新能源汽車智能駕駛線控底盤技術(shù)應(yīng)用研究

劉建銘　劉建勇　張發(fā)忠

摘 要：新能源汽車智能駕駛線控系統(tǒng)包含了線控轉(zhuǎn)向、線控制動、線控?fù)Q擋、線控油門幾部分構(gòu)成。線控底盤技術(shù)屬于新能源汽車智能駕駛涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，也是推進(jìn)智能駕駛不斷更新發(fā)展的有效支撐，是現(xiàn)階段新能源汽車研發(fā)制造的熱點問題。本文結(jié)合筆者實際研究，探討了新能源汽車智能駕駛線控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其線控底盤技術(shù)的基本原理，對全矢量控制線控底盤技術(shù)展開分析。

關(guān)鍵詞：新能源 智能駕駛 線控底盤 技術(shù)應(yīng)用

1 引言

線控底盤技術(shù)屬于新能源汽車智能駕駛更新發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是未來汽車智能駕駛的必然選擇。線控底盤技術(shù)的應(yīng)用改變了過去那種復(fù)雜的機械連接設(shè)備和液壓、氣壓等零部件，在很大程度上促進(jìn)了能量利用效率提升，在很大程度上提高了新能源汽車可支持的續(xù)航。按照國務(wù)院2020年正式提出的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2020-2035）》中的要求，更高級別的智能駕駛汽車在未來必然能夠得以推廣普及，當(dāng)前新能源汽車行業(yè)的共識便是“無線控，不自動駕駛”，這也很好地說明了線控底盤技術(shù)在新能源汽車智能駕駛領(lǐng)域占據(jù)的重要位置。

2 新能源汽車線控底盤技術(shù)原理

現(xiàn)階段新能源汽車智能駕駛線控底盤系統(tǒng)包含了線控油門、線控轉(zhuǎn)向、線控制動以及線控?fù)Q擋四個基本模塊，下文針對這四個子模塊的結(jié)構(gòu)與基本原理展開詳細(xì)分析。

2.1 線控油門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

線控油門系統(tǒng)即電子節(jié)氣門技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)包含了加速踏板傳感器、控制器、傳遞線路和節(jié)氣門執(zhí)行器構(gòu)成。其中涉及到的傳感器除開加速踏板傳感器之外，還包含了節(jié)氣門開度傳感器、車速傳感器以及氧傳感器，詳細(xì)見下圖1。

新能源汽車智能駕駛線控油門系統(tǒng)的基本實現(xiàn)流程也能夠通過上圖1來分析，控制器模塊能夠直接獲取到駕駛?cè)藢τ烷T踏板發(fā)出的力度，收集整合其他傳感器提供的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而了解駕駛員的操作意向，再依靠既定程序與參數(shù)直接命令執(zhí)行器執(zhí)行相關(guān)動作，最終實現(xiàn)控制加速[1]。因為傳感器信號可能會因為其他各種電子設(shè)備而受到影響，導(dǎo)致給出的信號存在偏差，對于該現(xiàn)象可以選擇能夠?qū)崿F(xiàn)線控的控制模塊的電路結(jié)構(gòu)，從而有效防止信號錯誤，同時制定可以準(zhǔn)確判定駕駛?cè)艘鈭D并進(jìn)行故障有效診斷的安全監(jiān)控方案。

2.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

這一系統(tǒng)直接改變了過去汽車轉(zhuǎn)向盤和車輪間的機械系統(tǒng)，通常來說包含了轉(zhuǎn)向盤模塊、轉(zhuǎn)向機模塊以及整車傳感器模塊。轉(zhuǎn)向盤模塊詳細(xì)劃分為方向盤、轉(zhuǎn)向盤傳感器以及路感電路及;轉(zhuǎn)向機模塊主要有轉(zhuǎn)向機與執(zhí)行器;整車傳感器模塊細(xì)分為車速傳感器、加速度傳感器、橫擺角傳感器和控制器，具體見下圖2。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的主要功能在于利用轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器把駕駛?cè)俗龀龅霓D(zhuǎn)向動作轉(zhuǎn)化成電信號傳輸?shù)娇刂破?，通過控制器再將信號傳遞到執(zhí)行器，隨后控制轉(zhuǎn)向輪動作，進(jìn)而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向流程。方向盤以及轉(zhuǎn)向輪借助控制信號實現(xiàn)有效連接，傳動比能夠利用軟件合理調(diào)整，能夠與線控底盤系統(tǒng)的其他模塊之間進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。

