如何通过舒适性电机驱动实现未来汽车功能？为新一代动力提升应用提供更多解决方案
从驾驶辅助系统、智能照明系统到娱乐和舒适系统，新闻发布会和车展上的概念车和新车型展示了个人汽车令人激动的未来外观和功能。在这些概念车的背后，也是实现这些概念车的关键所在，是一系列的自动化机械功能。车门可以平稳地滑行到位，车窗可以滑动打开，座椅可以静静地按照乘客的喜好摆放中国机械网okmao.com。这些和其他许多功能都依赖于一系列舒适性电机驱动技术。
虽然电动车窗等机械系统早已成为现代汽车的标准配置，但电动座椅和电动升降门现在正从选装的额外配置转为标准装备。大约60%的美国汽车已经配备了这样的设备，而在中国汽车市场，不需要借助任何手动调节的电动座椅已经成为标准配置。
随着动力系统向混合动力和全电动方向发展，仪表盘和用户界面也在不断变形，以符合21世纪的愿景，消费者对电动汽车的期望值正在快速增长。反过来，我们也看到了实现这些舒适性功能所需技术的快速发展。
舒适性电机驱动要求
要实现舒适性功能的大众市场供应，许多要求是直接的。解决方案的物理体积，以及在一定程度上的重量，起到了一定的作用。系统效率（低功耗），无论是在活动状态还是待机状态下，都很重要，特别是对于电动汽车。此外，人们还在努力降低可听的噪音，尤其是在高档车和电动车中。必须从一开始就考虑电磁兼容性（EMC）。最重要的是，稳健性、可靠性和安全性占据了中心位置。
为了满足这些要求，业界正在摆脱早期电机驱动应用中使用的机械式开关和继电器。所有电子元件都必须能够处理粗糙的机械和嘈杂的电气环境。诊断也是一个关键方面，要求每个舒适性电机驱动电子控制单元(ECU)可以通过车载网络进行查询。最后，满足ASIL安全要求是必要的，以确保乘员的安全，即使在故障条件下也不会受到挤压或压迫。
为了跟上日益增长的采用率，电子供应商正在迅速开发更高水平的芯片级集成，以实现下一代动力提升技术所需的更小尺寸、更高的可靠性和强大的功能集（图1）。改进并不局限于将分立技术纳入单一封装和增强现有功能。较新的系统设计现在受益于简化的开发和测试、改进的车载诊断、更高的系统效率和整体更好的客户体验。
1. 适用于当今许多电动座椅和电动闭锁实现的框图。
主要的系统块包括微控制器(提供控制、网络和安全概念的实现)、电源转换器以及用于LIN、CAN或CAN-FD的收发器。电源控制块由一个反向电池MOSFET保护。从这里开始，栅极驱动器以H桥配置将微控制器与功率MOSFET连接起来，提供所需的方向和速度控制。
有刷直流电机仍然是流行的选择，尽管无刷直流电机(BLDC)提供了更低的可听的扭矩噪声、更高的效率和紧凑的尺寸。位置传感和局部控制按钮，以及电源传感，完善了设计。当然，电机驱动控制器中的每个设备都通过了 AEC-100 认证。
增加集成度，降低设计复杂度
为了追求近乎静音的升功率操作，汽车工程师们正从使用机电式继电器的解决方案转向纯固态解决方案，以消除点击噪音。为此，英飞凌开发了多MOSFET驱动器IC，可用于用N沟道MOSFET取代所有继电器，包括反向电池保护电路（图2）。其结果是无声开关，这是用继电器无法实现的。
2. 像TLE92108-23xQX这样的驱动IC可以控制多达8个半桥MOSFET和一个反向电池保护MOSFET。
新的集成驱动IC支持多达16个N沟道MOSFET，从而在单个封装器件内控制8个半桥，可在独立控制下为多达4个直流电机供电，如果设计中允许采用级联方法，则可为多达7个直流电机供电。一个类似的设备可以控制多达4个半桥，共享相同的封装和引脚。另一个电荷泵可用于控制一个反向电池MOSFET。
主机微控制器通过24位SPI接口访问驱动IC的功能。这也可以轻松地与以固定的32位帧大小运行的设备进行接口。此外，该驱动器还集成了看门狗功能、保护和诊断功能以及自适应驱动器功能。诊断功能允许对所有16个栅极驱动器进行单独监控，以及对电源电压、电荷泵电压和温度进行监控，以满足IC的警告和关断条件。
