速故障隔离 |
智能汽车需要在毫秒级甚至微秒级时间内识别并隔离故障，防止故障扩散。例如，在电池系统中，当某个电池模块发生短路时，必须在极短时间内切断故障模块，避免热失控蔓延。传统机械保险丝的反应速度远远无法满足这一要求。 |
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高精度电流控制 |
现代汽车电子系统对电流控制精度要求越来越高。例如，智能座舱中的多个显示器、传感器和通信模块需要精确的电流管理，以确保稳定运行。机械保险丝的保护精度有限，无法满足这种精细控制需求。 |
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实时监测与诊断功能 |
智能汽车需要实时监测配电系统的状态，包括电压、电流、温度等参数，并能够进行故障诊断和预测性维护。传统配电架构缺乏这种能力，无法提供系统健康状态的实时反馈。 |
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可配置性与灵活性 |
不同负载对保护特性的要求各不相同，需要配电系统具备高度可配置性。例如，摄像头模块可能需要更严格的电流限制，而电机驱动器则需要更高的浪涌电流承受能力。传统机械保险丝无法实现这种灵活配置。 |
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冗余供电与系统可用性 |
对于安全关键系统，需要实现冗余供电，确保单点故障不会导致系统失效。传统配电架构难以实现这种高可用性设计，而e-fuse技术则能够提供可靠的冗余配电方案。 |
三、e-fuse的技术原理与核心优势：
智能配电系统的核心元件
e-fuse(电子保险丝)是智能配电系统的革命性技术，它通过半导体器件替代传统机械保险丝，实现了配电系统的智能化、数字化和网络化。e-fuse的核心技术原理是利用MOSFET等半导体器件作为开关元件，配合精密的控制电路，实现对电路的智能保护。
3.1 e-fuse的技术架构
典型的e-fuse系统包括以下几个关键部分：
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MOSFET开关：作为核心开关元件，负责接通和断开电路
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电流检测电路：实时监测电路中的电流，通常采用高精度电流检测电阻
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控制单元：处理检测到的电流数据，执行保护逻辑
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通信接口：提供与ECU的通信能力，实现状态上报和远程控制
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保护电路：提供过流、过压、短路、过热等保护功能
与传统机械保险丝相比，e-fuse具有以下核心优势：
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微秒级响应：能够在100μs内检测并隔离故障，远快于传统保险丝的毫秒级响应
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可复位性：故障排除后可自动或手动复位，无需更换
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精确保护：提供可编程的电流限制和保护特性，精度可达±5%
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实时监测：提供电压、电流、温度等实时数据，支持预防性维护
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智能诊断：能够识别故障类型，提供详细的故障诊断信息
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低功耗：静态功耗低，适合长期驻车状态下的配电需求
图 5 从传统到e-fuse
3.2 e-fuse的典型应用场景
e-fuse在智能汽车中有多种应用场景，每种场景都有其特定的技术要求：
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场景缩写 |
场景描述  |
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LCSP –负载控制和自我保护 |
主要替换传统继电器的应用，实现负载的开关控制和芯片自我保护。这种应用常见于车身控制模块、座椅控制、车窗控制等系统。e-fuse提供精确的开关控制，同时具备过流、短路、过热等保护功能，确保负载安全。 |
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LSP –负载供电保护 |
主要用于保护连接到输出的电源基础设施。e-fuse可以提供电流钳位保护机制，有效防止电流尖峰对敏感设备的损害。 |