需要注意的一個問題是，控制器能夠獲取其他傳感器提供的信號，對路面狀況予以識別，同時把信號傳遞到方向盤模塊。同時線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制模塊擁有相應(yīng)的糾錯能力，可以根據(jù)實際行車狀態(tài)來對駕駛?cè)税l(fā)出的操作指令予以準(zhǔn)確識別，進(jìn)而最終決定執(zhí)行與否。比如說在汽車處于高速行駛狀態(tài)時，駕駛?cè)送蝗话l(fā)出較大幅度的轉(zhuǎn)向指令往往不會被系統(tǒng)所執(zhí)行，通常情況下會最終判定成誤操作，不會將轉(zhuǎn)向信號傳輸給執(zhí)行器，以避免安全事故的發(fā)生。對擁有線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新能源汽車來說，與傳統(tǒng)汽車比起來表現(xiàn)出如下優(yōu)勢：一是因為電子控制器處在中間位置，發(fā)出轉(zhuǎn)向指令后靈敏度相對更高，可靠性更強;二是因為轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向盤之間不再有直接機械連接，當(dāng)汽車行駛在路面不平的道路時能夠為駕駛?cè)撕统丝蛶砀邮孢m的操作和乘車體驗;三是選擇電機為執(zhí)行機構(gòu)，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)油液動力傳遞介質(zhì)，真正做到綠色環(huán)保[2]。

近年來輪轂電機技術(shù)不斷更新，2018年舍弗勒成功研發(fā)出Mover系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠基本達(dá)到整車需求，轉(zhuǎn)向軸心處在輪輞之內(nèi)，車輪轉(zhuǎn)向包絡(luò)與過去的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致相同。這一系統(tǒng)配置的輪轂電機能夠達(dá)到24kW，500N·m的輪端性能。所以當(dāng)前更多專業(yè)研發(fā)人員逐漸把轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成僅輪轂電機模塊，為車輛帶來更為可靠的轉(zhuǎn)向性。其他零部件主要是輪轂電機車輪、轉(zhuǎn)向盤模塊、控制器以及整車傳感器。這一技術(shù)的運用能夠有效留下更多空間面積，讓電池配置于底板下，車輛重心下移，車輛運行穩(wěn)定性得以提高。同時因為集成輪轂電機的輪邊轉(zhuǎn)向并沒有之前的轉(zhuǎn)向器，為車輛賦予了其他多元化的轉(zhuǎn)向模式，比如說側(cè)方停車、調(diào)頭等。

2.3 線控制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

制動系統(tǒng)是確保新能源汽車智能駕駛過程中非常關(guān)鍵的安全保障，它是借助于制動器和車輪之間的摩擦來讓汽車能夠根據(jù)駕駛?cè)说囊庠竵韺崿F(xiàn)減速或者停車的目標(biāo)，讓汽車在行駛過程中維持穩(wěn)定，同時于不同駕駛環(huán)境下停止的車輛穩(wěn)定性得以提升。針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說，其基本結(jié)構(gòu)見下圖3，包含了制動踏板、行程傳感器、控制器、執(zhí)行器、車速傳感器和其他信號傳輸線路。而制動踏板傳感器可以把駕駛?cè)藢嶋H操作轉(zhuǎn)變成電信號傳遞給控制器，控制器對傳輸來的相關(guān)指令實施綜合計算，判定是否屬于正常操作動作，防止駕駛?cè)苏`操作，若判定為正常動作則將信號再次傳遞給執(zhí)行器，最終實現(xiàn)制動[3]。

