什么是EPS？通過馬達(dá)來輔助轉(zhuǎn)向操作的系統(tǒng)

背景

EPS是一種通過馬達(dá)來減輕和輔助駕駛員在轉(zhuǎn)向操作時所需力量的設(shè)備。此外，通過采用EPS，可望提高燃效，降低車輛重量。我們將在本消息中就EPS的功能和系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行解說，同時對構(gòu)成的電子零部件進(jìn)行介紹。

PART01

什么是EPS？

EPS（Electric Power Steering）是一種通過馬達(dá)來輔助駕駛員操作方向盤的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用發(fā)動機(jī)的動力來驅(qū)動液壓泵以進(jìn)行輔助。而EPS則根據(jù)轉(zhuǎn)向裝置的操作信息，通過電氣控制來進(jìn)行輔助。與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS不使用發(fā)動機(jī)的動力，因此可望提高燃效。

圖1 EPS的工作

PART02

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)變化趨勢

?電動化

利用電池的電力驅(qū)動，提高燃效，簡化機(jī)構(gòu)。在自動駕駛時，完全需要由汽車來進(jìn)行控制，因此電動化是必不可少的。

?By-Wire（線控）

方向盤軸和車輪軸在機(jī)械上分離，并進(jìn)行電連接。由于機(jī)械上分離，因此可以實現(xiàn)更精細(xì)的操作控制。隨著自動駕駛水平的提高，主要將由汽車本身進(jìn)行操作，駕駛員將成為輔助角色，因此人工操作的轉(zhuǎn)向裝置的必要性下降，最終將不再需要轉(zhuǎn)向裝置，而只在車軸一側(cè)進(jìn)行操作。

圖2 基于By-Wire的構(gòu)成變化

?冗余化

為了提高安全性和可靠性，馬達(dá)驅(qū)動的逆變器電路等由2個電路構(gòu)成并進(jìn)行冗余化。

圖3 冗余化引起的構(gòu)成變化

PART03

關(guān)于市場和設(shè)備的趨勢

EPS的安裝率今后有望增加。目前生產(chǎn)的汽車的自動駕駛水平大多在Lv2以下，但隨著自動駕駛水平的提高，預(yù)計By-Wire會相應(yīng)地增加。在By-Wire系統(tǒng)中，取代機(jī)械連接，馬達(dá)數(shù)量增加，EPS整體上為了提高安全性和可靠性，如果同時推進(jìn)馬達(dá)控制電路的雙重系統(tǒng)化（冗余化），耗電量的增加則將令人擔(dān)憂。為了解決這些課題，對構(gòu)成EPS的電子零部件提出了“低損耗”、“高耐熱”、“高精度（溫度）”、“小型化”的要求。

