汽車線控技術的研究現(xiàn)狀及展望

摘要：汽車的智能化、網(wǎng)絡化和信息化是汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展趨勢，隨著自動控制理論和汽車電子控制技術的成熟與發(fā)展，越來越多的自動控制技術應用于汽車，而汽車線控技術（X-By-Wire）就是其中之一。本文研究和探討了汽車線控技術的工作原理，簡要列舉了線控系統(tǒng)的組成及線控技術的實際應用，介紹了線控技術的前景并深入研究了線控技術的主要特點——操縱輕便、舒適高效、質量輕化。最后，對線控技術在未來汽車領域中的應用做了展望。

關鍵詞：汽車線控技術（X-By-Wire） 線控制動 線控轉向 冗余技術 總線技術

中圖分類號： U463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1引言

汽車線控技術（X-By-Wire）最早應用于飛機，被稱為電傳操縱技術（Fly-By-Wire）。其基本原理是將飛機的各類信號通過傳感器轉換為電信號，將電信號輸入到ECU，ECU輸出控制指令控制各執(zhí)行器（副翼、升降舵等）動作，從而控制飛機的航向和高度等。汽車線控技術由飛機的線控技術演化而來，同樣有傳感器、控制器和執(zhí)行器等組成，由導線和電子元器件取代了傳統(tǒng)的機械和液壓傳動裝置，將駕駛員的動作指令傳遞到執(zhí)行器，結構大為簡化。線控技術的應用，簡化了汽車的機械結構，降低了汽車的整車整備質量，提高了汽車燃油經(jīng)濟性；增加了發(fā)動機艙及底盤的布置空間，方便了其他總成的布置和設計；線控系統(tǒng)由電信號代替了液壓傳動和機械傳動，幾乎不存在延遲，改善了系統(tǒng)響應的及時性，提高了乘客乘坐的舒適性；線控技術不存在機械失效的形式，與機械和液壓傳動相比，進一步提高了工作可靠性。線控技術的發(fā)展愈發(fā)智能化，在未來將會有更廣闊的應用前景。

2線控技術的應用

2.1線控制動技術

X-By-Wire中X代表與駕駛相關的操作或系統(tǒng)，例如轉向（Steering）、換擋（Shift）、懸架（Suspension）等，而線控制動技術就是Braking-By-Wire。線控制動系統(tǒng)主要由傳感器組（包括踏板力和位移傳感器、車速傳感器、轉向盤轉角傳感器等）、電子控制單元、電機制動模塊和電子通信網(wǎng)絡等組成。傳感器將駕駛員踩制動踏板的動作轉換為電信號，輸入ECU。ECU根據(jù)輸入的電信號分析虛擬踏板力的大小，進而決定最佳制動力的大小并以電信號的形式輸出至電機制動模塊。電機制動模塊根據(jù)輸入電信號的大小動作，對車輪進行制動。

線控制動系統(tǒng)的關鍵技術之一在于電機制動模塊。同機械式制動系統(tǒng)類似，依據(jù)制動器的結構形式，線控制動系統(tǒng)的制動器也分為兩大類：電機鼓式制動器和電機盤式制動器。鼓式制動器雖然具有較好的增力作用，但其涉水性能和抗熱衰退性遠不如盤式制動器，因此其制動穩(wěn)定性較差。電機盤式制動器又分為兩類，自增力式和無自增力式。其中，自增力式盤式制動器由于存在楔塊自增力機構，改善了制動效果，減少了功率消耗，因而可以設計成較小的尺寸，具有更廣闊的應用前景。

奔馳、博世、西門子等眾多知名公司都致力于汽車線控制動技術的研究，并取得了一系列研究成果。SKF公司，曾與意大利一家制動系統(tǒng)生產(chǎn)廠商聯(lián)合推出一款概念車。該車搭載了線控制動系統(tǒng)，曾于瑞士日內(nèi)瓦車展亮相，成為此次車展的一大亮點。此外，德爾福公司曾推出一款混合制動的新車型。該車后輪采用了電動制動鉗，結合電子控制，為以后線控制動技術的發(fā)展奠定了基礎。隨著線控制動技術的成熟與發(fā)展，越來越多的車型將會采用線控制動系統(tǒng)。線控制動技術將會成為汽車領域繼ABS之后又一革命性技術。

