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线控技术属于新能源汽车智能驾驶更新发展的关键技术,是未来汽车智能驾驶的必然选择。线控技术的应用改变了过去那种复杂的机械连接设备和液压、气压等零部件,在很大程度上促进了能量利用效率,提升提高了新能源汽车可支持的续航。同时,更高级别的智能驾驶在未来必然能够得以推广普及,而线控技术在智能驾驶领域也占据着重要位置。

现阶段智能驾驶线控系统包含了线控油门、线控转向、线控制动以及线控换挡四个基本模块,其中线控油门和线控换挡的技术成熟度和市场渗透率已经处在较高的水平,因此本文不对油门和换挡做赘述,只针对转向和制动系统的发展历程进行梳理,并对线控转向与线控制动技术展开重点讨论。

01

转向???????

1、纯机械转向相对久远的时代,整个系统由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成。是纯人力驱动,通过将人力放大、变向等操纵轮胎转动。结构简单、造价低廉,但操作费力、稳定性、精确性无法保证。2、HPS(液压助力转向系统)

液压助力转向系统(HydraulicPowerSteering),主要由油泵、油管、油罐、压力流体控制阀、传动皮带等组成。

图片来源:智架最前沿

HPS系统动力源是发动机,驾驶员仅需轻微用力就能转动方向盘,利用发动机的动力带动油泵,转向控制阀控制油液流动的方向和油压大小,给机械转向提供转向助力。

优点:HPS系统在中低车速时有较好的助力性和操纵稳定性。

缺点:在高速行驶时,由于方向盘给驾驶员力量反馈太小,导致驾驶员的路感较差,固定的助力效果会使转向盘过于灵敏。其次,为了保持压力,不论是否需要转向助力,发动机始终带动油泵旋转,造成了发动机能量的浪费。

、EHPS(电控液压助力转向)

电控液压助力转向系统(ElectroHydraulicPowerSteering),与传统液压助力转向系统相比,EHPS增加了电控单元,包括动力转向ECU、电磁阀和车速传感器等。通过车速传感器对车速的实时监控,电控单元获取数据后通过控制转向控制阀的开启程度改变油液压力,从而实现转向助力力度的大小调节。

EHPS系统可以根据车速而改变提供转向助力的大小,使得高速行驶时,车身更稳,手感更好。缺点:其结构复杂、造价较高,具有液压系统所带来的通病,是介于液压助力和电动助力之间的过渡阶段。但稳定性不如机械液压,且维护成本高。

由于EPS的负载能力不足,且成本较高,大多数商用车仍搭载液压助力系统HPS或EHPS,而普通液压助力系统无法实现自主转向功能。

、EPS(电子助力转向)a.EPS技术原理

方向盘转动时,扭矩传感器将检测到方向盘上的扭矩信号和转向信号传向ECU,ECU同时接收车速信号)。EUC根据信号决定电机的助力电流。最后助力电流通过ECU内部的电机驱动电路对电机实行扭矩控制。

b.EPS技术方案

主流的EPS根据电动机布置的位置不同可分为C-EPS、P-EPS和R-EPS。

C-EPS:转向管柱助力式电动转向机。转向管柱助力式电动转向机的驱动电机是安装在转向管柱上,在转向管柱下面连接的是一个机械式的转向机。这种结构的最大优点是ECU、驱动电机、减速机构都安装于驾驶舱内,不占用发动机舱的空间,方便发动机舱的布置。缺点是驱动电机的助力要通过转向管柱和转向齿轮传递到转向机上,因而转向管柱部件需要承受较大的力,故驱动电机所提供的助力大小会受到限制。与此同时,由于在驾驶舱内安装有驱动电机和蜗轮蜗杆减速机构,因而容易引起驾驶室内的较大噪声。因此这种结构的EPS主要适用于载荷较轻、发动机舱较小且对噪声要求相对不高的微型轿车。

