自从家附近的道路被划入自动驾驶公开测试道路之后，每次出去逛个超市，都会偶遇几辆擦肩而过的Robotaxi；而我正好处于这个行业中，所以时不时在某个傍晚伪装成小白路人甲，去窥探一下各家Robotaxi的能力。
当看到各家自动驾驶系统宛如一个老司机，在繁忙的红绿灯前控制车辆有条不紊的左转，在锥桶遮挡前进道路时指挥车辆从容不迫的变道。那一刻，我觉得自动驾驶离我们不远了，离我上下班可以在车里躺着睡觉的梦想不远了。
但当偶然看到各家Robotaxi后背箱被打开的瞬间，一盆凉水浇了下来。那工作温度最高只有55℃的工控机、那传输延时不可控的普通以太网、那没有做过任何DV实验的自研嵌入式板子。一切都诉说着一个残酷的现实：漂亮不能当饭吃，Demo到量产之间还有数不清的系统设计需要优化、道不明的工程能力需要提升。
（图片来源：http://tech.sina.com.cn/roll/2018-01-07/doc-ifyqinzs9917833.shtml）
当自动驾驶、智能座舱等变革技术正在将汽车这个保守的小伙子改造成阳光开朗的大男孩时，本文的主角eFuse就是被这场变革成就的“小人物”，承担起取代传统“继电器+保险丝”这对历史悠久的“黄金搭档”的重任。其之于智能网联汽车的意义，就如我之于汽车流水线的意义。
传统保险丝
一提到保险丝，我可一点没有好印象。
小时候，家里总开关还是闸刀开关。夏天，电饭煲、电风扇等用电器一起工作的时候，有时我因再开一盏灯，都可能导致家里停电。这时母亲总是会喊：“娃他爸，快去看看是不是保险丝又断了。”紧接着我就会收到来自母亲的关心：“是不是又是你小子搞的鬼，是不是皮又痒了”。
长大后，我光荣地成为主机厂一名时不时需要与保险丝打交道的零件工程师。依稀记得当时测试零件的静态电流时，整车已休眠，我也把万用表调到了mA档。此时另一位同事半路杀出，想借我的车进行另一项测试，还没等我反应过来，该朋友直接打开车门唤醒了车辆，导致整车电流增大，烧了万用表中的保险丝。每每此时，我只能用一顿烧烤来向借我万用表的同事暗示“吃人嘴短”。
一、基本原理
车辆上最常用的保险丝类型是如下左图所示的片式保险丝，花花绿绿的颜色代表了不同的规格。在整车上，它住在右图所示的大平层配电盒中，与继电器一起，共同管理着汽车这个私家庄园的供电。
（图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/56984282（左）和https://www.te.com.cn（右））
在整车线路没有出现短路时，由欧姆定律可以求出整车工作电流为I=U(R保险丝+R用电器)，其中保险丝的电阻R保险丝是一个相对确定且非常小的值。当整车出现短路时，R用电器急剧减少甚至为0，在电压U不变情况下，回路中的电流I会趋于无穷大。
根据焦耳定律：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。数学表达式为：Q=I2Rt，其中Q是发热量，I是流过导体的电流，R是导体的电阻，t是电流流过导体的时间。
因此短路会让保险丝产生大量的热量Q，且由于保险丝产生的热量无法快速的耗散，会使保险丝温度迅速升高，当温度到达保险丝熔点以上时保险丝就会发生熔断。一句话总结就是：当保险丝产生的热量Q的速度大于保险丝本身的热量耗散速度时，随着时间的积累，温度升高，保险丝被熔断。
所以熔断特性也成为了保险丝最重要的特性之一，下图是Littelfuse公司生产的某一款保险丝的熔断时间试验数据。从表中可以看到保险丝熔断时间随电流变化极大，200%额定电流时，最长5s熔断，而600%额定电流时，最长0.1s熔断，快了50倍。
二、选型原则
传统保险丝选型主要从稳态电流和脉冲电流两个维度考虑。
稳态电流维度