2.2線控轉向技術

線控轉向技術（Steering -By-Wire），是指省去了轉向盤和轉向車輪之間的機械結構，利用傳感器和電子元器件將駕駛員的轉向指令轉換為電信號輸入ECU，ECU輸出控制信號給執(zhí)行器，執(zhí)行器控制轉向輪動作，完成轉向操作。線控轉向系統(tǒng)主要由數(shù)字傳感器、電子控制單元、實時軟件、電子動力轉向裝置等組成。

在線控轉向系統(tǒng)中，車速傳感器用于檢測車速信號，轉向盤轉角傳感器和轉矩傳感器用于檢測轉向盤轉角和轉矩的大小，電子控制器ECU綜合車速、轉角和轉矩信號，向轉向電動機輸入轉向信號控制轉向輪動作，完成駕駛員的轉向指令。同時，ECU還會向反饋電動機輸入信號，模擬轉向盤的反饋力矩，使駕駛員得到較適宜的路感信息。

此外，電子控制器ECU還具有類似于糾錯的功能，能夠對駕駛員操作指令或汽車狀態(tài)進行識別。當駕駛員操作失誤或者汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)時，ECU會自動過濾錯誤信號或向轉向電動機輸出動作信號控制轉向輪，使汽車盡可能保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3線控油門技術

線控油門技術，亦即電子節(jié)氣門技術。線控油門的基本原理同線控制動的工作原理類似。線控油門系統(tǒng)由加速踏板傳感器、控制器、傳遞線路以及節(jié)氣門執(zhí)行器組成。線控油門系統(tǒng)分析駕駛員施加于加速踏板上的壓力，對節(jié)氣門開度進行控制。線控油門系統(tǒng)的傳感器主要包括加速踏板傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、車速傳感器、氧傳感器等。工作時，駕駛員對加速踏板施加壓力，加速踏板傳感器采集加速踏板上的壓力信號并將壓力信號轉換成電信號，電信號通過回路傳遞給電子控制器ECU。ECU綜合來自加速踏板傳感器、車速傳感器以及氧傳感器的信號并加以分析和處理，輸出控制信號。根據(jù)來自ECU的控制信號的情況，節(jié)氣門執(zhí)行器增大或減小節(jié)氣門開度，從而改變進入進氣歧管的空氣量，改變空燃比。節(jié)氣門執(zhí)行器通常為一伺服電機，由ECU的控制信號控制其正轉或反轉。

線控油門技術已有較為普遍的應用，本田雅閣即是較早應用線控油門技術的車型之一。與傳統(tǒng)的油門相比，線控油門系統(tǒng)省去了從加速踏板到節(jié)氣門的機械傳動機構，減少了延遲，提高了響應的及時性。

3 線控技術的局限

3.1車用42V電源系統(tǒng)的開發(fā)

線控系統(tǒng)的執(zhí)行器主要是大功率的電動機以及伺服電機。線控系統(tǒng)的執(zhí)行器相對于傳統(tǒng)的執(zhí)行器功率而言消耗極高，例如一個轉向電動機功率為550～800W，而電機盤式制動器的功率大約為1000W。現(xiàn)有的車載12V電源系統(tǒng)無法滿足線控系統(tǒng)的高功率要求，因此，必須對現(xiàn)有的車用電源系統(tǒng)進行升級。研究表明，42V電源系統(tǒng)能較好的滿足線控系統(tǒng)的要求，有利于電動執(zhí)行器的優(yōu)化布置。但與此同時，電壓升高后會帶來電弧放電、電磁噪聲、絕緣和耐蝕性等一系列技術問題。

3.2 傳感器開發(fā)應用

車用傳感器是隨汽車工業(yè)的發(fā)展而成熟。傳感器技術的應用極大地促進了汽車的智能化發(fā)展，而線控技術對傳感器的依賴程度更高。線控技術必須以車速傳感器、轉向盤轉角和轉矩傳感器、橫擺角速度傳感器、車身位移傳感器等一系列傳感器為基礎才能實現(xiàn)。傳感器的數(shù)據(jù)采集及轉換的準確度極大地制約了線控技術控制的精確度。因此，精度高、尺寸小、結構簡單、工作可靠的傳感器的研制開發(fā)也是X-By-Wire的關鍵技術之一。