图片来源:江铃汽车

P-EPS:齿轮助力式电动转向机。齿轮助力式电动转向机的驱动电机是安装在转向齿轮上,驱动电机的输出力矩通过蜗轮蜗杆减速机构传递到转向齿轮上。在P-EPS转向机出现之前,中型乘用车上通常使用液压助力转向机。和液压助力转向机相比,P-EPS具有更高的转向精确性,更高的安全性,和更高的驾驶舒适性。与C-EPS相比,P-EPS可以提供更大的助力,可以满足中型乘用车所需的更大的转向助力。因为齿轮助力式电动转向机的驱动电机直接作用在转向齿轮上,不需要转向管柱部件的传递,故驱动电机可以提供更大的助力,并且提高了转向机的安全性。

图片来源:江铃汽车

DP-EPS:双小齿轮式电动助力转向机。在双小齿轮式电动助力转向机的结构中包含转向齿轮和驱动齿轮,其中和转向管柱连接的齿轮是转向齿轮,另外一个和驱动电机连接的齿轮是驱动齿轮。扭矩传感器安装在转向小齿轮上;而驱动电机的输出力矩则通过蜗轮蜗杆减速机构作用在驱动小齿轮上并传递至齿条上,转向小齿轮可以不受转向机的传动比的约束,采用更优化的传动比。对于中型乘用车或者中型以上的乘用车而言,双小齿轮式电动助力转向机是一种比齿轮助力式电子转向机更为优越的设计。

图片来源:江铃汽车

R-EPS:齿条助力式电动转向机和双小齿轮式电动转向机的结构和工作原理相类似,扭矩传感器也是安装在转向齿轮上。驱动电机的输出力矩主要是通过作用在齿条上的循环球减速传动机构传递到转向机的齿条上,并带动两端的拉杆推动车轮转向。辅助驱动机构可以布置在齿条的周向或轴向上,所以也增加了电动转向机在空间布置方面的弹性。对于更重更大型的车辆而言,例如越野车和箱式货车,它需要更大的转向助力。齿条助力式电动转向机的出现使得需要更大转向助力的越野车或者箱式货车在转向助力方面得到更大满足。

图片来源:江铃汽车目前DP-EPS正在成为中型车主流,具备比较好的成本和能耗低的优势,同时可以满足自动驾驶技术的安全冗余需要。但强调操控性的整车厂更倾向于R-EPS,且由于R-EPS技术逐渐成熟,成本不断降低,已逐渐应用于紧凑级至中级车型中。c.EPS竞争格局

从中国乘用车汽车转向系统市场来看,-年EPS在中国乘用车市场的渗透率已从80.1%逐年上升至96.%,仅有少量乘用车采用HPS和EHPS方案。相对而言,价位越高,采用EPS方案的比例也越高。

目前,全球汽车转向系统市场主要被捷太格特、博世、采埃孚、蒂森克虏伯、NSK、万都、日立安斯泰莫等厂商所占据。这些跨国企业通过独资或合资的方式布局中国市场,牢牢占据了豪华和合资品牌车企的供应渠道,并渗透进本土汽车厂商供应体系中。

国外厂商:博世、捷太格特、蒂森克虏伯、日本精工等。

本土厂商:耐世特、拿森科技、蜂巢智能、浙江世宝、易力达、湖北恒隆、苏州北斗星等。

5、SBW(线控转向)

a.SBW技术原理

通常来说包含了转向盘模块、转向机模块以及整车传感器模块。转向盘模块详细划分为方向盘、转向盘传感器以及路感电机;转向机模块主要有转向机与执行器;整车传感器模块细分为车速传感器、加速度传感器、横摆角传感器和控制器。

图片来源:新能源汽车智能驾驶线控底盘技术应用研究

转向控制系统的主要功能在于利用转矩、转速传感器把驾驶人做出的转向动作转化成电信号传输到控制器,通过控制器再将信号传递到执行器,随后控制转向轮动作,进而实现转向流程。方向盘以及转向轮借助控制信号实现有效连接,传动比能够利用软件合理调整,能够与线控底盘系统的其他模块之间进行协调统一控制。