線控制動系統(tǒng)在新能源汽車智能駕駛中應(yīng)用的優(yōu)勢主要有以下幾點：一是結(jié)構(gòu)簡單，精簡了諸多管路系統(tǒng)和零部件;二是響應(yīng)快速，車輛制動性能得以有效增強;三是系統(tǒng)裝配測試便捷，選擇模塊化結(jié)構(gòu)有助于后期更好維護(hù)保養(yǎng);四是通過電線連接擁有更強的耐久性;五是便于更新改進(jìn)，可以配備多種電控功能。針對線控制動系統(tǒng)的精確度，對混合動力汽車來說，分別對汽車車輪予以控制，這是近年來業(yè)內(nèi)研究的熱點，這一方向的研究可以確保車輛在制動過程中保持更好的穩(wěn)定性，同時有效控制因為地面摩擦性質(zhì)造成的突發(fā)事故。

2.4 線控?fù)Q擋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

為確保具備自動變速器的汽車可以進(jìn)行全自動泊車，應(yīng)當(dāng)把過去借助于操縱檔桿后驅(qū)動拉索變速器實現(xiàn)有效換擋的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽侩婒?qū)動便捷快速進(jìn)行換擋軸的辦法更加高效準(zhǔn)確地?fù)Q擋，這一電驅(qū)動系統(tǒng)即是線控?fù)Q擋系統(tǒng)。線控?fù)Q擋的運用屬于輔助駕駛運用在智能駕駛中的重要組成部分，其中主要包含了自動變速、自動P檔、駕駛員安全帶保護(hù)、開門安全保護(hù)、駕駛習(xí)慣自動學(xué)習(xí)、整體防盜等功能[4]。一般來說線控?fù)Q擋系統(tǒng)的構(gòu)成涉及到控制器、電子檔位選擇、發(fā)動機和變速器模塊、換擋執(zhí)行器和整車信號模塊。線控?fù)Q擋系統(tǒng)將換擋指令傳遞給控制器，隨后控制器通過分析車輛運行狀態(tài)來自行判斷是否能夠操作，確保安全后向執(zhí)行器傳遞換擋信號，隨后實現(xiàn)換擋操作，另外第一時間把換擋信息通過儀表盤呈現(xiàn)給駕駛?cè)耍M(jìn)而順利完成換擋流程。若控制器判定車輛狀態(tài)存在安全隱患，也能夠把相關(guān)信息顯示到儀表盤上，駕駛?cè)四軌虻谝粫r間采取對應(yīng)措施進(jìn)行處理。線控?fù)Q擋技術(shù)應(yīng)用的主要優(yōu)勢在于：一是電子換擋系統(tǒng)相對于過去的機械換擋結(jié)構(gòu)來說質(zhì)量更輕，占據(jù)空間面積更少，便于后期維護(hù);二是線控?fù)Q擋能夠有效保障換擋過程中的穩(wěn)定性和安全性。

3 全矢量控制線控底盤技術(shù)

一般的油車屬于較為常見的欠驅(qū)動系統(tǒng)，僅僅包含了油門踏板、制動踏板以及方向盤這幾個重要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅僅可以保證縱橫兩個方向的控制，動力學(xué)控制存在較大難度，穩(wěn)定性不佳。電控技術(shù)應(yīng)用之后，借助于電控模塊能夠提供的控制輸入量不斷增加，新能源車輛也開始慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槿?qū)動或者過驅(qū)動系統(tǒng)。各個車輪受路面的力包含了縱向、橫向以及垂直這三個獨立的力，所以整車控制系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)涉及到十二個作用力（四個車輪×來自三個方向的力）。在這一情況下我們能夠設(shè)想，若車輛可以對全部車輪的三個方向作用力進(jìn)行獨立控制，即全矢量控制汽車。依托于目前有的輪轂電機驅(qū)動技術(shù)以及電液線控技術(shù)，可以得到大轉(zhuǎn)角的獨立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和依靠磁流變阻尼器以及空氣彈簧提供支持的主動懸架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到一體化電動輪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理見下圖4。