3.3高可靠性的冗余技術

線控系統(tǒng)結構的復雜程度越高，其可靠性就越低，任何一個電子元器件的失效都將對行車安全帶來嚴重的威脅。在線控系統(tǒng)的設計中，引入了“冗余技術”的理念，即容錯。傳感器冗余、執(zhí)行器冗余等將在很大程度上提高線控系統(tǒng)的工作可靠性。

3.4總線技術

總線技術是實現(xiàn)線控技術的前提條件。國際眾多知名汽車公司都致力于總線技術的研究和開發(fā)，隨著線控技術的發(fā)展，產(chǎn)生了多種總線標準。其中，最具代表性的是TTP、Byteflight和FlexRay，特點是具有高速和實時傳輸特性。在這其中，F(xiàn)lexRay是最具潛力的技術之一，得到了眾多汽車廠商的支持。汽車的控制系統(tǒng)應具有較高的通信速率，未來的總線技術首先必須滿足下一代車用網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的要求。其次，如3.3所述，由于在線控系統(tǒng)中引入了冗余技術，總線技術必須能夠支持多種容錯策略。此外，總線技術還要滿足中斷處理的要求。

3.5成本高昂

成本問題也極大的限制了線控系統(tǒng)的研發(fā)與推廣。線控系統(tǒng)中增加了大量傳感器及芯片的應用，而電子產(chǎn)品研發(fā)及應用增加了汽車生產(chǎn)的成本。調(diào)查顯示，電子設備的成本已占整車生產(chǎn)成本的30%以上，而引入線控系統(tǒng)后電子設備成本所占比例將會更大。作為新興的技術產(chǎn)業(yè)，新研發(fā)的電子產(chǎn)品通常都具有較高的價格，隨著技術的成熟以及產(chǎn)品的更新?lián)Q代，相信線控系統(tǒng)的成本將會有所降低。

4 國內(nèi)外研究下現(xiàn)狀及展望

2002年巴黎車展上，通用公司曾推出一款叫做“Hy-wire”線控燃料電池車，Hy-wire意為“氫燃料驅動一線傳操控”。2003年，日本豐田公司在紐約國際車展上展示了一款概念車，該車即采用了Steering -By-Wire技術；2004 年，德爾福公司推出了混合線控制動系統(tǒng)（Hybrid Brake-by-wire），它在兩個后制動輪上用電機盤式制動器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓盤式制動器，同時還搭載了電動駐車制動；而奔馳公司推出的 SL 500 和 SL 350 ，是世界上首次采用線控制動技術的量產(chǎn)車型。我國線控技術研究起步較晚，吉林大學、同濟大、武漢理工大學、南京理工大學等院校以及眾多科研機構對線控技術正進行相關研究，線控技術正成為我國汽車領域的重點研究課題。2004，同濟大學研制出搭載了線控轉向系統(tǒng)的“春暉三號”并于工博會上展出，該車取消了轉向盤和轉向器之間的機械連接，成為展會的亮點之一。可以預見，線控技術若能有效解決五個方面的主要技術局限，以其智能化、信息化和網(wǎng)絡化的優(yōu)勢，必將成為未來汽車技術的發(fā)展方向之一。

5結語

線控技術的應用，以電子線路和電子元器件取代了傳統(tǒng)的機械和液壓傳動裝置，使汽車變得更加輕量化和智能化，改善了汽車的動力性、經(jīng)濟性以及乘坐舒適性，使得線控汽車具有傳統(tǒng)汽車無可比擬的優(yōu)勢。盡管線控技術的發(fā)展還不成熟，一些關鍵技術還存在局限尚未得到解決，但線控技術實現(xiàn)了高精度的電子控制，是未來實現(xiàn)汽車自動駕駛以及車聯(lián)網(wǎng)技術的基礎和關鍵所在，因而具有極其重要的意義，是汽車發(fā)展史上的轉折點。預計在不久的將來，線控技術將成為車輛的主要發(fā)展方向，經(jīng)過進一步的研發(fā)和推廣，線控技術將更加成熟，線控技術在汽車領域將有更廣泛的應用。線控技術在汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和應用，必將帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，推進汽車工業(yè)跨上一個新臺階。

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