控制器能够获取其他传感器提供的信号,对路面状况予以识别,同时把信号传递到方向盘模块。同时线控转向系统的电子控制模块拥有相应的纠错能力,可以根据实际行车状态来对驾驶人发出的操作指令予以准确识别,进而最终决定执行与否。比如说在汽车处于高速行驶状态时,驾驶人突然发出较大幅度的转向指令往往不会被系统所执行,通常情况下会最终判定成误操作,不会将转向信号传输给执行器,以避免安全事故的发生。

对拥有线控转向系统的新能源汽车来说,与传统汽车比起来表现出如下优势:一是因为电子控制器处在中间位置,发出转向指令后灵敏度相对更高,可靠性更强;二是因为转向器和转向盘之间不再有直接机械连接,当汽车行驶在路面不平的道路时能够为驾驶人和乘客带来更加舒适的操作和乘车体验;三是选择电机为执行机构,转变了传统油液动力传递介质,符合绿色低碳的理念。

b.SBW技术难点

SBW线控转向技术路线,是基于当前渗透率较高的EPS(电子助力转向系统)发展而来的,SBW的不同是取消了方向盘和转向轮之间的物理连接,它的转向力矩完全依靠下转向执行器来输出,而下转向执行器输出力的方向和大小依赖于控制算法给定的控制信号,这也就意味着转向完全由控制算法说了算,算法可以依赖方向盘的输入信号,也可以脱离方向盘根据自动驾驶的转向要求独立转向。

线控转向系统的技术难点在于路感模拟、线控转向控制和故障容错控制三个方面:

路感模拟

在汽车线控转向控制关键技术中,路感模拟是目前研究的薄弱环节,这是让驾驶员感知路面的主要措施,对于驾驶员车辆控制的准确性具有直接影响,路感模拟需要根据驾驶员的驾驶期望、驾驶习惯来确定,设计出理想的转矩。路感模拟系统主要分为上下两个层级,上层为计算路感反馈力矩,下层为快速准确执行反馈力矩。当前路感模拟主要有以下几个类型:

传感测量法:基于状态参数,分析汽车运行过程中方向盘转角、车速、整车质量、侧向加速度对于路感带来的影响,通过非线性拟合得到经验函数,根据路感设定目标来进行调节,一般将目标函数设定为路感电机电流值,转向角信号、车速信号为变量。

参数拟合法:基于回正力矩,应用双向控制扰动观测器,系统会自动将地面摩擦力、自动回正扭矩作为外部干扰,利用控制器能够补偿回正扭矩干扰,该种方式具有更为理想的收敛速度和跟踪精度。

动力学模型法:利用路感的产生原理,借助轮胎侧向力、纵向力、干摩擦系数、车轮定位参数建立动力学模型,计算出路感参数,可以达到与传统转向系统基本相同的效果。

其中,动力学模型法能够更好适应车辆驾驶风格和状态,是目前主流的研究方向。

线控转向控制

线控转向控制系统需要根据车辆的状况、路况、车辆性能等要求。制定控制目标和约束条件,辨识和观测难以测量的车辆参数和状态,根据控制目标和条件等对车辆下达转向指令,然后由电动机执行转向动作,主要包括以下几个控制部分:

转向执行控制:转向执行器在收到上级系统发出控制信号后,对液压系统或者电机展开跟踪控制,以此精确控制车轮转向角度。车辆转向是具体化的操作执行行为,当转向器执行动作后会使车辆出现转向效果。车联转向执行器属于执行单位,其不能单独执行转向操作,必须有控制才发出转向指令后才能够执行转向操作。

