新能源汽車行業分析研究1.引言特斯拉2017年在Model3車型用eFuse替代低壓繼電器+熔斷器，雖然多數車企eFuse還暫未上車，但我們認為智能化領先的車型有望在新一代車型中應用eFuse。eFuse在電動車智能化中起到重要用，并在低壓電路12V→48V升級中使用個數提升。本篇報告從eFuse工作原理出發，聚焦幾個方面：EV智能化程度提升，eFuse實現智能配電；12V→48V，功率上限提升，需要更多eFuse；eFuse單車用量等。2.eFuse：更主動更智能的電子熔斷器eFuse是一種集成電路，提供電路保護半導體解決方案eFuse是一種集成保護電路，用于在故障情況下將電路電流、電壓限制在安全水平。eFuse是一種有源電路保護器件，帶有集成FET。eFuse通過測量已知電阻器上的電壓來檢測電流，在電流超過設計限值時，通過場效應晶體管(FET)切斷電流。負載電流通過FET和一個檢測電阻器，并通過該檢測電阻器上的電壓進行監控。當該電壓超過預設值時，控制邏輯會斷開FET并切斷電流路徑。eFuse嵌入多種保護等功能，通常很難用分立元件來實現。eFuse嵌入了各種功能來保護系統免受浪涌電流、過流、過壓、反向電流、反極性和短路故障的影響。eFuse更準確、更快，并且可以在無需用戶干預的情況下自行修復。不僅僅是保險絲，內置保護功能解決電路故障eFuse不僅僅是保險絲，且內置許多保護功能以解決電路故障。eFuse含集成控制器的功率MOSFET和許多內置保護功能，包括過壓、過流對電池短路和熱保護、診斷功能如電源自檢、電流監測和故障/啟用等。在解決方案上，eFuse集成過流、過熱和過壓保護，通過防止損壞連接器、PCB走線和下游組件，來提供保護用于熱插拔情況和常見電源故障或負載故障的應用，以及任何需要浪涌/浪涌電流限制的系統。eFuse具有傳統熔斷器大電流保護功能，且有過壓保護、可編程性等優勢熔斷器是一種過電流保護器，使用時將熔斷器串聯于被保護電路中，當電流超過規定值并經過一定時間后，由熔體自身產生的熱量熔斷熔體，使電路斷開，從而起到保護的作用。eFuse除了有傳統熔斷器的過大電流保護功能，還具有以下新功能：過壓保護：借助一些額外的電路，eFuse還可以提供過壓保護，以防止浪涌或感應跳閘，即當輸入電壓超過設定的過壓跳閘點時，切斷FET并在過壓條件持續期間保持在斷開狀態。反極性保護：eFuse還可以提供反極性保護，如果電源反向連接，則迅速切斷電流。例如汽車電池因電纜意外接觸而短暫的反接。可編程性：可編程過電流保護和開啟時間。與傳統保護器件相比，eFuse可對通過電流閾值、啟動時間等保護參數進行靈活、簡單的編程。eFuse無需更換，有更高精度，且有更多集成功能節省空間相較于傳統熔斷器，eFuse優勢突出。電子保險絲比傳統熔斷器具有多種優勢：無需更換，減少了維護成本和時間：由于內置的FET被關斷以切斷電流，因此eFuse不會被單次過電流破壞。如果FET再次導通，通過施加與之前相同的電流，可以恢復正常工作。與不可逆熔斷的傳統熔斷器不同，它們可以重復使用，無需更換零件，降低了維修所需的成本和時間。更高的精度，準確度：電子保險絲提供精確的電流限制。它們的電流閾值可以精確設置和控制，確保對電路及其組件提供最佳保護。傳統的熔斷器利用熔斷絕緣和熱膨脹，因此關斷電流不能嚴格確定。傳統熔斷器，由于焦耳熱導致的溫度升高達到熔斷器材料的熔斷需要時間，因此從發生過電流到中斷存在時間滯后。在此期間，過電流持續流動。但是，由于eFuse可以在檢測過流的同時幾乎同時關斷開關和關斷電流，因此可以大大縮短過流發生的時間。