【導讀】隨著(zhù)汽車(chē)系統中傳統的機械化設計被電子化設計逐漸取代，電機在汽車(chē)電子化系統中扮演的角色越來(lái)越重要。例如在汽車(chē)的動(dòng)力系統中，由傳統的燃油發(fā)動(dòng)機逐步發(fā)展為現在的有刷同步電機、感應電機，真正的實(shí)現了新能源車(chē)的動(dòng)力革命；傳統的機械式汽車(chē)底盤(pán)也逐步發(fā)展成智能電子底盤(pán)，用來(lái)配合自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現。
隨著(zhù)汽車(chē)系統中傳統的機械化設計被電子化設計逐漸取代，電機在汽車(chē)電子化系統中扮演的角色越來(lái)越重要。例如在汽車(chē)的動(dòng)力系統中，由傳統的燃油發(fā)動(dòng)機逐步發(fā)展為現在的有刷同步電機、感應電機，真正的實(shí)現了新能源車(chē)的動(dòng)力革命；傳統的機械式汽車(chē)底盤(pán)也逐步發(fā)展成智能電子底盤(pán)，用來(lái)配合自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現。此外，車(chē)身上還有許多電機用來(lái)增加駕乘人員的舒適性和安全性。據不完全統計，以往普通的燃油車(chē)上平均的電機數量在20-40個(gè)左右，而在新能源汽車(chē)上這一數字增長(cháng)到100-150個(gè)，在高端的新能源汽車(chē)車(chē)型上電機數量會(huì )更高，甚至呈現幾倍數的增加。伴隨著(zhù)汽車(chē)電氣化和智能化的迅猛發(fā)展，車(chē)用電機在未來(lái)都會(huì )有巨大的增長(cháng)空間。
汽車(chē)上的電機有哪些種類(lèi)區分，都有哪些特點(diǎn)，每種電機的驅動(dòng)方式又是如何？本文詳細為您解讀。
汽車(chē)中主要的電機類(lèi)型汽車(chē)上的電機除了大功率的交流電機以外，從幾W到幾百W的直流電機是其中主要的角色，在汽車(chē)電機中占有很高的比例。直流電機一般分為兩相直流有刷電機、三相直流無(wú)刷電機以及步進(jìn)電機。直流有刷電機采用機械換向原理，通過(guò)換向器和電刷的斷續接觸來(lái)形成交流變換的旋轉磁場(chǎng)。由于換向器和電刷產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦會(huì )對碳刷造成損耗，因此直流有刷電機的壽命相較于直流無(wú)刷電機會(huì )短很多。此外，直流有刷電機在旋轉的時(shí)候會(huì )產(chǎn)生電火花，且產(chǎn)生的電磁波也會(huì )干擾到其他設備。直流有刷電機的優(yōu)勢也很明顯，主要的是控制電路相對簡(jiǎn)單，利用單通道高邊或低邊驅動(dòng)、半橋驅動(dòng)或者全橋驅動(dòng)，配合PWM（脈寬調制）調速來(lái)實(shí)現直流有刷電機的驅動(dòng)和調速。直流有刷電機有并激、串激和復激等不同的種類(lèi)，串激式直流有刷電機可以實(shí)現比較快速的啟動(dòng)大扭矩，并激式直流有刷電機可以實(shí)現較好的速度控制。直流有刷電機主要應用在相對轉速比較低、力矩比較大的場(chǎng)景，例如車(chē)窗、車(chē)門(mén)、尾門(mén)、電動(dòng)座椅、鎖扣、駐車(chē)系統等。直流無(wú)刷電機（BLDC）的工作原理主要是通過(guò)電子換向來(lái)實(shí)現電機的轉動(dòng)。因為直流無(wú)刷電機本身沒(méi)有電刷的存在，它的壽命遠高于直流有刷電機，同時(shí)由于沒(méi)有電刷的摩擦阻力，所以它具有更高的轉換效率和低噪聲的優(yōu)勢，另外無(wú)刷電機可以配合編碼器實(shí)現更加精準的速度和位置環(huán)的控制。但是無(wú)刷直流電機的內部結構比較復雜，驅動(dòng)電路和算法也相應的更加復雜，因此成本會(huì )高于直流有刷電機。在汽車(chē)上，無(wú)刷直流電機一般應用轉速比較高或者對轉速控制要求比較精準的場(chǎng)合，例如EPS、水泵、風(fēng)扇、空調、雨刮器等。第三類(lèi)比較重要的電機類(lèi)型是步進(jìn)電機，由于其特性和直流有刷電機比較類(lèi)似，在低速情況有較大的力矩，并能夠通過(guò)脈沖數來(lái)實(shí)現精準的開(kāi)環(huán)角度控制，步進(jìn)電機一般被看作精度較高的直流有刷電機。在汽車(chē)上步進(jìn)電機主要應用在低轉速、高精度的場(chǎng)合，比如出風(fēng)口扇葉，車(chē)燈調節或儀表指針等。