变转动比控制:变转比控制的主要功能是保障车辆在高速或者低速行驶时的稳定性和灵活性。在一般情况下,汽车转动比在高速行驶情况下趋势较大,低速情况下取值较小。由于自动驾驶汽车线控转向系统不受转动轴的限制,在转动比设计方面有较大的发挥空间。我国经过持续研究设计出了跟随车辆行驶速度变化的转动比特性,并在此计划上设计处理线性二次调节转向系统;根据车辆的车辆横摆速度和侧向加速度不变的理想状态设计出了两款转动比控制系统,并将其进行结合设计出了第三种转动比控制系统,通过两种系统的协同控制,可以发挥出车辆转动比控制最佳效果。线控转向角转动比控制系统的设计,实现了在高速行驶状态下侧向加速不增益不会出现变化,在中速行驶情况下横摆角速度增益不会出现变化。

车辆稳定控制:车辆线控转向系统中,由于车辆参数变化多、驾驶员风格不同、驾驶情况复杂、车辆运行状态变化多等,对稳定性控制系统的鲁棒性和自适应性要求较高,并且已经成为国内外科学家研究的重点技术。研究模糊PID线控转向控制系统,构建车辆模型并对质心侧和横摆角速度进行计算,将理想值与实际值之间的差值作为参数,设计自适应PID控制系统的前轮转角,从而能够实现自动驾驶汽车线控转向系统的稳定控制。

故障容错控制

在汽车线控转向控制技术中,故障诊断、容错控制是极为重要的,容错系统包括软件容错、硬件容错组成,软件容错的成本低廉,是借助软件程度来解决问题,但是具有局限性。硬件容错是利用冗余原则来解决问题,在系统发生故障之后,备份部分会开始工作,目前,最具代表性的技术为传感器故障容错控制,利用控制器、电机来模拟路感,执行转向动作,比之传统转向,需要增加较多传感器,其控制也更为精确,已经得到了广泛推行。

c.SBW竞争格局

目前,中国线控转向渗透率十分低,估计年仅为0.1%,预计未来几年渗透率将迅速增长,到年有望达到15%,发展前景广阔。

头部供应商已完成线控转向研发测试,行业处于大规模量产前夜。早在年,英菲尼迪Q50首次搭载了配备保留机械连接冗余的线控转向系统,但由于安全性及成本原因,该车后续改款为普通转向。直至目前,线控转向的渗透率仍然较低,主要系因其安全冗余问题及成本较高,同时EPS能够满足当前汽车智能化需求。随着未来汽车更高级别自动驾驶的快速发展,线控转向将持续得到重视。目前,行业内头部供应商均已完成技术积累,具备线控转向的量产能力,如博世、捷太格特、耐世特等公司均已完成了所有研发和测试过程。其中捷太格特于9年宣布接到多家OEM豪华车型的线控转向订单,将于-年进行大规模量产。国内供应商仍处于研究原型机阶段,主要包括联创电子、拓普集团、万达转向机等。

图片来源:滴水石开

02

制动

1、传统机械制动

a.鼓式制动器

鼓式制动器中,筒型制动鼓内侧与轮毂相连,汽车运动时,随着车轮转动,制动鼓内侧有一对制动蹄,上面贴着摩擦衬片,刹车时,在油压帮助下,制动蹄压紧制动鼓实现制动。

图片来源:材料新知

优点:有自动刹增强的作用,使刹车系统可以使用较低的油压,或是使用直径比制动盘小很多的制动鼓;零件的加工和组成较为简单,维修成本低。

缺点:鼓式制动器的制动鼓在受热后直径会增大,而造成踩下刹车踏板的行程加大,容易发生刹车反应不如预期的情况;刹车系统反应较慢,刹车的踩踏力道较不易控制,且存在热衰退问题,不利于做高频率的刹车动作;构造复杂零件多,鼓式制动器进水后,其恢复性较差。

b.盘式制动器

盘式制动器中,制动盘与轮毂是相连的,汽车运动时,随着车轮同步进行转动,刹车时,在油压帮助下,制动钳内的制动衬块从两侧夹紧制动盘,从而产生制动。

图片来源:材料新知

优点:散热性佳,在连续踩刹车时不会造成刹车衰退导致刹车失灵的现象;制动盘在受热之后发生尺寸变化,但不会增加踩刹车踏板的行程;反应快速,可做高频率的刹车动作,符合防抱死系统(ABS)需求;没有鼓式制动器的自动煞紧作用,左右车轮的刹车力量相当;排水性较佳,可改善泥水、泥沙等外界杂质带来的刹车不良情形;与鼓式刹车器相比较,结构更为简单,维修成本低。

