“新四化”背景下線控換擋器發展展望

欒偉，胡錫勝，黃銳景，陳志勇，王琪，黃迅，陳杰彬，李瀛

(廣汽零部件有限公司技術中心，廣東廣州 511447)

0 引言

在過去很長一段時間里，汽車換擋器一直唯機械擋桿獨尊。隨著整車電子電氣架構的快速發展，線控技術(X-by-Wire)應用越來越廣泛，特別是在線控底盤方面。線控底盤和駕駛息息相關的是線控換擋、線控轉向、線控制動。自動駕駛中車輛行駛、轉彎和制動依靠的即是這3種線控技術。線控換擋是實現智能駕駛的核心產品，其一方面省去傳統機械式結構，換擋器體積小、布置靈活；另一方面可實現電控換擋，為輔助駕駛和無人駕駛奠定基礎[1]；線控換擋器能滿足常規動力AT、DCT和新能源車型的換擋需求。目前，市場上主要的線控換擋器操縱機構形式有4種：(1)懷擋式，代表車型是奔馳、特斯拉；(2)擋桿式，代表車型有奧迪A8L、寶馬5系、普銳斯；(3)按鍵式，代表車型有林肯MKZ、本田冠道；(4)旋鈕式，代表車型是路虎極光、捷豹。這些新型線控換擋器的出現，相較于傳統機械換擋器更安全、更智能、更易體現科技豪華感，線控換擋技術未來將會是國內外主流車型的標準配置。隨著無線通信、人工智能、大數據及云計算等新技術不斷應用到汽車領域，將不斷驅動汽車智能化、網聯化、電動化及共享化的研發與應用，汽車從單一的出行工具逐步轉變為生活中的“第三空間”；線控換擋器的發展將面臨諸多的機遇與挑戰。

1 線控換擋器的應用

停車難是目前一二線城市中普遍存在的問題，因此自主泊車功能有著廣泛的需求。目前，自動泊車技術已經接近成熟，但自動泊車僅僅是汽車找到車位后輔助駕駛者或者自動泊入停車位的過程，自主泊車作為自動泊車的高級形式，則是從汽車到達停車場到尋找車位、泊入車位都不需要人為干預，其智能程度遠超自動泊車。實現自主泊車的車輛必須具有線控換擋的硬件基礎。隨著行業的發展，伴隨著科技的進步以及基礎設施的改進，未來，自主泊車系統必將成為一種潮流。同時，智能車庫也是未來發展趨勢之一，汽車停到車庫入口處，車庫會自主分配車輛位置，車輛自主泊車，這一切都將為線控換擋提供充分的應用市場空間。

智加科技使用林肯MKZ測試樣車如圖1所示，自動駕駛車輛中的算法最終控制執行機構的動作。線控技術不依賴駕駛員的力或扭矩輸入，林肯MKZ混動版的剎車、油門和轉向控制都使用線控技術，最重要的換擋采用按鈕式線控換擋器，這正是實現自動駕駛的關鍵一步，使得林肯MKZ深受各大自動駕駛初創公司的歡迎，成為各大自動駕駛初創公司的主流樣車。

圖1 智加科技使用林肯MKZ測試樣車

2 汽車電子電氣架構進化及域控制器普及帶來新變化

在傳統整車電子電氣架構體系下，控制器的設計通常基于特定的功能，即模塊化和集成化設計思路。隨著車輛的電子化程度逐漸提高，汽車ECU數量迅速增加，高端車型里的 ECU 數量平均達到50～70個，個別車型甚至超過100個。這樣的架構存在著非常大的局限性：線束長度和質量劇增、傳輸信號帶寬的局限、數據資源無法共享以及大量運算資源被浪費。域控制器DCU(Domain Control Unit)因為有強大的硬件計算能力與豐富的軟件接口支持，讓更多核心功能模塊集中于域控制器內，系統功能集成度極大提高。這樣外圍感知與執行功能的硬件要求將降低，逐步變成只具備基本功能標準零件。