綜上所述，一輛汽車(chē)上有多種類(lèi)型的電機用來(lái)滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的需求，直流有刷電機以其較高的性?xún)r(jià)比以及能夠廣泛滿(mǎn)足大部分應用場(chǎng)景，成為汽車(chē)上比較常用的一類(lèi)電機。接下來(lái)，詳細介紹汽車(chē)中使用直流電機的主要場(chǎng)景。
汽車(chē)中使用直流電機的主要場(chǎng)景在汽車(chē)上使用直流電機的場(chǎng)合主要有智能底盤(pán)和車(chē)身控制兩個(gè)部分。智能底盤(pán)中的主要部件都是使用直流電機，包括有刷和無(wú)刷，使用的電機功率等級不同，所涉及的驅動(dòng)方式也有所區別。
空氣架中一般是通過(guò)距離傳感器檢測信號來(lái)判斷車(chē)身高度的變化，再通過(guò)有刷電機壓縮或拉長(cháng)空氣彈簧，以此來(lái)實(shí)現汽車(chē)底盤(pán)的降低和升?？諝鈶壹苤惺褂玫闹绷麟姍C功率一般在20A以上，利用H橋預驅加上分立MOS管的方案來(lái)實(shí)現對電機的驅動(dòng)。由于有刷電機的慣性力矩會(huì )隨著(zhù)輸出電機功率的增加而增大，其轉向操作靈敏度隨之變差，因此在電子助力系統（EPS）中使用的電機逐步從直流有刷電機轉向無(wú)刷電機，以此來(lái)解決慣性力矩的問(wèn)題。電機的額定功率基本在30A以上，達到70A左右，并采用三相無(wú)刷預驅配合MOS管來(lái)實(shí)現電機驅動(dòng)。電子駐車(chē)取代了傳統的機械手剎式系統，目前在汽車(chē)上已經(jīng)非常普遍。在電子駐車(chē)系統中一般會(huì )有兩個(gè)直流有刷卡鉗電機，電流一般在10A以上，17A居多。一般來(lái)說(shuō)，額定電流在10A以上的MOS管難以封裝到芯片中，因此在這種應用中大部分采用預驅外加MOS管的方式。電子換擋在中高端車(chē)型中比較常見(jiàn)，其內置一個(gè)換擋電機來(lái)配合變速箱的齒輪變速，一般使用10A以?xún)鹊臒o(wú)刷電機，常見(jiàn)的驅動(dòng)方式為內置MOS管H橋驅動(dòng)芯片。One Box系統中包括一個(gè)永磁同步電機和有刷卡鉗電機，其中永磁同步電機的電流在40A左右，甚至超過(guò)100A?？ㄣQ電機的電流一般在10A左右，采用三相預驅或H橋預驅外加MOS管組成驅動(dòng)方案來(lái)進(jìn)行電機的驅動(dòng)。車(chē)身控制也是直流電機的主要應用場(chǎng)景，由于直流有刷電機本身的驅動(dòng)成本較為便宜，性能可以適應大部分的應用，因此在車(chē)身控制中直流有刷電機占比較高。
作為電動(dòng)座椅的動(dòng)力源，汽車(chē)座椅的電機主要是永磁直流式電機，額定電流一般都在10A以上，由于電動(dòng)座椅需要配備的電機數量較多，所以一般采用多通道預驅加MOS管的方式來(lái)進(jìn)行驅動(dòng)。此外，配備通風(fēng)風(fēng)扇的電動(dòng)座椅所需的電機，功率一般在10幾W到20幾W，通常采用一體式BLDC驅動(dòng)芯片來(lái)驅動(dòng)。電動(dòng)門(mén)內部包含門(mén)鎖、電吸合、車(chē)門(mén)以及車(chē)窗等部分，主要采用直流有刷電機，驅動(dòng)方式通常為多通道預驅加上MOS管或者內置MOS管的H橋驅動(dòng)來(lái)實(shí)現。電尾門(mén)包含左右撐桿、電吸合，同樣也是采用直流有刷電機，使用預驅外加MOS管的驅動(dòng)方式。另外后視鏡、充電口、鎖扣等場(chǎng)景中采用的小電流電機，因為功率比較小，主要使用內置MOS管的H橋驅動(dòng)方案。