缺点:没有鼓式制动器的自动煞紧作用,盘式制动器的刹车力较低;盘式制动器的制动衬块与制动盘之间的摩擦面积较鼓式制动器小,使刹车的力量也比较小;盘式制动器的制动盘和制动衬块之间的磨损较大,致更换频率可能较高。

c.制动器竞争格局

外资厂商:

大陆:底盘与安全事业部,配套大众、宝马、戴姆勒-克莱斯勒、福特、沃尔沃、丰田、本田等。爱德克斯:本田、马自达、三菱、日产、铃木、丰田、福特、通用等。日立:丰田、日产、铃木等。天合:大众、福特、通用、克莱斯勒、丰田、本田、日产、上汽等。Brembo:法拉利、保时捷、克尔维特、梅赛德斯、通用、福特、菲亚特、丰田、本田、现代、华晨宝马、北京奔驰、福建戴姆勒、上海大众、上海通用等。曙光制动器:丰田、本田、日产、马自达、三菱、铃木、五十铃、大众、通用、福特。万都:现代、起亚、双龙、大宇、福特、东风、上汽等。泛博制动:通用、福特、戴姆勒克莱斯勒、丰田、尼桑、三菱、马自达、雷诺等。合资厂商:上汽制动器:上海大众、上海通用、一汽大众、上汽通用五菱、北汽、长城汽车、长安汽车、比亚迪等。天合富奥:一汽轿车、一汽大众、一汽丰田、上汽集团、上海大众、北京奔驰、华晨宝马、沃尔沃、广汽等。南方天合:福特、东风、一汽、长安铃木,长安马自达,长安、奇瑞、上汽通用五菱等。

本土厂商:

亚太股份:一汽大众、一汽轿车、上海通用、上海大众、北京奔驰、奇瑞汽车、东风汽车、神龙富康、华晨金杯、长安汽车、上汽通用五菱、江铃汽车、郑州日产、江淮汽车等。伯特利:奇瑞汽车、上海通用、长安汽车、江淮汽车、长城汽车、通用汽车等。万安科技:一汽集团、中国重汽、东风、福田、华菱、中集、江淮、柳汽、宇通、金龙、海格、中通、长城、力帆等。东光奥威:一汽大众、一汽轿车、神龙公司、东风日产、上汽通用五菱、长安铃木、沈阳华晨、天津一汽夏利、奇瑞、长城、吉利。万向钱潮:通用五菱、桂林大宇、东风汽车、一汽集团、郑州马自达等。2、EPB(电子驻车系统)

a.EPB原理:

EPB(ElectricalParkBrake)即电子驻车系统,采用电子按钮取代了传统的拉杆手刹。相比于传统驻车制动系统,由于实现了线控化,相对于传统机械手刹,EPB能实现更为丰富的控制功能,其基本功能包括手动驻车、自动驻车、动态驻车、后轮防抱死制动等。

目前EPB主要的产品形式有集成式和拉索式两种,集成式在逐渐成为主流:

图片来源:华西证券研究所

EPB的制动过程:按下制动按钮后,ECU发出制动信号,带动拉索或卡钳活塞,放大作用力,推动活塞制动块夹紧制动盘,实现制动。

b.EPB与传统机械制动的方案对比:

图片来源:华西证券研究所

c.EPB市场竞争格局:

图片来源:滴水石开

、ABS(防抱死制动系统)

a.ABS原理

ABS液压控制总成是在普通制动系统的液压装置上经设计后加装ABS液压调节器而形成的。普通制动系统的液压装置一般包括真空助力器、双缸式制动总泵(主缸)、储油箱、制动分泵(轮缸)和液压管路等。除了普通制动系统的液压部件外,ABS制动压力调节器通常由回油液压泵、蓄能器、主控制阀、电磁阀和一些控制开关等组成。实质上,ABS就是通过电磁阀控制分泵上的液压,使之迅速变大或变小,从而实现了防抱死制动功能。