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PCI – 电源连接和隔离 |
用于支持自动驾驶的冗余配电。在大多数情况下，只有一个能源发电机给多个电池充电，因此两个电池会连接在一起。如果其中一个电源失效，PCI模块需要快速断开失效电源，避免故障传播，确保冗余电源的独立性。 |
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BP –电源保护 |
用于保护新型电源技术，如锂电池。锂电池对短路或过充非常敏感，在配电系统中发生故障时，需要智能开关快速断开以保护电源。e-fuse能够提供精确的过充保护和短路保护，确保锂电池系统的安全。 |
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DX –数据交换 |
提供配电数据给微控制器，包括电压、电流、温度等信息。这些数据可用于云端分析系统性能，支持预测性维护和远程诊断。e-fuse的数字通信接口使得数据交换成为可能，为智能配电系统提供了数据基础。 |
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WP –线束保护 |
主要用于线束过流保护，避免线束过温损坏。这是传统机械保险丝的主要应用场景，但e-fuse能够提供更精确、更灵活的保护机制，同时具备实时监测功能。 |
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PSP –电源保护 |
用于隔离负载错误传播到配电系统。为支持自动驾驶的可靠电源，智能开关是必须的，避免非功能安全相关的负载配电错误，产生级联错误，从而影响功能安全相关负载配电。 |
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ADP –驻车常配电 |
用于整车在驻车和休眠状态下的配电需求，如无钥匙进入系统、防盗系统等。e-fuse需要具备低静态功耗特性，以避免电池馈电，同时在发生短路等故障时能够快速激活保护功能。 |
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VCI –电压转换和隔离 |
用于支持48V应用，当48V-12V DC/DC模块发生故障时，智能开关需要快速断开48V配电域和12V配电域的连接，从而避免12V配电系统的损坏。e-fuse能够提供精确的电压监控和快速隔离功能，确保不同电压域的安全隔离。 |
四、e-fuse与汽车电子电气
架构的演进关系
e-fuse技术与汽车电子电气架构的演进密切相关，两者相互促进，共同推动智能汽车的发展。
4.1 从集中式到分布式架构的转变
传统汽车采用集中式配电架构，所有配电功能集中在几个配电盒中。随着智能汽车的发展，这种架构已无法满足需求，分布式架构成为趋势。
在分布式架构中，e-fuse扮演了关键角色。每个区域控制单元(RCU)都配备了e-fuse，实现区域内的智能配电。这种设计大大减少了线束长度，降低了重量，提高了可靠性。
智能配电架构从传统的集中式配电逐步转向分布式架构。集中式配电是将电能从电池分配到各个负载系统，而分布式架构则通过多个小配电中心实现区域控制。这种分布式架构能够优化车辆的电气性能，减少线束连接数量，提高系统的可靠性。
图 6 智能配电架构的发展趋势
4.2 从12V到48V系统的演进
随着48V轻混系统的普及，汽车配电系统正从传统的12V系统向48V系统演进。e-fuse技术在这一转变中发挥了重要作用。
在48V系统中，e-fuse用于隔离12V和48V系统，确保两个系统的安全运行。当48V系统发生故障时，e-fuse能够快速切断48V与12V的连接，防止故障扩散到12V系统。
五、行业标准与法规对
e-fuse的要求
随着e-fuse技术的广泛应用，相关行业标准和法规也在不断完善，为e-fuse的设计和应用提供了指导。
5.1 ISO26262功能安全标准
ISO26262是汽车功能安全的国际标准，对e-fuse提出了明确要求：
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ASIL等级要求：根据安全关键性，e-fuse需要满足相应的ASIL等级要求
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故障检测与诊断：e-fuse需要具备完善的故障检测和诊断功能
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冗余设计：对于高ASIL等级的系统，e-fuse需要提供冗余设计
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验证与确认：e-fuse的设计需要经过严格的验证和确认
例如，对于ADAS系统中的e-fuse，通常需要满足ASIL B或更高的要求，具备完善的故障检测和诊断功能，以及适当的冗余设计。
5.2 VDA 450标准
VDA 450是德国汽车工业协会在ISO26262大框架下推出的指导性标准，专门针对自动驾驶系统及线控系统的整车冗余供电网络的功能安全要求。