直流有刷電機的驅動(dòng)方式
電機的驅動(dòng)方式一直在演變，從過(guò)去的繼電器到現在帶診斷功能、帶保護的全集成芯片方案，可以實(shí)現更高的安全性且體積更小、靈活度更高。
在傳統的繼電器驅動(dòng)方案中，由于采用機械式的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)的時(shí)候可能會(huì )產(chǎn)生電火花，這也是汽車(chē)A類(lèi)安全事故所要去規避的。其次由于繼電器的開(kāi)啟和關(guān)斷速度是固定的，所以沒(méi)有辦法實(shí)現有效快速的開(kāi)關(guān)速度控制。再者，繼電器是原邊通過(guò)電流去驅動(dòng)開(kāi)關(guān)，一般需要幾十毫安的電流，這個(gè)是遠高于驅動(dòng)MOS管1mA以?xún)鹊木S持電流。另外，繼電器的體積比較大，如果是集中式域控制器方案，空間擺放也是一個(gè)問(wèn)題。 ，繼電器的功能比較單一，只是簡(jiǎn)單的一個(gè)開(kāi)動(dòng)和關(guān)斷的功能。電機感性負載容性負載需要做控壓和控流，如果采用繼電器的方式，外部還需要增加不少的其他芯片，來(lái)防止繼電器或者負載的損壞?；趥鹘y繼電器的各種問(wèn)題，其逐漸地被電子驅動(dòng)方式所取代。電子驅動(dòng)方式一方面可以實(shí)現正反轉，速度可調，還帶有比較簡(jiǎn)單的保護功能，例如回路上的過(guò)流保護。另外，高邊的驅動(dòng)方式從以前的自舉電容演變成現在類(lèi)似電荷泵的驅動(dòng)方式，這樣面積會(huì )更小，也可以做到有效的開(kāi)通。這種電子驅動(dòng)方式相較于繼電器可以大大減少體積，節省驅動(dòng)功耗，同時(shí)也帶有基本的保護功能，使用起來(lái)更加靈活。隨著(zhù)芯片工藝的迭代，可以在單個(gè)晶圓上集成更多的功能。隨著(zhù)把內置的MOS管功率越做越大，一般來(lái)說(shuō)可以在一個(gè)芯片封裝里把上下管的內阻做到100mΩ以?xún)?，甚?0mΩ以?xún)?，這樣電流可以做到10A到30A，熱阻也可以大大降低。因為在域控制器里，需要將多個(gè)驅動(dòng)集成在一起，所以降低熱阻是非常重要的。另外，驅動(dòng)器集成了更多運放、比較器等，因此驅動(dòng)器可以帶有更多的保護，包括過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、反過(guò)溫等等，可以大大減低驅動(dòng)器本身以及外部負載損壞的機率，使用上更加靈活，通過(guò)SPI或I2C等不同配置來(lái)驅動(dòng)除電機之外的感性、容性或存儲性的負載。在部分高端的驅動(dòng)器里，甚至還可以有SPI診斷，把當前出現的故障狀態(tài)，通過(guò)寄存器進(jìn)行上報，這樣可以實(shí)現更高的功能安全等級。在一些驅動(dòng)芯片里甚至還集成CAN 和LIN的總線(xiàn)，直接形成單芯片的集成方案。
類(lèi)比直流有刷驅動(dòng)芯片產(chǎn)品
類(lèi)比汽車(chē)級電機驅動(dòng)產(chǎn)品目前有已經(jīng)量產(chǎn)的單通道驅動(dòng)DR70x以及正在開(kāi)發(fā)的DR7xx、DR8xx以及DR9xx等產(chǎn)品。DR70x系列產(chǎn)品包含五個(gè)型號，半橋、全橋、帶SPI診斷以及純硬件模式，配合外部的MOS管可以實(shí)現從幾W到幾百W的功率驅動(dòng)。正在開(kāi)發(fā)的多通道直流有刷電機預驅DR718系列主要應用于多電機的場(chǎng)合，同時(shí)也更符合域控制發(fā)展趨勢對集成多通道的單芯片驅動(dòng)方案的需求。內置MOS管的直流有刷電機預驅DR8xx系列，電流可以做到10A，基于較高的集成度，DR8xx系列非常適合50w以?xún)鹊男‰姍C，并在散熱允許的情況下可以大大減少板子的面積。DR9xx系列產(chǎn)品內部帶有三路模擬運放來(lái)配合低電流采樣的閉環(huán)控制算法，適合用在EPS/One Box等使用無(wú)刷電機的場(chǎng)合。