多MOSFET驱动器并不影响功率效率。上电时，它立即启动睡眠状态，当使能输入为低电平时，它的功耗低于8 µA。在此状态下，栅极驱动器也处于关闭状态。一旦使能输入变为高电平，器件就会进入正常模式状态，除非禁用看门狗，否则需要定期对其进行维护。
有源自由转动控制方案还有助于降低功率损耗。在脉宽调制(PWM)工作期间，自由绕组MOSFET通常会损失功率。有源自由绕组使与自由绕组相关的MOSFET，允许电流流过MOSFET而不是其体二极管。与被动自由轮流方式相比，这可以节省4W的功率(15A时占空比为70%)(图3)。它还有助于降低MOSFET中这种类型的损耗所引起的温升。
3. 主动式自由转动（FW），如左图所示，节省了功率损失，并降低了通常在被动式FW中看到的加热效果，如右图所示。
英飞凌的驱动器采用7- × 7-mm VQFN-48封装，带有外露焊盘，支持光学引线尖端检测，并提供最佳的热特性。高度的集成度可转化为极高的密度和成本效益，对于所支持的大量电机而言，只需最小的BOM和PCB面积。
此外，还可提供具有永久电机制动功能的变体，即使在睡眠模式下也能防止意外移动。这支持日益流行的智能关闭功能，以防止意外伤害。此外，它还可以配置为在电机以发电机模式运行而导致电源过电压的情况下激活。
通过诊断故障确保安全
驱动IC的一个标准集成安全功能是一个看门狗，在开机时启用。在开发过程中，可以通过遵循一个流程来禁用它，以确保它不会被意外打开。在SPI通信中出现物理错误（如信号线短路）时，多MOSFET驱动器将进入故障安全模式。
此外，SPI通信的错误会被持续监控。可检测的错误范围从错误的位数和协议错误（如寻址未使用的地址）到时钟极性错误或故障安全模式下不属于指定退出序列的访问。在菊花链模式下工作时，也会启用保护功能。此处监控与微控制器的通信，以确保数据帧的长度始终是8位的倍数。
消除效率与EMC之间的妥协
实施全固态解决方案的挑战之一是实现电气效率、保持低损耗和满足EMC要求之间的最佳平衡。最佳负载管理技术和使用高速PWM信号的软启动/停止座和闭合是常见的。然而，负载时的高速转换会导致EMC的挑战。这就导致了通过回转率控制引脚或寄存器中有限的配置选项做出妥协的现状。
自适应MOSFET栅极控制以真正独特的颗粒度解决了这一问题。不仅可以在不影响死区时间的情况下修改开关斜率，保留最宽的占空比范围，而且还允许在开启和关闭周期中采用不同的回转率。通过SPI接口通过软件完全可配置，允许设计人员补偿开启和关闭MOSFET之间所需的电流差异。该功能还具有 "自适应性"，即驱动IC可识别并补偿MOSFET的批次间变化。
快速响应“软”短路
此类电机控制应用中的另一个挑战是区分故障情况。对地或电池的短路，或者开路负载的情况，最好是在开启MOSFET之前检测到。其次，还有一个挑战是确定硬短路和软短路之间的区别。后者表现为电机问题或线束问题引起的比正常电流更大的电流消耗，但它们并没有高到足以触发典型的短路保护。
在本文讨论的驱动IC中，这些情况由两个功能来处理。第一个涉及集成的上拉和下拉电流源，可检测对电池或地的短路，以及开路的负载情况。第二个特点是利用集成的电流感应运算放大器。这些运放是可配置的，因此可以定义一个 "软短路 "阈值。因此，该器件可在几微秒内独立响应此类故障以及硬短路。这比等待主机微控制器识别故障并通过软件作出响应的速度要快得多，并且可以实现MOSFET的小型化。
高侧MOSFET的漏极电压的传感可以以许多不同的方式进行配置，即使电机是级联的。例如，在六电机配置中，可以实现高侧并联电阻来监测两组三电机。另外，分流电阻也可以串联放置到两组电机上。在由八个半桥控制的四电机配置中，也可以采用高侧和低侧的监控。
