汽车分区控制架构下的电气保护策略研究

汽车分区控制架构下的电气保护策略研究

随着现代汽车技术的持续迭代，其电气与电子（EE）架构需同步优化，以高效应对不断攀升的电力需求。传统分布式及域控式控制系统在系统复杂度、布线冗余、通信效率瓶颈等方面的局限性日益凸显，已难以适配当前汽车技术的发展节奏。分区控制架构通过将电子控制单元（ECU）按物理区域整合、优化功率分配机制、精简布线布局并提升系统稳定性，成为解决上述痛点的核心方案。

本文重点探讨汽车电子架构向分区控制转型的核心逻辑、分区控制模式对车载电源管理系统的影响，以及保障下一代汽车电子系统安全、稳定、高效运行的关键电气保护技术与实施策略。

1 更智能、更安全、更互联：汽车电子架构的迭代方向

现代电动汽车广泛集成了先进的主动安全、智能便利及车联网功能，对电子控制单元（ECU）的依赖度大幅提升。目前，高端车型搭载的ECU数量已突破150个，传统控制架构已无法满足高效、可扩展的控制需求，推动汽车电子控制系统从单层设计逐步演进为多层架构，具体可分为三个阶段：

- 分布式架构：早期汽车电子系统的主流形式，每个ECU独立与主控制器建立通信，功能相对单一，布线分散；

- 域架构：引入域控制器对特定功能模块进行集中管理，有效减轻主控制器的运算负荷，提升功能模块的协同效率；

- 分区架构：将车载ECU按照车辆物理区域进行分组，由区域控制器（ZCU）统筹管理对应区域内的所有电子功能，实现区域内资源的优化配置。

图1 汽车控制架构的演变

分区架构具备车辆响应速度更快、模块化可扩展性更强、高速以太网通信支持更完善、布线复杂度显著降低等优势，进而大幅提升车辆运行安全性。但需注意的是，从分布式或域控式系统向集中化程度更高的分区架构转型，需重新构建分布式电源管理体系。如何实现跨区域可靠配电，同时兼顾能源利用效率、规避电气安全隐患，已成为分区架构设计过程中的核心考量要点。

2 依托分区控制提升电动汽车的效率与可靠性

分区控制架构可有效优化电动汽车的电池管理效率、能量回收效果及动力总成运行效能。区域控制器（ZCU）能够实时调节区域内的热管理条件、采集分析各类传感器数据，同时在过流、过压、静电放电（ESD）等恶劣工况下，保障自身及关联电子元件的运行可靠性。牵引电机逆变器、车载充电机（OBC）等动力总成核心组件，同样面临此类电气安全风险。以下将详细阐述提升各类核心电路模块可靠性的具体保护策略。

2.1 区域控制器（ZCU）的保护策略

作为分区控制架构的核心节点，ZCU需具备极强的环境适应性和抗干扰能力，以应对车载恶劣运行环境。图2为典型ZCU的电路结构框图，下文将详细说明如何保护ZCU电路免受各类电气危害，保障车辆全生命周期内的安全稳定运行，同时列出适配ZCU电路的推荐保护组件。

ZCU需重点防范电源系统故障带来的风险，例如电源异常或负载电路故障引发的过流问题。快速响应型保险丝或聚合物正温度系数（PTC）自恢复保险丝，均可为ZCU提供可靠的过流保护。其中，符合AEC-Q200标准的一次性保险丝及自恢复保险丝，能够耐受车载环境中的高低温、振动、湿度等恶劣条件，适配汽车电子的使用要求。

图2 ZCU框图

车载电源系统易受高瞬态电压的冲击，尤其是在电源中断时，抛负载现象会产生感应电压尖峰，对下游电路造成损坏。瞬态电压抑制（TVS）二极管或金属氧化物压敏电阻（MOV）可有效箝位瞬态电压，保护ZCU内部电路。从性能特性来看，MOV能够承受更高的抛负载能量，而TVS二极管对瞬态电压的响应速度更快，且箝位电压更低，两类元件均有通过AEC认证的适配型号，可根据实际设计需求选择。

ZCU集成了大量通信及控制接口，此类接口在车载恶劣环境下的完好性，直接决定车辆的安全运行。静电放电（ESD）和瞬态电压是威胁接口安全的主要因素，ESD二极管及聚合物ESD抑制器可为通信数据线、控制线提供针对性保护。在元件选型时，应优先选择低电容元件，以减少信号传输过程中的失真，确保分区控制架构内ZCU与各关联功能模块之间的数据可靠传输。

2.2 车载充电机（OBC）的保护策略

车载充电机（OBC）的核心功能是将交流电网电压转换为直流电压，为车载电池组充电，其工作电压范围通常为400-800V。随着高功率、快速充电技术（包括三相电源供电）逐渐成为行业标准，OBC内部各电路模块均需配置相应的保护元件，部分模块还需搭配控制元件以提升充电效率。

除车载环境特有的瞬态干扰外，OBC还面临交流电源线路带来的过载、瞬态浪涌等风险。在设计保护方案时，需按照线路供电产品的防护标准进行配置，既要保护通信电路免受干扰、避免数据损坏，也要最大限度降低内部功耗，缩短充电时长。

图3 车载充电机框图

保护电路的核心作用是拦截交流线路上的雷击、浪涌等瞬态干扰，其第一道防护线是通过保险丝实现过载保护。为确保保险丝在极端电流过载工况下能够可靠断开，需选用额定分断电流大、额定电压高的适配型号。为防范瞬态浪涌或雷击冲击，应在充电机输入接口处尽可能安装MOV，通过MOV吸收瞬态能量，避免其损坏下游电路；若OBC采用三相电源供电，还需配置MOV以实现差模和共模瞬态保护。