集成功能，節省空間：eFuse是集成電路，它除了可以將過流保護功能，還可以將傳統熔斷器無法實現的過壓保護功能、沖擊電流抑制(擺率的控制)功能、過熱保護功能、反向電流防止功能等多種功能封裝在一個封裝中，節省車內安裝空間。IC（集成）方案優于分立式方案，功能更全面且更容易通過監管審批分立式元件可構建基本的eFuse，但存在較多問題。隨著有源、無源分立式器件增多，分立式器件變得笨重且容易造成單個產品間性能變化，以及引起與初始容差、元器件老化和溫度引起漂移等相關問題。分立式存在許多局限性：1）分立式電路一般使用P溝道MOSFET作為通斷元件，實現相同導通電阻值比N溝道MOSFET更貴；2）效率低，會造成二極管功率耗散及電路板溫升；3）很難為無源元件FET提供足夠的熱保護；4）分立式電路需要很多元器件和電路板空間，而實現電路穩健性、可靠性需要增加元器件。IC方案相比分立方案功能更加全面，且更容易通過監管審批。IC方案可以解決分立式方案的部分或全部功能限制，且體積小、性能更穩定，成本更低。監管審批也是分立式路線面臨的一個關鍵問題，所有傳統熱保險絲都獲得了各種監管機構標準的認可，能在適當情況下實現故障安全型的電流關斷功能。但要獲得同樣的審批，分立式解決方案非常困難且相當耗時。3.EV智能化程度提升，eFuse實現智能配電eFuse是域控制器架構的關鍵要素，可確保車輛局部ECU受到保護且穩定可靠配電架構從集中式走向分布式，模塊化配電在車輛實現區域控制架構。集中式配電架構將電能從電池分配至各個負載系統，配電裝置包括中央繼電器、保險盒。智能配電系統采用分布式架構，包含多個通過互聯網絡（LIN）或控制器局域網（CAN）相互通信的小配電中心。這種模塊化方法允許在車輛上實現區域控制架構，大幅減少線束連接數量，優化系統成本、重量，并改進電氣性能。eFuse是域控制器架構的關鍵要素，可確保車輛局部ECU受到保護且穩定可靠。域控架構下，傳統保險絲和機械繼電器可替換為更緊湊的電子保險絲(eFuse)，以提供更先進的保護功能，且將保護和開關功能集成到單個小尺寸封裝中。eFuse是局部配電方案的重要組成部分，為車輛電子控制單元（ECU)多個負載點提供關鍵的智能保護。eFuse負責保護整個車輛的傳感器、攝像頭、低壓電機（汽車座椅、車窗控制等）、前大燈和尾燈免受過流影響。eFuse優勢1：實現OTA升級，配合智能車軟件升級eFuse具有可編程的電流限值、過壓等，可配合OTA升級。電壓超過預設值時，控制邏輯會斷開FET并切斷電流路徑。對于傳統電子保險絲來說，電流水平是固定的，而eFuse的電流水平可通過外部電阻器設置。以德州儀器產品為例，TPS26620電子保險絲通常用于24V應用中，其設定的電流限值為500mA，工作電壓為4.5V至60V，最大電流為80mA，產品具有可編程的電流限值、過壓、欠壓和反極性保護功能。OTA不斷開啟新功能，eFuse可通過編輯參數配合功能升級。軟件定義汽車已經是行業內的共識，基礎硬件差異或越來越小，關鍵在于汽車給用戶的體驗的多樣性，而這種體驗的差異性在很大程度上是由汽車的軟件來決定的。通過OTA升級，可以不斷給用戶開啟新功能，不斷優化產品體驗，進行快速迭代。功能升級往往對應電壓、電流或功率變化，eFuse可通過編輯參數配合功能升級。若采用傳統保險絲，電路或需要重新設計，增加成本。eFuse優勢2：主動保護，具有自恢復性，提升智能車安全性故障率隨智能化程度提升而增加，eFuse可主動保護，故障消失后恢復正常運行。隨著電動車智能化程度提升，汽車中軟件代碼行數成正比不斷增長，隨之而來的是軟件工程復雜度指數級增長和軟件故障概率的提升。