所需保险丝额定电流常用计算公式为：If=In/(RR*75%)。式中，If 为保险丝额定电流、In 为用电器额定工作电流、RR 为环境温度修正系数。
比如车窗电机的额定工作电流是10A，工作温度主机厂一般要求-40℃~85℃之间，此处我们按照极限工况85℃计算。下图是Littelfuse一款保险丝的温度修正系数曲线，在85℃时环境温度修正系数为91。由公式可以计算出所需保险丝的额定电流If=In/(RR*75%)=10/(91*75%）= 12A。
根据以上的计算结果，查阅产品手册，可以选择最接近且大于计算结果的15A保险丝。
（图片来源：Littelfuse芯片手册）
脉冲电流维度
在电路系统中，除了稳态电流，最常见还有脉冲电流。脉冲电流的特点是电流大但是持续的时间较短，这种电流往往是在用电器刚启动的那一瞬间产生。车上大多数用电器在汽车的整个生命周期中往往会经历数万次启动，所以保险丝需要能承受一定大小的脉冲电流。
根据脉冲电流选择保险丝的方法如下：
（1）假如每次我们打开近光灯时都会产生一个50A持续时间为10ms的脉冲电流，此时焦耳积分值I2t = 50A*50A*0.01S =25A2S；
（2）按照选型值为计算值30%的原则，可求得对选型芯片的I2t值要求为I2t = 25/30% = 83 A2S；
（3）查阅芯片手册，如下图所示，在83 A2S附近，我们可以选择0297010这款型号的产品，并计算得到相对I2t = 25/93 = 27%；
（4）此时我们可以通过相对I2t去查询保险丝可承受的脉冲次数，如果可承受的脉冲次数符合要求（根据每种用电器的使用频率，每种用电器的脉冲次数值会不一样），那该款保险丝可作为预选保险丝，再结合其他参数进行最终的确认。
（图片来源：Littelfuse芯片手册）
以上仅仅是保险丝选型需要考虑的两个方面，除了这两个方面还有其他的因素也影响着保险丝的选型，比如浪涌电流等。
相信通过上面的介绍，电器相关的工程师不会再疑惑为什么《电器调查表》需要填写那么多电流相关的信息，这些信息除了了解整车的能耗外，还对保险丝以及线束的选型具有很重要的参考意义。
智能eFuse
传统保险丝的好处显而易见，便宜到几毛钱，可靠到在汽车上应用了几十年，所以通常情况下是找不到理由和动力去革新这颗“小螺丝”的。但谁曾料到，近些年成长起来自动驾驶、软件定义汽车等变革技术残忍到连这颗“小螺丝”也不放过。
对于自动驾驶来说，电源故障可能意味着车辆转向、制动、加速、乘员保护等功能的丧失，而这必将导致灭顶之灾。故自动驾驶对电源系统的功能安全等级要求势必十分严苛，而已有文章分析指出：传统保险丝无法满足自动驾驶对功能安全的要求。
同时传统保险丝作为一个纯电气性质的零件，不具有监控和诊断功能，也就无法做到早发现早治疗。而不可编程性，导致功能一旦设计完成，其一辈子也就这样了，没有了通过OTA进行逆天改命的机会。这又不符合“软件定义汽车”理念中车标都要支持FOTA的宗旨。
这个时候，一种叫做电子熔丝（eFuse）的“小人物”出现在人们的视野。同时各大主机厂在乐此不疲、声势浩大的竞品拆解对标中发现，特斯拉从2017 年量产的Model 3开始，竟摒弃了传统“继电器+保险丝”的“黄金搭档”方案，率先开始了eFuse的应用。
2022年了，我们遗憾的发现，特斯拉还是唯一使用eFuse的主机厂。难怪业内普遍认为：特斯拉的电子电气架构领先大众和丰田至少六年。这让我想起了电影《美人鱼》中的一句歌词：无敌是多么的寂寞。
一、基本原理
eFuse本质上是一种集成电路，通过在单芯片上集成MOSFET、驱动、检测电路、逻辑电路、诊断等模块，提供一种供电电路保护的半导体解决方案。
（图片来源：英飞凌芯片手册）