未來集中式汽車電子電氣架構將分為3層，如圖2所示，頂層為云計算服務平臺，中層為車載計算控制平臺(即域控制器)，下層為機電一體化的標準化執行器和傳感器控制器。一般將汽車電子電氣系統分為5個功能域，分別是動力總成域、底盤域、車身域、信息娛樂域和輔助/自動駕駛域[2]，線控換擋器歸屬底盤域。目前的線控換擋器系統有兩種存在形式，一種的特點是集成式由2部分構成：換擋操縱機構GSM和換擋執行器SCU，GSM采集駕駛員的換擋動作綜合邏輯判斷后直接驅動SCU進行擋位切換。另一種的特點是模塊化由3部分構成，換擋操縱機構GSM、換擋執行器控制器ACM和換擋執行器SCU，GSM采集駕駛員的換擋動作綜合邏輯判斷后向CAN總線發送擋位請求，ACM從CAN總線收到換擋請求后驅動SCU進行擋位切換。域控制器普及后，GSM僅保留換擋動作采集和發送擋位請求功能，底盤域控制器將集成原GSM的換擋邏輯處理軟件包，SCU將集成在變速箱中并由變速箱控制器TCU驅動，ACM隨之取消，線控換擋器極大簡化。

圖2 未來汽車電子電氣架構構成

3 車載以太網、5G技術、高級別自動駕駛下的發展

高級別自動駕駛汽車需要域控制器、以太骨干網和5G技術的支持。新奧迪A8是第一款自稱L3級別自動駕駛的汽車，擁有多個第一，例如第一個使用激光雷達，第一個使用域控制器，第一個使用車載以太網做骨干網的運算架構。即便如此，奧迪A8仍然不能算嚴格意義上的L3級別自動駕駛。5G技術為車聯網帶來更大的通信帶寬和更低的延遲。使用以太網為車載網絡骨干，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個域級別的汽車網絡[3]。各個域控制器在實現專用的控制功能的同時，還提供強大的網關功能。這種基于域控制器的架構將改變傳統的車載網絡中ECU到ECU點到點的通信方式，如：(1)在底盤控制域內部，各部件通過CAN、LIN總線實現數據共享(類似于傳統車載網絡架構)；(2)在娛樂子網中，娛樂域控制器與其子部件的通信通過以太網實現；(3)當一個域需要與其他域交換信息時則經由網關、以太網路由實現。未來高級別自動駕駛的汽車將把域控制器、以太骨干網和5G技術作為標配。在車載以太網、5G技術和高級別自動駕駛的普及下，線控換擋器依舊掛在底盤域控制器下，換擋操縱機構GSM、換擋執行機構SCU和底盤域控制器之間通信采用CAN總線。車載以太網域級別架構如圖3所示。

圖3 車載以太網域級別架構

4 智能座艙的線控換擋器

隨著消費者需求層次的不斷提升，其對汽車的需求亦從單一的出行工具逐步轉變為生活中的“第三空間”。

智能座艙發展大致有4個階段：(1)電子座艙階段。車載人機交互系統逐步整合，構成“電子座艙”。(2)智能助理階段。觸屏、語音、手勢等多模交互技術應用[4]，推動交互方式升級，生物識別技術應用，催生駕駛員監控系統迭代，增強車輛感知能力。(3)人機共駕階段。語音控制和手勢控制技術取得突破，基于多模感知手段的融合，使感知更精準和主動。(4)第三生活空間階段。與其他“空間”不同，車輛自帶可移動的屬性，可以通過網聯功能輕松實現線上與線下體驗的無縫連接，基于車輛位置信息，融合信息、娛樂、餐飲、互聯等功能為消費者提供加倍的便捷體驗。

隨著觸摸、語音、手勢等多模交互技術的突破，GSM傳統的懷擋、擋桿、按鍵或旋鈕等機械操縱結構將消失，其重點將是利用多模交互技術準確采集換擋交互動作，GSM體積將進一步縮減，可布置在任意方便使用的位置。中央處理器集成GSM的換擋動作識別軟件包、換擋邏輯處理軟件包和擋位請求發送功能，將ACM取消后，SCU集成在變速箱中并由TCU驅動。廣汽ENO.146概念車座艙如圖4所示。

圖4 廣汽ENO.146概念車座艙

5 結束語

在當前嚴峻的經濟形勢和市場環境下，當務之急是練好基本功，做好線控換擋器的可靠性設計和成本管理。隨著汽車朝著智能化、網聯化、電動化及共享化的不斷發展，需要及早做好布局和預研，保持對用戶潛在需求的關注，只有這樣，才能在未來汽車行業發生巨變時從容應對。