電動汽車低壓系統一級配電eFuse技術應用中的關鍵問題及對策研究

摘 要：隨著電動汽車智能化水平不斷提升，傳統低壓電路保護手段難以滿足日益增長的功能安全需求。電子保險絲（eFuse）憑借其反應速度快、可重復使用、參數可調等多重優勢成為新一代電動汽車一級配電系統的理想選擇。文章首先介紹了eFuse的基本工作原理及其在現代汽車領域的應用現狀，并重點分析了電動汽車低壓一級配電eFuse技術應用中器件選型、參數整定、電磁兼容性設計以及系統集成等關鍵問題，提出相應的優化對策，為eFuse在電動智能汽車中的大規模推廣應用提供參考。

關鍵詞：電動汽車 低壓系統 一級配電 eFuse 關鍵問題 對策

在以純電驅動為主流的智能網聯汽車快速發展的大背景下，新一代電動汽車的電子電氣架構日趨復雜，傳統的機械式保險絲+繼電器組合方案在故障響應速度、在線診斷與維護等方面逐漸難以適應日益提高的要求。作為實現車載智能化電源管理的核心器件，eFuse技術在現代半導體工藝革新與車規級功能安全架構的雙重驅動下，為新能源汽車低壓配電系統的電路保護提供了一種全新的解決思路。國際新能源車龍頭企業特斯拉率先在其Model 3車型中大規模采用eFuse方案，但多數整車廠仍處于技術研發驗證階段。eFuse在電動汽車一級配電系統中的產業化應用尚需攻克器件可靠性、系統集成等一系列關鍵技術問題。

1 電動汽車低壓系統一級配電eFuse技術概述

1.1 eFuse的基本原理及優勢

eFuse（Electronic Fuses，電子保險絲）本質上是一種應用于電力電子及車載電氣領域的新型智能化集成電路器件，其核心是通過精確控制內部高性能MOSFET功率開關管的導通狀態，實時監測負載電流的變化，并根據設定的參數閾值實現高速、可重復的過流保護功能。此外，eFuse還集成了電壓檢測、芯片溫度監控等多種狀態監測功能，可實現對負載的實時故障診斷。與傳統的機械式熔斷保險絲相比，eFuse具有響應時間快（通常小于1μs）、可多次復位使用、保護參數可靈活調節、體積小、多功能集成度高等顯著優勢。以業界知名的英飛凌公司TLF35584車規級智能高低壓eFuse芯片為例，該器件可實現高達20A電流的連續可調限流保護，且恢復時間可編程設置，多參數熔斷觸發如表1所示[1]。

1.2 eFuse技術在汽車領域的發展現狀

作為國際新能源汽車行業的領軍企業，特斯拉公司早在2017年推出的Model 3車型中就率先大規模應用了eFuse技術，實現了對全車12V低壓電氣系統的智能化保護與管理。隨后，特斯拉在其Model Y、Cybertruck等后續車型中持續推廣和迭代eFuse方案，引領行業技術變革潮流。相比之下，傳統整車企業在eFuse技術的應用進程中略顯謹慎，多數尚處于技術研發、小批量驗證階段。例如大眾汽車基于其MEB平臺開發的下一代電動車型計劃于2020年代中期導入eFuse技術。在國內市場，蔚來、小鵬、理想等造車新勢力企業也紛紛表達了在其下一代整車平臺中應用eFuse的意向。值得一提的是，意法半導體（STMicroelectronics）近期推出了創新的VNF1x48 eFuse IC與低壓MOSFET解決方案。該方案將高集成度的eFuse控制器與先進的車規級低壓MOSFET相結合，可以顯著提升系統設計的靈活性和可靠性，同時降低整車線束復雜度和成本。這一方案有望加速eFuse技術在汽車行業的普及應用。2025年標桿方案對比如表2所示。

1.3 eFuse在電動汽車低壓一級配電系統中的應用形式

縱觀當前業界eFuse器件及方案，其在車載系統中主要呈現出分立器件及單芯片高度集成兩種技術實現形式。分立式eFuse方案采用標準化的封裝器件，電路設計相對簡單，成本較低，但其功能可編程性受限，且在電磁兼容性（EMC）設計方面難度較大[2]。以英飛凌公司的AURIX系列車規級MCU為代表的高集成eFuse方案可在單芯片內實現包括過流保護、電源管理、LIN總線控制、CAN通信網絡診斷等多種功能的無縫集成，大幅簡化了整車線束設計，但相應的器件成本較高。目前，eFuse在整車低壓配電系統中的具體拓撲結構和實現方案尚無定論，仍需要整車企業根據其E/E架構及成本效益等因素進行統籌規劃和設計。

