淺析汽車(chē)空氣懸架系統中的電機驅動(dòng)應用

汽車(chē)懸架系統可以調節車(chē)身的高度、阻尼、剛度，有效提升駕駛的舒適性與操控性，從而讓駕駛者在不同的車(chē)速、路面條件下有不同的駕駛感受，提高車(chē)輛的平順性和品質(zhì)感。

1. 電動(dòng)空氣懸架系統介紹

汽車(chē)懸架系統可以調節車(chē)身的高度、阻尼、剛度，有效提升駕駛的舒適性與操控性，從而讓駕駛者在不同的車(chē)速、路面條件下有不同的駕駛感受，提高車(chē)輛的平順性和品質(zhì)感。

傳統懸架系統需要通過(guò)各式各樣的流通閥實(shí)現精細的調校結果。但是豐富細致的閥系設計也會(huì )使得調校比較復雜?？勺冏枘峒夹g(shù)將一部分需求交給了減震器的可變阻尼功能，簡(jiǎn)化了調校的復雜性。但是隨著(zhù)懸架系統對靈活性、響應速度和可變范圍要求的進(jìn)一步提升，懸架系統便需要向電控技術(shù)方向進(jìn)一步升級了。

電控空氣懸架系統會(huì )結合車(chē)身高度傳感器、加速度傳感器等的輸入信號和駕駛員的指令（駕駛模式、加減速、轉彎等），通過(guò)控制電磁閥來(lái)控制空氣彈簧和減震器，從而對懸架的高度，剛度和阻尼力等進(jìn)行精細調節。

2. 電控閥系驅動(dòng)設計及選型

2.1 CDC比例閥

CDC比例閥通過(guò)調節電磁閥門(mén)來(lái)改變減振器中油液工作腔孔的大小來(lái)調節阻尼，從而實(shí)現阻力的連續可調。一般為了保持控制信號的穩定，控制器會(huì )以2kHZ左右頻率的PWM電流驅動(dòng)電磁閥，通過(guò)調節占空比改變電流的大小，從而控制缺口開(kāi)度的大小，進(jìn)而實(shí)現可變阻尼。

圖1 SACHS CDC比例閥1

CDC電磁閥的控制電流一般較小，不會(huì )超過(guò)2A，且電流采樣精度較高，通?，F需要在3%以?xún)?。通常的閥只需要半橋驅動(dòng)即可，然而CDC閥需要能夠根據使用場(chǎng)景的差異對響應速度即續流模式進(jìn)行切換。在響應速度要求較低時(shí)使用慢速續流，如果需求毫秒級的快速響應，需要能夠支持對管快速續流的功能。另外由于空氣懸架在汽車(chē)行駛過(guò)程中工作，對系統的功能安全有一定要求，所以在快速續流時(shí)，也需要采用MOSFET續流，而非體二極管或者外置二極管的方式，以獲得更加已知的電壓信息。DRV8714-Q12 是車(chē)規4通道智能半橋驅動(dòng)芯片，同時(shí)也可以配置為兩個(gè)H橋模式。 DRV8714-Q1具有兩個(gè)獨立的電流采樣運放，可以對兩個(gè)H橋電流進(jìn)行采樣，且可以滿(mǎn)足CDC閥電流采樣精度要求。且四個(gè)MOSFET獨立可控，支持系統控制快速和慢速續流的需求。將H橋的四個(gè)MOSFET以從左到右、從上到下的順序以1~4標序，其中MOSFET 1使用PWM控制，精確調節電流大小，MOSFET 4使用On OFF控制，用于對慢速續流和快速續流進(jìn)行選擇。同一橋臂的兩個(gè)MOSFET控制邏輯相反，以避免直通。表1與圖2-4為PWM導通，慢速續流和快速續流對應的工作狀態(tài)。

表1 CDC閥控制過(guò)程中MOSFET 1~4工作狀態(tài)

圖2 PWM 導通

圖3 慢速續流

圖4 快速續流

2.2 多腔空簧閥

在空氣懸架系統中，空氣彈簧內部的氣室可能有單腔、雙腔或者更多腔。單腔空氣彈簧利用柔性封閉容器中空氣的可壓縮性實(shí)現剛度曲線(xiàn)。然而單腔空氣彈簧內部開(kāi)孔有限且無(wú)法改變截面積，所以剛度調整受限。 將單腔的氣室使用電磁閥分割成多個(gè)，可以更大范圍實(shí)現充放電時(shí)空氣彈簧內部受力面積的變化，從而更大范圍改變空氣彈簧的剛度。目前多腔空氣懸架已經(jīng)在小鵬、寶馬、保時(shí)捷等多家車(chē)產(chǎn)的高端車(chē)型中被應用。

圖5 Vibracoustic 多腔空簧閥3

分割空氣彈簧氣室的閥門(mén)為成為多腔空簧閥。與CDC比例閥不同，多腔空簧閥的閥體只需要On Off控制，且沒(méi)有對續流的特殊要求，因而可以通過(guò)半橋驅動(dòng)的方式。為了實(shí)現降低功耗的要求，可以通過(guò)軟件進(jìn)行peak hold控制。為了避免人耳及寵物的聽(tīng)覺(jué)范圍，多腔空簧閥的開(kāi)關(guān)頻率通常要求高達50-60kHz。相較于競品，DRV8714-Q1的控制頻率可以高達100kHz，能夠勝任這一應用高速開(kāi)關(guān)的需求。

圖6 DRV8714-Q1手冊中對最高PWM開(kāi)關(guān)頻率描述

2.3 氣路分配閥

電控空懸系統中還有一類(lèi)閥為氣路分配閥，可以將儲氣罐中的氣體分到四個(gè)輪子不同的空氣支路，進(jìn)入到四個(gè)輪子各自空氣彈簧控制的氣柱中。與多腔空簧閥類(lèi)似，氣路分配閥同樣為On Off開(kāi)關(guān)控制，需要使用peak hold模式降低系統的電流和能耗，其開(kāi)關(guān)控制頻率通常為20kHz左右，也可以使用DRV8714-Q1進(jìn)行控制。

圖7 Accuair氣路分配閥4

參考鏈接：

1. SACHS CDC 比例閥 https://aftermarket.zf.com/go/en/sachs/products/cars-and-vans/shock-absorbers-and-dampers/cdc/

2. DRV8714-Q1 數據手冊https://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8718-q1.pdf

3. Vibracoustic 多腔空簧閥 https://www.vibracoustic.com/en/product/switchable-three-chamber-air-springs/

4. Accuair 氣路分配閥 https://accuair.com/collections/valve-manifolds

作者：Scarlett Cao