即使采用精确的布局和装配，通常用于在系统电源上配置半桥的双40-V MOSFET也可能在PCB线路中表现出杂散电感，必须用外部滤波元件加以控制。新推出的双MOSFET(图4)在单个封装中以半桥配置方式进行内部布线，从而减少了布局问题和所需的外部滤波器。
4.半桥SSO8封装针对电机控制应用的PCB布局进行了优化。
系统基础芯片完善实施
图1所示的电源管理和内部通信总线收发器目前通常在系统基础芯片(SBC)中实现。一个典型的器件(图5)为所用的微控制器、收发器和传感器提供了三个低压差稳压器(LDO)。它还具有一个CAN-FD收发器和最多两个符合最新汽车标准和OEM要求的LIN收发器。此外，还有支持部分网络（PN）的设备。
5. 所示是用于车身控制器应用的系统基础芯片(SBC)。
完善功能集的是一对高压通用I/O(GPIO)和高侧输出，实现了为LED、板外传感器或开关输入供电。低静态电流有助于提高系统设计的整体效率，在睡眠模式下的典型功耗为15 µA，而在启用通过CAN和WK引脚（例如来自手柄/开关的直接信号）的WAKE时则为19.7 µA。
本文所述的多MOSFET驱动IC、半桥MOSFET、SBC和主机微控制器的组合，与基于当前继电器的汽车车身控制器的舒适性驱动控制的实现相比，提供了更高的集成度和更低成本的解决方案。该方法还减少了工程师的许多繁重工作，甚至减少了一些早期固态设计中所需要的功能妥协。当开发最后阶段的EMC测试迫使调整影响电气效率，导致性能不尽如人意时，往往不得不做出这样的妥协。
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纯电宝马i4四门桥车全球首发 续航达590km
日前，网通社从官方获悉，宝马i4正式发布。新车采用最新家族式设计语言，搭配轿跑车身造型极具美感。动力方面，新车搭载第五代BMW eDrive电力驱动技术，WLTP工况下续航里程达590km。据悉，该车的更多细节将于未来几周内公布。
既然它的第一属性是纯电动车，那咱们就先来看一下动力参数，宝马i4配备第五代BMW eDrive技术，其最大输出功率390kW（530马力），百公里加速小于4秒，在WLTP工况测试下续航里程大约为590公里。
根据之前的爆料，宝马i4会有eDrive35、eDrive40以及M50（xDrive）三种型号。前两款车型的续航里程可能会在450~500公里左右，而M50 xDrive也会是BMW M的第一辆电动车型（M Performance）。且宝马i4或将支持150kW的直流快充，可以在35分钟内充电至80%，i4可以在充电约6分钟内增加约100公里的续航。
宝马i4大致延续了概念车4门Gran Coupé的外观风格，也和当前G22/G23 4系的设计语言相近，整体而言非常具有冲击性，且辨识度极强。
最重要的原因就是巨型双肾格栅了，在4系家族以及M3/M4上见过之后，不知道各位对这款设计是否接受了呢？和燃油车型相比，宝马i4做出了相应调整，以突出其新能源车的身份。巨型格栅内部封闭式的、带有3D设计和菱形排列设计，一圈蓝色饰条在细节之处凸显了新能源车的定位，两侧的进气口会和轮毂来结合进行疏导气流，完善空气动力学。大灯造型和普通4系一样犀利有神，同时也能和下方的包围以及机盖棱线很好地结合到一起。
侧面来看，四门溜背的造型设计只用一个字来形容，那就是美！全新设计的空气动力学轮毂如果放在燃油车上可能会觉得老气，如果放在一台电动车上，就显得很合适且有未来感。此外宝马i4还配备了隐藏式的门把手，侧翼子板处也加入了蓝色饰条来凸显独特的身份。
再来看尾部设计，这个尾灯相信大家都不陌生了吧？没有了发动机不需要排气管，替而代之的是硕大的下扩散器和蓝色饰条。四门溜背的设计，让层次感很强的线条、宽厚的尾翼和细长的尾灯交融在一起，看起来莫名的舒服。