PART04

關(guān)于EPS的電路構(gòu)成

總體構(gòu)成

噪聲濾波器：抑制來自外部或者來自該電路的噪聲

電壓轉(zhuǎn)換電路：通過藉由FET等的開關(guān)來轉(zhuǎn)換電壓。此外，進(jìn)行FET等的溫度測量

柵極驅(qū)動電路：控制開關(guān)元件的柵極

控制電路：控制整個電路

DC/DC轉(zhuǎn)換器：向控制電路供給電源

通信I/F：與外部的通信電路

圖4 EPS的總體構(gòu)成

PART05

個別電路

及構(gòu)成零件

1

噪聲濾波器（輸入/輸出）

在噪聲濾波器電路中，抑制來自外部或來自該電路的噪聲，并防止電路誤工作。濾波器上通常組合使用大型線圈和電容器。

使用部件

噪聲去除/平滑

導(dǎo)電性聚合物

混合鋁電解電容器

?藉由大容量、低ESR和高紋波性能，為電路的小型化/大功率化（低電壓和大電流）做出貢獻(xiàn)。

?藉由支持高頻容量特性，為去除電路的高頻開關(guān)化所產(chǎn)生的寬帶和高頻率噪聲做出貢獻(xiàn)。

電壓轉(zhuǎn)換

車載用功率電感器

?藉由金屬磁性材料的低損耗和大電流性能，為電路的小型化/大功率化（低電壓和大電流）做出貢獻(xiàn)。

?藉由損耗特性的高頻化（低ACR），為抑制電路的高頻開關(guān)化損耗做出貢獻(xiàn)。

2

電壓轉(zhuǎn)換電路

在電壓轉(zhuǎn)換電路中，通過多個開關(guān)元件來進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換。通過令開關(guān)元件On/Off來執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作，但由于元件On/Off時會產(chǎn)生噪聲，因此通常在元件（FET）的柵極端子上使用電阻器來抑制驅(qū)動噪聲。此外，為了防止開關(guān)元件等因在高功率下工作而產(chǎn)生規(guī)定以上熱量時造成的故障，通常會使用NTC熱敏電阻器來進(jìn)行溫度測量。

使用部件

開關(guān)元件柵極驅(qū)動噪聲抑制

貼片電阻器

(小型高功率貼片電阻器)

?藉由獨(dú)特的電阻器圖案、電極結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)小型高功率化，為電路的小型化做出貢獻(xiàn)。

開關(guān)元件等的溫度測量

NTC熱敏電阻器（片式）

?藉由小型、高耐熱且獨(dú)特的外電形成技術(shù)實現(xiàn)的高可靠性，為電路溫度補(bǔ)償?shù)母呔然龀鲐暙I(xiàn)。

3

DC/DC轉(zhuǎn)換器

DC/DC轉(zhuǎn)換器主要由FET、線圈、電容器構(gòu)成。為了去除輸入部的噪聲和使得輸出部平滑，通常使用導(dǎo)電性聚合物混合鋁電解電容器，為了進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，通常使用車載用功率電感器。

使用部件

噪聲去除、開關(guān)和平滑

導(dǎo)電性聚合物混合鋁電解電容器

?

藉由大電容、低ESR和高紋波性能，為電路的小型化和高功率化（低電壓和大電流）做出貢獻(xiàn)。

?

藉由支持高頻容量特性，為去除電路的高頻開關(guān)化所產(chǎn)生的寬帶和高頻率噪聲做出貢獻(xiàn)。

電壓轉(zhuǎn)換

車載用功率電感器

?藉由金屬磁性材料的低損耗和大電流性能，為電路的小型化和大功率化（低電壓和大電流）做出貢獻(xiàn)。

?藉由損耗特性的高頻化（低ACR），為在電路的高頻開關(guān)化中抑制損耗做出貢獻(xiàn)。

圖5 在DC/DC轉(zhuǎn)換器上使用的零部件

4

通信I/F

在通信I/F（通信）電路中，使用兩根線與外部設(shè)備（CAN、Ethernet等）進(jìn)行通信。此時，如果噪聲或靜電從通信線混入，則可能會導(dǎo)致收發(fā)器IC故障。因此，收發(fā)器電路中作為靜電預(yù)防措施通常由壓敏電阻器構(gòu)成。

使用部件

ESD噪聲去除

片式壓敏電阻器

?

藉由具有廣泛電容特性的產(chǎn)品陣容，在保持電路通信品質(zhì)的同時，為抑制靜電（ESD）噪聲做出貢獻(xiàn)。

?片式壓敏電阻器藉由其8～250pF的電容特性，支持從低速到高速的通信速率。

圖6 在通信I/F上使用的零部件

小結(jié)

EPS是一種通過馬達(dá)來輔助駕駛員的轉(zhuǎn)向操作的系統(tǒng)。預(yù)計今后將隨著自動駕駛水平的提高，僅通過電氣控制進(jìn)行操作的By-Wire將會增加，結(jié)果將會導(dǎo)致EPS安裝率的增加。如果取代液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等機(jī)械連接的馬達(dá)數(shù)量增加，整輛汽車的耗電量就會增加。此外，隨著自動駕駛水平的提高，為了進(jìn)一步提高安全性和可靠性，預(yù)計馬達(dá)控制電路的冗余化也將進(jìn)一步發(fā)展。為了應(yīng)對這些技術(shù)進(jìn)化，構(gòu)成EPS的電子零部件必須支持“低損耗”、“高耐熱”、“高精度（溫度）”、“小型化”。松下機(jī)電株式會社備有面向EPS的廣泛的產(chǎn)品陣容（表1）。

審核編輯 黃宇