当eFuse串联进主供电电路时，其工作方式类似于传统保险丝，能够检测过电流和过电压情况并对其做出快速反应。发生过载情况时，设备会将输出电流限制为用户定义的安全值。如果异常过载情况持续存在，则设备将进入打开状态，从而断开负载与电源的连接。过载电流限制可以通过一个外部电阻器进行编程。
下文以英飞凌BTS7002这款eFuse芯片为例，介绍eFuse在整车供电系统上的一个应用实例。芯片手册上给出的一种应用原理图如下图所示，蓝框为英飞凌eFuse芯片，红框为MCU芯片。
（图片来源：英飞凌芯片手册）
eFuse芯片各PIN脚定义如下表所示：
eFuse芯片工作真值表如下所示：
通过芯片工作真值表可以看出，结合IN、DEN、Internal Latch的高低电平可确认芯片的真实工作状态。其中IN、DEN是由MCU进行控制，Internal Latch是芯片内部的状态。MCU可外接一个ADC的接口获取IIS的值，该值在不同的状态会不同；比如说短路、开路等故障下IIS的值会表现的不一样，与此MCU可通过该值设置不同的错误处理逻辑以及上报对应的故障码。
针对该款芯片，官方给出的功能清单有：（1）适用于驱动阻性、感性和容性负载；（2）可取代继电器、保险丝和分立电路；（3）适用于驱动加热的负载、直流电机和整车配电。可提供的保护功能有：（1）高温保护；（2）过流保护；（3）过压保护；（4）低压保护。可提供的诊断功能有：（1）负载电流检测；（2）开路电流检测；（3）短电源和短地检测。
二、eFuse的优点
（1）节省空间。eFuse通过集成在PCB板上，相比于现在至少需要单独两个配电盒（前舱和乘员舱各一个），可以节省不少空间，对本就捉襟见肘的车内布置空间来说是一大福音。
（2）相比传统保险丝通过不可逆的自毁方式保护整车的用电线路，eFuse具备自恢复的能力。这也就意味着eFuse因过压、过流、低压等电路异常损坏的概率极小，不考虑芯片本身的故障，eFuse几乎可以用到车辆报废。所以从这个维度来看，eFuse还能侧面减少整车生命周期的维修成本，提供更好的用户体验。
（3）提高功能安全。高等级自动驾驶对关键供电线路的功能安全等级要求一般为最高的ASIL D。采用传统“黄金搭档”方案很难达到此要求或者需要付出极大的代价，而让一颗半导体芯片达到ASIL D，这是芯片巨头的强项。
（4）诊断功能。通过对每一条供电线路进行检测和诊断，可以提早发现故障，减少重大故障发生的几率。
（5）在线升级。通过在线升级可以灵活调整功能逻辑、及时修复BUG。
三、eFuse的劣势
（1）单个eFuse的成本高。十几块的eFuse相比几毛钱的保险丝，谁用谁败家。但是莱特定律告诉我们：产量每累计增加一倍，成本价格就会下降15％。现在是缺点，产量达到一定规模就是优点。
（2）更换成本高。一旦坏掉（虽然硬件失效的概率极小，但不排除百万分之一坏的可能），需要连着整个控制器都一起换，更换一个控制器的成本是一个保险丝的几百上千倍。
写在最后
前段时间听到比亚迪在日本准备开4S店的消息，异常兴奋。传统燃油车时代，我们没能用市场换来技术，换来的是国民的集体吐槽。电动车时代，我们押对了赛道，在三电技术上小有成就。进入到智能化时代，我们又在急速狂飙、引领风骚。
电动化+智能化成就了eFuse这样的零部件“小人物”，也将成就你我这样从事这个行业的“小螺丝”，更将成就中华民族期盼已久的汽车强国之梦。
参考资料：
车用保险丝的选择
https://zhuanlan.zhihu.com/p/514296128
eFuse（电子熔丝）增强汽车系统的可靠性
https://mp.weixin.qq.com/s/sxISiSwDpA5hfV0D12XFjQ
特斯拉为什么要“干掉”保险丝和继电器？
https://mp.weixin.qq.com/s/24WvCMvohuBVJvQZGt6ZMw
联系客服