2 電動汽車低壓系統一級配電eFuse技術應用中的關鍵問題

2.1 器件選型問題

當前市場上可供選擇的eFuse芯片型號和規格繁多，不同的應用場景對器件的關鍵特性參數如導通內阻、靜態功耗、功能集成度、EMC性能以及成本等提出了差異化的要求。例如在高壓大電流負載回路的過流保護中，設計者通常選擇分立式封裝的eFuse器件以獲得更優的散熱性能和更低的導通損耗。而在面向整車的集中式配電控制場景，eFuse則需要集成電源管理、通信總線控制、故障診斷等多種功能，對器件的集成度提出了更高要求。此外，部分eFuse器件作為定制化的車規級產品，其供貨周期較長，難以完全滿足整車企業快速迭代開發的需求，如何在前期設計中統籌兼顧器件性能、成本與供應鏈安全是一大挑戰 [3]。

2.2 參數整定問題

作為一種智能化的過流保護器件，eFuse的參數整定涉及諸多關鍵因素，如負載額定工作電流、過流保護觸發閾值、故障響應時間、復位條件等。在實際應用中，這些參數的設定需要在保護靈敏度和誤動作抑制能力之間進行平衡優化。一方面，eFuse需要能夠快速、準確地檢測到危險的過載故障工況并及時切斷電路，避免災難性的后果。另一方面，負載啟動涌流、瞬態浪涌干擾等正常工況不應觸發eFuse的誤保護動作，以提高系統可用性。此外，eFuse保護參數的整定還需考慮負載特性隨溫度等工況的變化、器件長期工作的參數漂移等現實因素，而這類復雜場景下的整定工作目前尚缺乏成熟、系統化的理論方法和仿真工具支撐。

2.3 EMC設計問題

相較于傳統的電阻式或可熔斷式保險絲，eFuse作為一種高速功率開關器件，其靈敏的高頻開關特性在抑制過流故障的同時，也可能在電源線上引入難以避免的電磁騷擾。尤其在高壓、大電流負載的驅動回路中，eFuse的開關di/dt幅值可能較大，須采取周全的電磁兼容性設計對策方能避免對毗鄰敏感器件的干擾[4]。在實際設計中，eFuse器件布局布線的合理性、開關電流回路的最小化、良好的接地和屏蔽設計等諸多因素均會顯著影響系統EMC性能。此外，在存在多路eFuse器件的復雜系統中，如何協調不同eFuse單元在開關瞬間的EMI疊加是一個頗具挑戰的課題。

2.4 系統集成問題

作為一種在汽車領域興起的創新型智能器件，eFuse在ISO 26262功能安全標準的達成、車載通信網絡拓撲的融合、故障診斷策略的制定等方面仍缺乏成熟的行業規范與標準。不同eFuse單元之間的級聯式分級保護機制、標準化通信及診斷協議等關鍵技術有待進一步創新與驗證。此外，在當前電動汽車主流的集中式域控制架構下，嵌入eFuse方案通常意味著需要對既有的整車E/E架構進行軟硬件層面的升級改造，相關開發成本不容忽視。最后，eFuse面向未來智能電動汽車需長期工作在高溫、高濕、振動等惡劣工況下，對器件的長期可靠性提出了遠高于消費類電子的苛刻要求，這對整個產業鏈從器件到封裝再到系統集成的可靠性設計能力都是一大考驗。

3 電動汽車低壓系統一級配電eFuse技術應用對策

3.1 優化器件選型，提高適用性和可靠性

針對電動汽車低壓系統中不同類型負載的電氣特性差異，有針對性地選擇分立式或高度集成的eFuse器件方案。對于需要重點保障的關鍵器件，應優先選用通過AEC-Q等車規級可靠性認證的產品，以適應惡劣工況的長期工作需求。鼓勵eFuse方案供應商與整車廠開展定制化開發合作，縮短供應鏈環節，提高響應速度和產品契合度。在具體選型時，建議將電源管理、LIN/CAN通信等功能盡量集成到單一的微控制器（MCU）芯片內，以減少器件總量，提高系統可靠性。生產供貨階段則應采用加強篩選、加速壽命試驗等手段，對eFuse器件進行嚴格的篩選與老煉，進一步提升產品質量與成品率，極端工況測試如表3所示。