ABS系统组成:液压制动+轮速传感器+ECU+制动液压调节器(ABS泵)

图片来源:华西证券研究所

ABS的制动过程:

图片来源:华西证券研究所

b.ABS的优势与局限

ABS的功能是通过调节、控制制动管路压力,避免车轮在制动过程中抱死而滑移,使其处于滑移率15%—25%的边滚边滑的运动状态。其优点如下:

改善汽车制动时的横向稳定性;

改善汽车制动时的方向操纵性;

改善制动效能;

减少轮胎的局部过度磨损;

使用方便,工作可靠。

不管一个ABS系统多么完善,它仍然摆脱不了一定的物理规律。尽管四轮防抱制动系统能使汽车在尽可能短的距离内进行制动,但如果制动进行得太迟,使之在与障碍物碰撞前不能完全停下来,仍不能阻止事故的发生。

、ESC(车身稳定控制系统)

a.ESC原理

图片来源:公开资料

电子稳定性控制系统ESC(ElectricStabilityController),通过接收方向盘转角传感器及各车轮转速传感器识别驾驶员转弯意图,并通过横摆角速度传感器识别车辆绕垂直于地面轴线方向的旋转角度及侧向加速度传感器识别车辆实际运动方向。当ESP判定车身不稳定且出现不足转向时,将制动内侧后轮,使车辆进一步沿驾驶员转弯方向偏转,从而稳定车辆;当ESP判定车身不稳定且出现过度转向时,ESP将制动外侧前轮,防止出现甩尾,并减弱过度转向趋势来稳定车辆。另外,如果单独制动某个车轮不足以稳定车辆,ESP将通过降低发动机扭矩输出的方式或制动其它车轮来满足需求。总体来讲,ESC具备的四大基本功能为防抱死制动系统(ABS)、电子制动力分配(EBD)、牵引力控制系统(TCS)、车辆动态控制系统(VDC)。

年欧盟强制要求从1年11月1日起,所有在欧盟地区销售的新车都要强制装备车辆稳定控制系统,所以现在的欧洲新车都将会标配这一系统。今天在中国虽然没有强制法规要求,但是10万以上的车型几乎都搭载了ESC作为卖点。

b.ESC功能

防抱死制动(ABS)当车轮制动时,由装在车轮上的轮速传感器采集四个车轮的转速信号,送到电子控制单元计算出车辆的减速度及车轮的滑移率。电子控制单元根据计算结果调节车轮制动力,让车轮达到一个最佳制动状态(滑移率处于最理想状态),防止车轮抱死,使汽车在制动状态下仍能转向。ABS主要功能包括:保持车辆稳定性——防止后轮抱死;保持转向功能——防止前轮抱死;减小制动距离;减少驾驶员工作量。当ABS起作用时,EBD即停止工作,ABS与EBD的调节过程对比:ABS是前后桥控制,EBD是后桥控制;ABS在紧急制动情况下作用,EBD在普通制动情况下作用;ABS工作时调节方式频繁,EBD的调节比较缓和。电子制动力分配(EBD)

电子控制单元根据轮速信号计算车轮的转速及滑移率,如果后轮有抱死倾向,则由液压控制单元调节后轮制动压力,使后轮制动力降低,以保证后轮不会先于前轮抱死。

同传统制动力分配方式(如比例阀、感载阀)相比,EBD功能保证了较高的车轮附着力及合理的制动力分配。尤其在汽车制动时,根据轴荷转移的不同,自动调节前后轴制动力比例,提高制动效能。

EBD主要功能包括:在制动过程中保持稳定性;提供与机械液压比例阀同样的功能;防止后轮比前轮先抱死;当汽车载荷变化,利用EBD对汽车平衡进行改良。

牵引力控制(TCS)