全矢量控制屬于非常常見的過驅(qū)動系統(tǒng)，車輛的各個車輪都擁有驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向以及懸架這幾個獨立的操控結(jié)構(gòu)，和普通的車輪控制系統(tǒng)比起來，包含了16個能夠控制的輸入模塊，基本上屬于汽車的最大獨立控制單元，能夠提供12個作用力的有效控制。全矢量汽車配備可控輸入之后，不但能夠進(jìn)一步提升了車輪的控制性能，降低不同性能指標(biāo)可能存在的相互影響，同時相關(guān)功能的執(zhí)行器能夠產(chǎn)生有效的補充效應(yīng)，確保當(dāng)某環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障狀態(tài)后能夠保持穩(wěn)定性與可靠性[5]。全矢量控制汽車的關(guān)鍵技術(shù)集合在底盤上，所以必須要優(yōu)化調(diào)整一般新能源汽車的線控底盤架構(gòu)，獨立設(shè)計優(yōu)化調(diào)整后的全矢量線控底盤與功能實現(xiàn)方式。四個車輪能夠獨立實施驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向以及懸架調(diào)節(jié)，同時也擁有相互獨立的電控系統(tǒng)。全矢量線控底盤控制器屬于其中的核心系統(tǒng)模塊，主要對整車動力學(xué)控制以及四個車輪的有效協(xié)調(diào)。

基于運動學(xué)與動力學(xué)的角度來看，全矢量控制線控底盤系統(tǒng)表現(xiàn)出諸多方面的優(yōu)勢，我們還應(yīng)當(dāng)從如下三個方面出發(fā)進(jìn)行研究：首先，全矢量線控底盤架構(gòu)與功能實現(xiàn)。對全矢量線控底盤架構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化和完善，得到全新的架構(gòu)和功能實現(xiàn)模式。分析研究系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能性，研究不同零部件的相容性以及控制單元之間的相互關(guān)系。其次，進(jìn)行電動輪動力學(xué)分析和整車動力學(xué)耦合。全矢量線控底盤系統(tǒng)的動力學(xué)控制前提是具備能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向以及懸架的多功能電動輪，所以應(yīng)當(dāng)深入研究電動輪在不同執(zhí)行器作用下的動力學(xué)過程，同時分析電動輪和整車的動力學(xué)耦合機制[6]。最后，域控制技術(shù)以及失效冗余機制。全矢量控制線控底盤所涉及到的執(zhí)行器較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成度更高，不單單要深入研究分層協(xié)調(diào)控制方案，同時還需要充分考慮部分部件失效的狀況，構(gòu)建失效冗余機制，確保整車控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

新能源汽車智能駕駛線控底盤技術(shù)的應(yīng)用可以說是高精度的電子控制技術(shù)，是未來智能駕駛不斷發(fā)展的重要技術(shù)組成。和過去的傳統(tǒng)控制比起來，線控底盤技術(shù)運用的突出優(yōu)勢表現(xiàn)在：一是對過去傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，讓新能源汽車具備更為靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局;二是依靠電機當(dāng)作執(zhí)行器有效降低整車質(zhì)量，促進(jìn)行駛里程數(shù)提升;三是線控底盤技術(shù)應(yīng)用之后可以更加便利地實施二次開發(fā)，提供更加多元化的定制功能;四是能夠為智能駕駛系統(tǒng)的研發(fā)與更新帶來充分保障。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的新形勢下，為促進(jìn)新能源汽車自身性能的不斷增加，汽車控制技術(shù)必然會朝著更為精準(zhǔn)的線控系統(tǒng)、全矢量線控底盤等方向邁進(jìn)。

項目名稱：新能源商用車智能駕駛關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;（項目編號：2019TSLH0701）。

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