3.2 合理整定參數，平衡保護靈敏度和誤動率

建立完善的eFuse保護參數整定流程，首先需要通過對系統進行建模分析，精確識別各類負載在啟動涌流、堵轉等瞬態工況下的典型電流波形特征。在此基礎上，合理劃分故障的嚴重等級（如預警、限流、斷開），并匹配不同等級對應的eFuse保護動作邏輯。應充分挖掘eFuse多參數可調的特性優勢，開發自適應整定策略，根據故障類型與嚴重程度，動態優化觸發閾值、響應時間等關鍵參數。同時，建議開發專用的參數整定工具軟件，支持根據仿真與實測數據進行快速迭代優化，在故障檢測的靈敏度與誤動作抑制能力之間尋求最佳平衡點[5]。

3.3 加強EMC設計，確保電磁兼容性

在eFuse器件與外圍驅動電路的PCB設計中，應優先考慮合理的板級布局布線，對電源、地、信號等關鍵網絡進行針對性優化。采用緊湊的布線策略，最小化開關電流環路面積，抑制寄生電感耦合。高低壓信號走線應嚴格隔離，并對eFuse的驅動信號及采樣反饋信號線進行必要的屏蔽處理。對于功率密度較高的場合，宜在eFuse器件輸入端外掛RC或LC型濾波電路，抑制高頻開關噪聲的傳導。在系統集成階段，應統籌優化eFuse器件的拓撲連接結構，避免因不當布局引起的電磁耦合干擾。并通過與整車的協同仿真，對eFuse在特定線束布置下可能產生的輻射騷擾，制定有針對性的抑制方案。

3.4 優化拓撲結構，實現智能化集成

面向未來智能化電動汽車的一級配電系統，eFuse器件應結合車載高壓與低壓網絡的功能域劃分，對負載回路進行分區域、分級別智能保護，實現更精細化的能量分配管理策略。電池管理系統（BMS）、DC/DC變換器等重要節點的eFuse器件應盡量布置在靠近負載設備的分支末端，縮短布線長度，降低線纜阻抗。車載通信網絡應基于雙絕緣CAN總線等高可靠物理層，實現eFuse監控、控制、故障診斷等功能的無縫集成。對關鍵的eFuse單元應設置硬件冗余，提高系統容錯能力。同時，整車eFuse系統應預留遠程升級接口，支持軟件的空中下載（OTA），實現故障修復與功能擴展。

3.5 完善診斷策略，增強故障定位和隔離能力

智能化的eFuse器件應具備實時診斷與故障記錄等先進功能，通過內置的檢測電路對負載電流、電壓等關鍵參數實施持續監測。一旦發生故障，eFuse應能夠快速判斷故障類型和嚴重等級，并采取相應等級的保護動作，如報警提示、限流控制或直接切斷故障回路。通過在eFuse中集成CAN收發器、LIN 收發器等通信接口，可實現與整車故障診斷系統的信息交互，實現故障點的精確定位。此外，應進一步發展基于eFuse的設備健康狀態監測與預測性維護技術，及時更換性能退化的器件，消除潛在安全隱患。在復雜的網絡化供電架構下，還應開發智能化的多eFuse協同管理策略，使故障發生時相鄰的eFuse器件能快速識別并隔離故障支路，避免局部失效演變為災難性的級聯故障。

4 結語

隨著自動駕駛、48V系統、中央控制線束化等技術的不斷發展，eFuse有望成為新能源汽車低壓一級配電系統的新寵。據預測，中國eFuse市場規模有望從2023年的13億元人民幣增長到2030年的149億元，年復合增長率將達到41%。憑借軟硬件集成的優勢，汽車電子廠商將成為eFuse應用的主力軍。隨著智能汽車電子電氣架構的變革，eFuse在保護、診斷、控制、節能等方面的優勢將進一步凸顯，可以使能下一代面向智能與安全的車用電源管理系統。eFuse作為智能汽車電子電氣架構變革的重要組成部分，其廣闊的應用前景正在吸引越來越多業內人士的關注。

參考文獻：

[1]胡曉明，晏穎.電編程熔絲的冗余備份及修正設計策略[J].電子與封裝，2024，24（10）：77-84.

[2]王錦任，王家佳，趙晨陽，等.eFuse器件的電遷移三維有限元仿真[J].半導體技術，2023，48（07）：577-584+599.

[3]晏穎，曹玉升，張睿.eFuse失效分析與可靠性電路設計[J].電子技術應用，2023，49（01）：26-31.

[4]晏穎，張睿.eFuse熔絲電阻值的測量方法[J].電子與封裝，2022，22（10）：22-29.

[5]張黎.轉工藝版EFUSE＿TQV版圖的特殊設計及驗證[J].中國集成電路，2021，30（11）：56-60.