VDA 450对e-fuse提出了以下要求：
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两路供电通道的独立性：e-fuse需要确保两路供电通道的独立性，避免单点故障影响整个系统
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单个通道内部负载的潜在干扰：e-fuse需要考虑单个通道内部不同负载之间的潜在干扰，避免级联故障
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快速反应：当某个负载发生短路故障时，e-fuse需要在极短时间内断开，避免整个供电网络电压被拉低
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故障隔离：e-fuse需要提供可靠的故障隔离功能，防止故障扩散
VDA 450明确指出，e-fuse在供电系统中的关键设计是‘快速关断‘。当某个负载发生短路故障时，由于短路电流非常大，整个供电网络的电压会被瞬间拉低，其他ZCU/ECU可能因为电压过低而无法工作。e-fuse需要在极短时间内断开故障负载，确保其他系统的正常运行。
5.3 UNECE R157标准
UNECE R157是关于自动车道保持系统(ALKS)的法规，对e-fuse提出了具体要求：
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系统可用性：ALKS系统需要具备高可用性，e-fuse需要确保供电系统的可靠性
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故障检测与隔离：e-fuse需要能够快速检测和隔离故障，防止系统失效
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冗余设计：关键部件需要冗余设计，e-fuse需要支持这种冗余配电
UNECE R157特别强调，当ALKS系统的关键传感器(如雷达、摄像头)供电失效时，系统必须能够及时检测并采取安全措施，避免危险情况发生。e-fuse在这一过程中扮演了关键角色。
六、结语：
e-fuse的未来发展趋势和前景
e-fuse技术正在引领汽车配电系统进入新时代。随着汽车电动化、智能化、网联化的深入发展，e-fuse从传统的补充角色，逐步演变为智能汽车配电系统的核心元件。e-fuse不仅解决了传统配电系统的诸多问题，还为智能汽车提供了更高的安全性、可靠性和灵活性。
从技术角度看，e-fuse正在向高集成度、智能化、数字化通信、车规级可靠性、模块化设计等方向发展。
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发展趋势 |
详细描述 |
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高集成度 |
未来的e-fuse将朝着高集成度方向发展，将更多功能集成到单一芯片中。例如，将e-fuse与电源管理、通信接口、诊断功能等集成在一起，减少系统复杂度，提高可靠性。 |
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智能化 |
e-fuse将更加智能化，具备AI算法，能够根据负载特性和使用环境动态调整保护参数。例如，在寒冷环境下自动调整启动电流阈值，在高温环境下降低保护阈值，实现更精准的保护。 |
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数字化通信 |
e-fuse将具备更强大的数字通信能力，支持CAN FD、Ethernet等高速通信协议，实现与ECU的实时数据交换。通过数字化通信，e-fuse能够提供更详细的故障诊断信息，支持预测性维护。 |
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车规级可靠性 |
随着e-fuse应用范围的扩大，其车规级可靠性要求也将提高。未来的e-fuse需要在-40°C到150°C的宽温度范围内稳定工作，具备更高的抗振动、抗冲击能力，满足更严苛的汽车环境要求。 |
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模块化设计 |
e-fuse将采用模块化设计，便于系统集成和维护。模块化设计能够简化系统设计，提高可靠性，降低开发成本。 |
对于汽车制造商和供应商而言，e-fuse不仅是技术升级的必然选择，更是提升产品竞争力的关键。通过采用e-fuse技术，汽车制造商能够提供更安全、更可靠、更智能的车辆，满足消费者日益增长的需求。
正如德国汽车工业协会VDA 450标准所强调的，‘在供电系统中实现快速关断的关键设计‘是智能配电系统的核心。e-fuse技术正是这一关键设计的完美体现，它将为智能汽车的未来发展提供坚实的基础。
在‘端到端‘智驾元年，e-fuse技术将与智能驾驶技术深度融合，共同推动智能汽车的安全发展。随着技术的不断进步和应用的不断深入，e-fuse必将成为智能汽车不可或缺的关键组件，为‘聪明车‘提供‘安全车‘的坚实保障。