介绍车身控制模块中的失效保护方法

　　在今天的车身控制模块（BCM）设计中，有见识的工程师机都尽可能不再使用机电式继电器。BCM具有以下发展趋势：越来越多的车身电子设备在车身得到应用，使得BCM控制对象更多；各电子设备的功能越来越多，各种功能都需要通过BCM来实现，使得BCM功能更加强大；各电子设备之间的信息共享越来越多，一个信息可同时供许多部件使用，要求BCM的数据通信功能越来越强；单一集中式BCM很难完成越来越庞大的功能，使得总线式、网络化BCM成为发展趋势。

　　今天的 BCM由大量的固态开关和熔断器组成。某些 BCM有多达8-12个蓄电池馈路，为60-80个负载提供电源，每个电池馈路都装有熔断器，这就是说，BCM负载（车灯、门锁等）是由驱动器组驱动的，每个驱动器都有一个熔断器。为了安全起见，或只是因为负载电流太大，无法均衡分配，有些负载需要单独配备熔断器。熔断器也被称为保险丝，IEC127标准将它定义为"熔断体（fuse-link）"。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用普遍的保护器件之一。

　　图 1. 福特BCM

　　熔断器

　　熔断器是一种过电流保护器。熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔断器主要由熔体、外壳和支座3 部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。

　　图2：一个早期汽车熔断器应用实例 （Gary Larson画）

　　熔断器的工作原则是一个简单的I2R与时间的关系。电流越大，熔断或开路时间越短。利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。熔断器结构简单，使用方便，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。

　　图3：I2-t 特性比较

　　安装位置

　　关于熔断器从BCM模块凸出来的问题，有点像房地业的三条规则：位置、位置，还是位置。如果模块有凸出来的熔断器，模块就必需放在车主能够检修的位置。线束布线和模块方向，以及熔断器必须放在模块的什么地方，是令人头疼的问题。下图所示的福特BCM在 CEM3上安装一个灵活的电路板后，才能把熔断器置于模块的“边缘”。

　　图4：在福特BCM内部的熔断器连接端口阵列

　　汽车制造商在给这些BCM模块/熔断器单元寻找位置方面具有相当高的创新力。我曾在仪表板和发动机盖下和踏脚板内（前车门铰接区的右侧）看见过BCM模块，甚至还在后座下面看见过BCM模块。

　　这还不算完，你还要解开哪一个熔断器号对哪一个功能的哑谜，熔断器面板除提供几行编号外，没有任何标记。真地像猜谜比赛，除了分值之外，你不能告诉选手任何信息。你只能不断地猜测，直到找到失效的熔断器号为止。

　　固态熔断器可解决很多问题

　　熔断器可能会因为没有明显原因而熔断，熔断器的容错能力非常差，哪怕是轻微的短路都会熔断。当你发现硬币并将其取出时，熔断器不会复位。

　　如果BCM模块上没有熔断器，安装位置就不是这样问题了。把BCM模块安装在后座下面，不必钻到仪表板下检修BCM模块，这对我来说就不再是一个太大的问题。熔断器主要由熔体、外壳和支座 3部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。熔体的材料、尺寸和形状决定了熔断特性。熔体材料分为低熔点和高熔点两类。低熔点材料如铅和铅合金，其熔点低容易熔断，由于其电阻率较大，故制成熔体的截面尺寸较大，熔断时产生的金属蒸气较多，只适用于低分断能力的熔断器。高熔点材料如铜、银，其熔点高，不容易熔断，但由于其电阻率较低，可制成比低熔点熔体较小的截面尺寸，熔断时产生的金属蒸气少，适用于高分断能力的熔断器。熔体的形状分为丝状和带状两种。改变变截面的形状可显着改变熔断器的熔断特性。