DR70x直流有刷電機驅動(dòng)系列產(chǎn)品主要有DR702Q、 DR703Q 和DR704Q三個(gè)型號。其中，DR702Q和DR703Q主要區別在于配置接口，DR702Q是硬件配置接口，這意味著(zhù)DR702Q所有的功能配置都可以通過(guò)外圍電阻電容元器件進(jìn)行設定，這使得DR702Q控制簡(jiǎn)單并且占用MCU資源少。DR703Q則含有SPI接口，用于同MCU通訊。得益于SPI的靈活性，DR703Q不僅可以靈活進(jìn)行功能配置，還可以讀出所有狀態(tài)寄存器信息。DRV703Q的寄存器提供豐富的過(guò)壓和過(guò)流報警信息，方便系統獲得電機工作的實(shí)時(shí)狀態(tài)并實(shí)現更高的功能安全等級。相較于DR703Q， DR704Q進(jìn)一步增加了過(guò)壓保護功能，離線(xiàn)負載檢測功能以及電流檢測共模點(diǎn)可配等檢測功能。目前DR70x系列產(chǎn)品均為車(chē)規級產(chǎn)品，滿(mǎn)足AEC-Q100，支持5.5V到45V的工作電壓，睡眠功耗可以達到3.3μA。另外，DR70x系列產(chǎn)品還支持驅動(dòng)電流的設置，來(lái)滿(mǎn)足MOS管的不同的開(kāi)關(guān)速度的需求。DR70x系列產(chǎn)品帶有電流檢測功能，通過(guò)檢測電機低邊電流，配合堵轉、剎車(chē)電流的限定。該產(chǎn)品支持豐富的保護功能，包括供電電壓的過(guò)壓、欠壓保護、Vgs門(mén)級鉗位以及對外部MOS的VDS退飽和保護和過(guò)溫保護等，對芯片本身和外部的MOS管都有綜合的保護機制。DR70x的封裝為QFN32小型封裝，配合不同功率等級的MOS管，可以驅動(dòng)不同功率等級的電機，因此應用非常廣泛，在智能底盤(pán)以及車(chē)身控制中的車(chē)窗、尾門(mén)、推拉門(mén)等系統中的電機都可以進(jìn)行驅動(dòng)。同時(shí)，由于具有較高的靈活度，DR70x產(chǎn)品還可以實(shí)現高低邊驅動(dòng)功能。05
DR703Q產(chǎn)品性能表現
VM Pumping是電機驅動(dòng)中比較常見(jiàn)的現象，主要發(fā)生在電機突然降速或者剎車(chē)時(shí)，此時(shí)VM上的電壓會(huì )突然升高，有可能燒壞驅動(dòng)芯片或MOS管。DR703Q采用高耐壓MOS管來(lái)進(jìn)行硬件設計，其VM管腳直流耐壓可以達到55V。實(shí)際測試表明，DR703Q的VM瞬態(tài)可以耐受500ms,60V的脈沖，并且已經(jīng)通過(guò)ISO 7637-2 24V System pulse 5B測試。DR704Q產(chǎn)品中帶有VM偵測電路，當VM管腳電壓超過(guò)36V時(shí)，芯片會(huì )進(jìn)入閉鎖模式、自動(dòng)復位模式、報警模式以及完全關(guān)閉模式四種保護模式中的一種，具體進(jìn)入哪種模式由客戶(hù)根據使用需求來(lái)自行配置。電機在啟動(dòng)或堵轉時(shí)，由于反向電動(dòng)勢約等于零，流過(guò)電機繞組的電流非常大，作為驅動(dòng)需要限制電流來(lái)保護電機和相關(guān)電路。DR703Q支持電流限流功能，能有效實(shí)現啟動(dòng)及堵轉等場(chǎng)景下的限流保護。DR703Q對于外部MOS管的門(mén)級驅動(dòng)電流可以分別獨立進(jìn)行電流設定，支持10mA-280mA八檔電流設定。能夠幫助用戶(hù)在更高的驅動(dòng)效率（化開(kāi)關(guān)損耗）和更好的EMI性能間進(jìn)行平衡，而無(wú)需更改硬件設置。
DR70x應用實(shí)例
目前，DR70x已經(jīng)向主機廠(chǎng)商和Tier1客戶(hù)批量供貨，并實(shí)際應用在EPB、電門(mén)模塊、電動(dòng)尾門(mén)、天窗以及電動(dòng)座椅等場(chǎng)景中。
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