为进一步提升下游电路的保护效果，可将双极晶闸管与MOV串联使用。保护型晶闸管具备极低的箝位电压和较高的浪涌电流承受能力，搭配晶闸管后，可选用箝位电压更低的MOV，最终降低下游电路承受的峰值瞬态电压，提升防护可靠性。

气体放电管（GDT）可作为第四道保护元件，为OBC电路提供更全面的防护。GDT在火线、中性线与车辆底盘接地之间形成高度电气隔离，能够有效抵御雷电干扰引发的快速瞬态冲击。剩余电流监视器可实时检测交流/直流泄漏电流或绝缘击穿电流，其感应直流差值为6mA、交流差值为10mA，可及时发现电路绝缘异常，规避安全隐患。

整流器模块需选用具备高电流处理能力的晶闸管，以提供稳定的电源输出，同时安全承受通过保护模块及EMI滤波器的浪涌瞬态电流。功率因数校正电路通过降低总交流功耗提升充电效率，在电感调节过程中，需搭配栅极驱动器和绝缘栅双极晶体管（IGBT），选型时应优先考虑电压范围适配、抗闩锁能力强、开关速度快的产品，以最大限度降低功率损耗；同时，需通过内置或外置ESD二极管提供ESD保护，确保元件能够承受高达30kV的瞬态电压冲击。

DC/DC转换电路负责提升充电电压并为电池组提供稳定电流，为减轻Ldi/dt效应带来的影响，可在IGBT集电极与栅极之间配置TVS二极管，保护功率IGBT免受瞬态电压损坏。这种将TVS二极管作为集电极-栅极反馈元件的方式称为有源箝位技术，能够有效维持IGBT的工作稳定性，目前部分IGBT已内置有源箝位TVS二极管，可简化电路设计。

在电机启停或电缆断裂导致电流瞬间中断时，OBC输出电压级可能需要配置电流过载保护及车载瞬态电压保护；若其他关联模块已集成相关保护功能，可根据实际情况省略此处保护配置。针对电池组或电池电压传输线路短路引发的过流风险，可考虑配置保险丝；通过MOV或TVS二极管，可防范潜在的破坏性瞬态电压冲击。

OBC控制单元与ZCU之间存在通信交互，为避免通信电路模块损坏及数据传输异常，需对输入/输出线路提供ESD及瞬态电压保护。用于保护ZCU CAN总线的ESD二极管，可直接适配OBC控制单元I/O线路的保护需求。通过上述保护策略的综合实施，可显著提升OBC的抗电气危害能力，图3汇总了各模块的推荐保护组件。

2.3 牵引电机逆变器的保护策略

牵引电机逆变器的核心功能是将车载电池的直流电转换为交流电，为牵引电机提供动力驱动，其运行稳定性直接决定车辆的推进安全、效率及可靠性。图4为牵引电机逆变器的电路框图，下表列出了各模块推荐的保护、控制及传感元件。

图4 牵引电机逆变器框图

与ZCU电路的电源保护逻辑类似，牵引电机逆变器的电源模块同样需要配置过流及瞬态电压保护，保险丝与TVS二极管的组合可提供可靠的基础防护。CAN收发器易受ESD干扰，需配置ESD二极管阵列实现ESD防护，用于ZCU CAN/CAN FD电路的TVS二极管阵列，可直接适配牵引电机逆变器CAN收发器的保护需求。

栅极驱动器电路负责控制功率晶体管的开关动作，栅极驱动集成电路可精准控制IGBT、SiC MOSFET等功率晶体管的开关时序，最大限度降低功率损耗、提升运行效率。为保护栅极驱动集成电路免受ESD损坏，需配置ESD二极管阵列，实现ESD能量的安全吸收。

逆变器模块为牵引电机提供动力驱动，为确保其可靠运行，需对功率晶体管实施过流、电压瞬变及热保护。为防止功率晶体管在高温环境下损坏，需配置热保护器等装置，在温度达到危险阈值时，及时中断功率晶体管的供电电流，避免元件烧毁。

当选用SiC MOSFET时，需在MOSFET栅极与源极之间配置TVS二极管，防范瞬态电压对元件的损坏；对于IGBT，则需在集电极与栅极之间配置TVS二极管，抑制集电极电压瞬态上升带来的损坏风险，将集电极-栅极电压箝位在IGBT的安全工作范围内。该保护方式与OBC电路中IGBT的保护逻辑一致，均属于有源箝位技术的应用。

对电机负载电流的实时监测，可精准反映电机的运行状态。目前，基于霍尔效应技术的电流传感器是监测电机负载电流的主流选择，该技术通过磁性检测原理感应负载电流，负载电流线路穿过霍尔效应传感器的开孔或下方，可实现对电机电流的隔离监测，且不会增加电路的功率损耗，适配牵引电机的运行需求。

3 保障ZCU与动力总成的可靠运行

随着汽车电子架构向分区控制模式转型，ZCU、车载充电机（OBC）及牵引电机逆变器的运行可靠性，直接决定车辆的安全性能与运行效率。合理配置过流、过压、热保护等元件，可显著提升上述核心模块在车载恶劣环境中的耐用性与稳定性。

在实际设计过程中，与电子元件制造商的应用工程专家开展合作，可获取高性价比的保护、控制及传感解决方案建议，有效简化开发流程；同时，借助预合规性测试，可助力产品符合汽车行业相关标准，减少认证环节的延误，推动分区控制架构在电动汽车中的规模化应用。