　　不让汽车自燃或提供更多保修故障的解决方案

　　因此，这种解决方案必须可靠，在应用系统内性能优异，几乎没有任何成本。

　　今天的固态开关因为保护形式简单，有一点以自我为中心。这就是说，它们更加关注自我保护，而不是保护外围元器件。固态开关有过热和超负载保护电路，当因输出短路而限制负载电流时，这种元器件是的选择。

　　图5：智能上桥臂开关与熔断器性能比较

　　像硬短路一样的短路事件比较容易保护，例如，受驱动器限制的负载电流。在这种情况下，功耗不是I2R的结果，而是驱动器上的电压降与相应的限流的结果。这是一个高功耗事件，大部分功耗发生在智能开关上而不是线束上。

　　车身模块中的大多数负载是灯泡。灯泡有一个很难处理的特性：涌流，我们了解并喜欢这个特性。涌流要求强迫固态开关的限流值远远高于稳定状态开关操作所需的限流值。我所说的一切都是为了说明：当没有发生严重的硬短路事件时，这些高涌流的元器件准许异常高的稳态电流在线束内流动，这就是固态开关保护自我而不保护所在系统的情况。

　　在图5的示例中有一个点，智能开关 （VN5010）将继续前行，而电线将开始自毁（红线在蓝色虚线上方）。如果这种情况是真实的，甚至连电路板都可能会自毁。现在考虑到涌流要求很可能更加严格，我们开始意识到有必要开发一个能够仿真熔断器特性的保护算法。

　　在用一个“大熔断器”保护多个上桥臂驱动负载的应用中，有些问题需要考虑。在这些应用中，“大熔断器”的电流处理功能可能高于任何一条被保护的线束。因此，当一条电线上出现“软短路”时，如果上桥臂驱动器十分强健，能够处理更高的短路电流和熔断保护功能，那么线束或电路板可能会自毁。

　　图6：当智能开关只能自我保护时的后果

　　该解决方案是实现一个能够仿真熔断器的I2-t特性的智能电路保护算法。这个概念可转化为“曲线下面积”。在下图（图 7）中，曲线下面积（A区）是保护算法的I2-t界限内。B区所示是在一段时间内的恒定超负载条件，其中，超负载电流小于智能开关的限流值。

　　图7：超负载与功率限制区比较

　　可能存在一种特殊的瞬间过流状况：瞬间过流超出曲线与A区交接的界限，但是“曲线下面积”不足以产生错误开关条件。在下图中（图8），这个错误是很严重的，但是因为时长太短，不足以产生错误开关条件。

　　图8：瞬间错误不会产生错误关断状况

　　这种保护算法准许出色多个涌流，同时不会强制系统处理比正常高出很多的稳态电流。因此，这种算法提供一个强健的保护功能，既可以保护开关本身，又可以保护被开关驱动的线束。

　　利用一个升降序计数器，可以在芯片上实现这个算法，控制该升降序计数器的是流经开关的电流的平方（图 9）。

　　图9： i-t 限制控制环路

　　计数器的方向由参考电流确定。当检测电流高于参考电流阈值时，计数器升序计数，速率与检测电流和参考电流的差的平方成正比。当检测电流低于参考电流阈值时，计数器以固定值降序计数。

　　这个阈值涌流要比电线的电流处理能力略低（如图5所示，小于14A DC）。计数器一旦达到某一个预设值后，输出就会被立即关断。因为这种算法是利用熔断器型的特性保护电线，所以直到微控制器重新初始化，将输出重新导通之前，驱动器始终保持关断状态。

　　图10：采用保护算法的外推i2-t曲线与电线和熔断器比较

　　实现这种保护方法的智能开关系列产品的应用，可降低给定车身电子模块的线束成本，限制熔断器的数量，同时提高可靠性和安全性。

　　当短路输出终烧毁了她的BCM时，车厢内充满了刺鼻的烧焦味，如图6电路板所示，该车的车主买了一辆新车，有同样遭遇的车主不是很少。弥补一辆价值 3000美元的汽车的置换损失需要很多个模块。