动力方面，宝马i4搭载第五代BMW eDrive电力驱动技术，电机最大功率390kW，百公里加速4s左右。续航方面，新车配备容量为80kWh的电池组，WLTP续航里程可达590km。值得一提的是，未来i4还将提供M Performance高性能版本车型。
截止到发文，我们还没有看到i4车厢内部的设计。不过根据之前曝光的信息来看，宝马i4车厢内部的设计语言区别于当前3系/4系，会和iX大体一致，12.3英寸信息显示屏和14.9英寸控制显示屏组合的曲面显示屏和iDrive 8操作系统会是最大的亮点。
i4是近几年宝马家族继iX3、iX之后的第三款纯电动车型，也是宝马家族第一款纯电动四门轿车，将于2021年内上市，它对宝马未来纯电动车型的发展意义重大，相信宝马i4凭借独特的设计语言、优秀的性能操控和不错的续航表现，会成为同级别中更为优越的一款纯电车，也必将会更受大众欢迎！
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数据科学正在帮助汽车技术更加安全
汽车工业依靠数据科学来制造更好、更安全的汽车。汽车工业处于技术的前沿，改变了人们的出行方式。十年前的汽车工业和现在的工业有什么不同？关键区别在于数据驱动的创新，而不仅仅是制造业。
数据科学使每个人，特别是低收入群体都能方便地使用交通工具。他们正在体验旅行的轻松，而不必面对高昂的拥有成本。事实上，这给每个人都带来了改变，没有任何偏见。
例如，优化算法可以为企业提供能源效率高的车辆，这些车辆依赖于亚马逊送货和食品送货。数据科学家正在与可靠性工程师合作，制造能够帮助不同能力社区的交通工具。这些只是数据科学如何促进行业变革的几个例子。但是，还有无数的应用尚未开发。
围绕数据重建行业
汽车工业是一个应用广泛、利润丰厚的行业。这意味着以客户为中心的数据创新的范围更大。一个这样的用例是跨各种数据系统和数据类型处理数据。通常，数据科学家使用表格形式的数据，类似于excel。但是汽车科学家可以处理各种各样的数据形式。例如，原始仪器数据通常存储为十六进制数字流。他们还可以使用来自智能系统的数据，这些数据以图像和传感器点云的形式出现。这些点云可以与仪器数据相结合，并将其连接到一组表中，以了解为什么自动驾驶车辆以某种方式工作，以及每种车型的不同。这个行业的另一个优势是数据量巨大。因此，汽车行业的许多公司的数据块一直到PB（一百万GB）。
数据科学的作用
数据科学是每个汽车产品周期的核心部分。在制造车辆之前，有以下几个步骤。数据科学是产品开发的初级阶段。它支持分析新模型配置和使组件可靠等任务。数据科学不是单独测试每个组件，而是通过模拟和分析来扩展过程。
汽车数据科学家的目标是只提供高质量的汽车。虽然工程师通过多次质量检查来测试车辆，但这是一个耗时的过程，因为测试是单独完成的。数据科学家可以分析所有零件、供应商和测试数据。从这个意义上说，他们密切检查供应商的财务业绩，根据过去的业绩预测其按时交付零件的可用性，并使用计量经济学回归来检查供应商所在地的经济可行性。
数据科学的未来能力
自主汽车是汽车行业的一个热门话题。这依赖于深度学习模型和传感器融合算法。数据科学被用于将物联网指标（如电池更换监控器）转化为可操作的见解。当车辆投入使用时，如果系统检测到行人是不够的，传感器必须能够识别他们要去的方向。
可持续性与超越
每个行业的制造商都在转向可持续发展。各国政府正在制定燃油效率目标，每辆车都有不同的燃油效率。因此，数据科学对于优化公司所有工具的效率至关重要。这不仅有助于企业在燃油效率方面获得政府信贷，而且有利于环境，并为客户提供更具附加值的汽车。除此之外，数据科学还影响其他方面，如营销、销售和预测客户需求。它还改善了客户的购后体验。