eFuse反應速度快且可復位，故障消失后可自動重啟恢復，提升智能車安全性。速度：反應快，其斷開反應時間為微秒級，有些設計能達到納秒級。可復位：根據具體型號，eFuse可選擇在激活后保持斷開（稱為閂鎖模式），或在當前故障消失后恢復正常工作（自動重啟模式）。在更換保險絲困難或成本較高的情況下，也很有用。4.12V→48V，功率上限提升，需要更多eFuse電子電氣架構決定整車智能化功能發揮上限，12V→48V升級或成為未來趨勢電子電氣架構決定整車智能化功能發揮上限。電子電氣架構（EEA）把汽車中的傳感器、電子控制單元ECU、線束整合在一起，實現汽車各項電氣化功能。智能化和娛樂化趨勢需要更高的功率，增加電壓一方面是提高功率上限，另一方面降低電流，減少線束的量，同時降低損耗并降低溫度。相比12V，48V將電壓增加三倍，電流減少3/4，同時保持遠低于60V安全電壓，為車企最佳選擇。60V通常被認為是汽車上最高的安全電壓，48V可通過過載設計最高達到60V。驅動電機等多種設備也將受益于更高的工作電壓，需要更少的銅并且提供更大扭矩，同時有更小的封裝尺寸。汽車電氣系統演進：12V系統已應用60多年，難以滿足電動車電氣化、智能化發展燃油車低壓系統經歷了從6V→12V的演變，2011年奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷、大眾聯合推出48V混動系統以滿足車載負載需求以及減排，而Cybertruck為特斯拉首款在整輛車中使用48V電氣系統的電動車。6V：1918年開始第一批大規模生產的汽車使用6V架構；20世紀50年代，隨著內燃機排量增加、高壓縮比內燃機出現，6V電壓系統無法滿足用電需求，因此推出12V系統。12V：20世紀60年代末，美國幾乎所有汽車都使用12V電壓系統，電氣系統和組件都圍繞12V電壓標準進行統一，包括電動車窗、室內照明、點煙器、剎車燈燈。48V：2011年奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷、大眾聯合推出48V系統，以滿足車載負載需求以及更嚴格的排放法規。利用DC/DC轉換裝置，實現電氣系統12V/48V雙電壓架構，分別驅動不同元件。而Cybertruck為特斯拉首款在整輛車中使用48V電氣系統的電動車。48V系統帶來功率提升，電路復雜程度提升帶來fuse使用個數提升，電路重新設計或加速eFuse應用電動車智能化加速48V應用，電路復雜程度提升帶來fuse使用個數提升。汽車擁有越來越豐富的電氣功能，用戶界面比傳統儀表板更類似于視頻游戲控制臺。隨著智能化程度提升，電動車有望配備ADAS（先進駕駛輔助系統）、導航系統以及環境控制，以及復雜的信息娛樂系統等功能。隨著汽車中的邊緣人工智能（如駕駛員警覺系統）越來越復雜，對更大功率的需求可能會迫使所有汽車制造商采用48V系統，更多電器的應用有望帶來fuse使用個數提升。電路復雜程度提升，電路重新設計或加速eFuse應用。車端架構按功能域劃分，分為動力系統域、車身系統域、影音娛樂域、ADAS主動安全域、自動駕駛域，不同的功能域有著不同的通信網絡和功能安全等級設計。隨著電路復雜程度提升，我們認為電路重新設計或增加熔斷器、繼電器使用成本，且由于eFuse設計更為簡潔且可編寫、可擴展，或在48V系統中加速滲透。5.eFuse單車用量Model3在2017年用eFuse替代低壓繼電器+熔斷器特斯拉在Model3車型中移除低壓部分繼電器和熔斷器，用eFuse替代。2017年，特斯拉在model3中移除所有所有