整車電子電氣架構(gòu)中的智能執(zhí)行器

還記得兩三年前，當(dāng)我們談?wù)撾娮与姎饧軜?gòu)(Electrical/Electronic Architecture，EEA)的時候，還是談?wù)摲植际郊軜?gòu)到域控架構(gòu)的升級，關(guān)于中央計算單元+區(qū)域控制器架構(gòu)，感覺還是遙不可及，電子電氣架構(gòu)發(fā)展階段圖如下所示。

▲圖1 博世的電子電氣發(fā)展階段圖

而今，我們眼看各個主機(jī)廠的中央計算單元架構(gòu)都要紛紛落地了，小鵬的X-EEA3.0中央計算平臺+區(qū)域控制架構(gòu)、廣汽埃安的星靈中央計算平臺架構(gòu)、長城的GEEP3.0計算平臺架構(gòu)、理想的LEEA3.0等。

在電子電氣架構(gòu)的技術(shù)變革中，整車上各ECU的功能被重新分配和整合到域控制器或者是中央控制器中，比如VCU和BMS以及電機(jī)控制器等被整合成動力域控制器，各個車身控制的邏輯被上移至車身域控制器，泊車控制器和行車控制器整合成智駕控制器等。以特斯拉為例，其最新一代的車身控制器架構(gòu)中，用了三個車身域控（左右前）來實現(xiàn)大多數(shù)的車上的執(zhí)行器的操作從而省卻了傳統(tǒng)的ECU。下圖為特斯拉的前車身控制板控制的外部執(zhí)行器。

▲圖2 特斯拉的前車身控制板控制的外部執(zhí)行器

在這樣的變革中，當(dāng)前階段看到三個問題有待解決。

第一個問題是當(dāng)前的整車EE的架構(gòu)的還在快速迭代中，有些智能執(zhí)行器的功能在新車型上會被臨時增加，集成的車身域控中可能未必實現(xiàn)考慮到這樣的執(zhí)行器的布置。舉個例子來講有些車廠增加了自動充電小門的功能，或者旋轉(zhuǎn)大屏的功能，這些增加的功能又不在原本的域控的計劃內(nèi)，這就需要有一個簡便的智能執(zhí)行器的增加方式。

第二個問題是由于集成域控的功能過于集中，一個在域控板卡上的小部件的損壞會帶來比較大的維修成本，包括拆卸的人工，故障定位和更換售后的成本。

第三個問題是線束的數(shù)量。域控的出現(xiàn)原則上是減少線束的數(shù)量，重量和成本，但是事實上由于域控需要直接驅(qū)動各類電機(jī)，由于驅(qū)動電流相對比較大，往往很多需要走功率的線束需要從域控的接插件中走出，事實上各類電機(jī)線束和接插件PIN針的數(shù)量和成本并沒有大幅減少，而且還帶來了整車EMI的挑戰(zhàn)。

在這樣的前提下，業(yè)內(nèi)對于執(zhí)行器，有另一種發(fā)展的觀點就是所謂的電子智能執(zhí)行器的應(yīng)用。

和傳統(tǒng)的電機(jī)+執(zhí)行機(jī)構(gòu)+ECU架構(gòu)不同的是，新一代的電子執(zhí)行器往往做到驅(qū)動電路和位置反饋用傳感器直接集成進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)中，使得執(zhí)行器成為一個帶有LIN總線接口或者CAN總線接口的小型化的標(biāo)準(zhǔn)器件從而大大減少傳統(tǒng)的ECU和電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的線纜連接的數(shù)量。

舉一個例子來講就是新能源汽車的隱藏式電子出風(fēng)口的應(yīng)用：一個電子出風(fēng)口，由于要支持上下和左右的風(fēng)扇擺動，在一個出風(fēng)口內(nèi)要安裝兩個步進(jìn)電機(jī)。一輛車前部四個出風(fēng)口，后部兩個出風(fēng)口，就需要總共驅(qū)動12個步進(jìn)電機(jī)。

▲圖3 新能源汽車隱藏式電子出風(fēng)口應(yīng)用

每個步進(jìn)電機(jī)需要4根驅(qū)動線，如果直接采用中央域控的方案，那就需要總共48根驅(qū)動線來控制所有的風(fēng)門電機(jī)，而且全部都需要連接到域控的輸出接插件上面。這樣方式無論是從線纜的成本來講，或者系統(tǒng)裝配的復(fù)雜度來講，都不是最優(yōu)的。

如果采用智能執(zhí)行器，將步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)的驅(qū)動電路（驅(qū)動電路做集成在電機(jī)模塊內(nèi)部）做成一個標(biāo)準(zhǔn)的模塊，對外信號就只剩下12V，GND,LIN_IN和LIN_OUT，那就利用LIN的Bus Shunt Mode（BSM）來構(gòu)成級聯(lián)的方式大大減少總的線纜數(shù)量。在域控上只需要在LIN總線發(fā)對應(yīng)的位置命令就可以，而不在需要去關(guān)注電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。下圖為電子出風(fēng)口中的智能執(zhí)行器模塊。

 ▲圖4 電子出風(fēng)口中的智能執(zhí)行器模塊

從成本上來講，雖然每個電機(jī)都有個單獨的驅(qū)動貌似會增加一點成本，但是由于線纜的數(shù)量/長度以及域控接插件的PIN腳大為減少，其實總的成本反而會減少。另外，后續(xù)的維修成本也因為控制部分不在域控上從而大大減少。這個就是智能執(zhí)行器所給予的車身域控架構(gòu)的一個很好的補(bǔ)充。

類似的智能執(zhí)行器，在新能源車上的應(yīng)用比比皆是，比如：電子充電門，電子旋轉(zhuǎn)大屏執(zhí)行器，電子水閥，AGS，大燈隨動，座椅通風(fēng)電機(jī)控制等。

電子執(zhí)行器的關(guān)鍵是電子控制電路需要做的很小，可以內(nèi)嵌入電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中把電機(jī)變成一個標(biāo)準(zhǔn)的可以通過LIN或者CAN總線來進(jìn)行直接數(shù)字控制的部件。而要做到這點，就只有有高集成度的電機(jī)控制SoC專用芯片才能做到。

這樣的芯片，目前市面上有的并不多，比如比利時Melexis公司的MLX81332，或者德國Micronas的HVC4223這樣的芯片?？上驳氖?，目前國內(nèi)的半導(dǎo)體公司也看到這一趨勢并開發(fā)出了類似的SoC芯片來填補(bǔ)這一應(yīng)用細(xì)分領(lǐng)域的國內(nèi)空白，目前知道的有納芯微的NSUC1610 。

 ▲圖5 納芯微NSUC1610

這個芯片最大的特點就是可以用汽車12V電池直接供電并在內(nèi)部集成電源，LIN總線物理層，4個半橋的驅(qū)動滿足20W以內(nèi)直流有刷，直流無刷或者步進(jìn)電機(jī)的直接驅(qū)動。基本上在PCB上就不在需要太多外圍元器件就可以直接搭建一個電子執(zhí)行器的驅(qū)動電路。完美的滿足一個電子執(zhí)行器要的全部功能。

在高集成度SoC電子芯片的推動下，智能執(zhí)行器在新能源汽車的新的EE架構(gòu)中可能會是后續(xù)車身域控的一個完美的補(bǔ)充。