浅析汽车空气悬架系统中的电机驱动应用

作者：Scarlett Cao

关键物料: DRV8714-Q1

1. 电动空气悬架系统介绍

汽车悬架系统可以调节车身的高度、阻尼、刚度，有效提升驾驶的舒适性与操控性，从而让驾驶者在不同的车速、路面条件下有不同的驾驶感受，提高车辆的平顺性和品质感。

传统悬架系统需要通过各式各样的流通阀实现精细的调校结果。但是丰富细致的阀系设计也会使得调校比较复杂。可变阻尼技术将一部分需求交给了减震器的可变阻尼功能，简化了调校的复杂性。但是随着悬架系统对灵活性、响应速度和可变范围要求的进一步提升，悬架系统便需要向电控技术方向进一步升级了。

电控空气悬架系统会结合车身高度传感器、加速度传感器等的输入信号和驾驶员的指令（驾驶模式、加减速、转弯等），通过控制电磁阀来控制空气弹簧和减震器，从而对悬架的高度，刚度和阻尼力等进行精细调节。

2. 电控阀系驱动设计及选型

2.1 CDC比例阀

CDC比例阀通过调节电磁阀门来改变减振器中油液工作腔孔的大小来调节阻尼，从而实现阻力的连续可调。一般为了保持控制信号的稳定，控制器会以2kHZ左右频率的PWM电流驱动电磁阀，通过调节占空比改变电流的大小，从而控制缺口开度的大小，进而实现可变阻尼。

图1 SACHS CDC比例阀¹

CDC电磁阀的控制电流一般较小，不会超过2A，且电流采样精度较高，通常现需要在3%以内。通常的阀只需要半桥驱动即可，然而CDC阀需要能够根据使用场景的差异对响应速度即续流模式进行切换。在响应速度要求较低时使用慢速续流，如果需求毫秒级的快速响应，需要能够支持对管快速续流的功能。另外由于空气悬架在汽车行驶过程中工作，对系统的功能安全有一定要求，所以在快速续流时，也需要采用MOSFET续流，而非体二极管或者外置二极管的方式，以获得更加已知的电压信息。DRV8714-Q1² 是车规4通道智能半桥驱动芯片，同时也可以配置为两个H桥模式。 DRV8714-Q1具有两个独立的电流采样运放，可以对两个H桥电流进行采样，且可以满足CDC阀电流采样精度要求。且四个MOSFET独立可控，支持系统控制快速和慢速续流的需求。将H桥的四个MOSFET以从左到右、从上到下的顺序以1~4标序，其中MOSFET 1使用PWM控制，精确调节电流大小，MOSFET 4使用On OFF控制，用于对慢速续流和快速续流进行选择。同一桥臂的两个MOSFET控制逻辑相反，以避免直通。表1与图2-4为PWM导通，慢速续流和快速续流对应的工作状态。

表1 CDC阀控制过程中MOSFET 1~4工作状态

图2 PWM 导通

图3 慢速续流

图4 快速续流

2.2 多腔空簧阀

在空气悬架系统中，空气弹簧内部的气室可能有单腔、双腔或者更多腔。单腔空气弹簧利用柔性封闭容器中空气的可压缩性实现刚度曲线。然而单腔空气弹簧内部开孔有限且无法改变截面积，所以刚度调整受限。 将单腔的气室使用电磁阀分割成多个，可以更大范围实现充放电时空气弹簧内部受力面积的变化，从而更大范围改变空气弹簧的刚度。目前多腔空气悬架已经在小鹏、宝马、保时捷等多家车产的高端车型中被应用。

图5 Vibracoustic 多腔空簧阀³

分割空气弹簧气室的阀门为成为多腔空簧阀。与CDC比例阀不同，多腔空簧阀的阀体只需要On Off控制，且没有对续流的特殊要求，因而可以通过半桥驱动的方式。为了实现降低功耗的要求，可以通过软件进行peak hold控制。为了避免人耳及宠物的听觉范围，多腔空簧阀的开关频率通常要求高达50-60kHz。相较于竞品，DRV8714-Q1的控制频率可以高达100kHz，能够胜任这一应用高速开关的需求。

图6 DRV8714-Q1手册中对最高PWM开关频率描述

2.3 气路分配阀

电控空悬系统中还有一类阀为气路分配阀，可以将储气罐中的气体分到四个轮子不同的空气支路，进入到四个轮子各自空气弹簧控制的气柱中。与多腔空簧阀类似，气路分配阀同样为On Off开关控制，需要使用peak hold模式降低系统的电流和能耗，其开关控制频率通常为20kHz左右，也可以使用DRV8714-Q1进行控制。

图7 Accuair气路分配阀⁴

参考链接：

1. SACHS CDC 比例阀 https://aftermarket.zf.com/go/en/sachs/products/cars-and-vans/shock-absorbers-and-dampers/cdc/
2. DRV8714-Q1 数据手册https://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8718-q1.pdf
3. Vibracoustic 多腔空簧阀 https://www.vibracoustic.com/en/product/switchable-three-chamber-air-springs/
4. Accuair 气路分配阀 https://accuair.com/collections/valve-manifolds