汽车在光滑路面制动时,车轮会打滑,甚至使方向失控。同样,汽车在起步或急加速时,驱动轮也有可能打滑,在冰雪等光滑路面上还会使方向失控而出危险。TCS依靠轮速传感器监测到从动轮速度低于驱动轮时(打滑特征),就会降低驱动轮上的有效驱动力,使驱动轮不再打滑。TCS主要功能包括:保持稳定性;保持转向性;改进易打滑路面的车辆加速性;减少驾驶员的工作量。

车辆动态控制(VDC)

当车辆出现非预期的过多或不足转向时,通过采集到的信号判断理论与实际的差异,进行主动对某个车轮施加制动力,使车辆运行状态符合驾驶员的期望,避免车辆的不稳定状态。VDC主要功能包括:维持车辆行驶稳定性;消除避让动作和路况改变所产生的险情;过弯时保持正确的路线;提供最佳驾驶条件,提供高程度驾驶安全。

随着成本的不断降低,车身稳定系统可以支持的功能会越来越多,还可以支持很多增值功能(Value-addedFunction),如通过ESC在车辆坡道起步时进行1—2S的主动建压,帮助车辆不溜坡起步的坡道保持功能(HillHoldControl),针对SUV等车型开发的HDC陡坡缓降,RMI防侧翻干预等功能,越来越成为整车企业在配套车身稳定系统时的标配。

c.ESC市场竞争格局

图片来源:滴水石开

5、BBW(线控制动)

针对线控转向系统来说,其基本结构包含了制动踏板、行程传感器、控制器、执行器、车速传感器和其他信号传输线路。制动踏板传感器可以把驾驶人实际操作转变成电信号传递给控制器,控制器对传输来的相关指令实施综合计算,判定是否属于正常操作动作,防止驾驶人误操作,若判定为正常动作则将信号再次传递给执行器,最终实现制动。

资料来源:新能源汽车智能驾驶线控底盘技术应用研究

线控制动系统在新能源汽车智能驾驶中应用的优势主要有以下几点:一是结构简单,精简了诸多管路系统和零部件;二是响应快速,车辆制动性能得以有效增强;三是系统装配测试便捷,选择模块化结构有助于后期更好维护保养;四是通过电线连接拥有更强的耐久性;五是便于更新改进,可以配备多种电控功能。针对线控制动系统的精确度,分别对汽车车轮予以控制,这是近年来业内研究的热点,这一方向的研究可以确保车辆在制动过程中保持更好的稳定性,同时有效控制因为地面摩擦性质造成的突发事故。

线控制动目前有EHB(电子液压制动)和EMB(电子机械制动)两条技术路线,EHB是在传统的液压制动器基础上发展而来,与传统的制动单元相比,通过电子元器件替代了部分的机械元件,即通过线控制动单元替换掉原有的真空助力器+制动主缸+储液罐+ESC模块,踏板与制动单元之间无机械连接,通过传感器来输入踏板位置信号。而EMB则完全取消液压传导,通过电信号直接控制轮侧电机制动器,反应更加灵敏。

a.EHB(电子液压制动)

i.EHB技术原理

EHB(Electro-hydraulicBrake)保留传统的液压工作方式,但利用电机代替真空助力器进行优化。博世ibooster和采埃孚EBB(ElectronicBrakeBooster)都是vacuumbooster真空助力器的局部替代方案。ibooster制动信号的产生可以来自踏板,踏板行程传感器测量到输入推杆的位移后,将该位移信号发送到ECU,由ECU计算制动请求;也可以由ECU根据场景需要主动生成制动需求。ECU计算出电机应产生的扭矩,二级齿轮传动装置将该扭矩转化为助力器阀体的伺服制动力,通过电机转化为强大的直线推力,推动制动主缸推杆。图片来源:华西证券研究所ii.EHB技术方案

线控制动解决了电动车没有真空助力源的问题,且相较于使用电子真空泵,线控制动能进行能量回收,效率较高,因此,线控制动是汽车电动化、智能化的必然选择。根据集成度的高低,线控制动可以分为Two-Box和One-Box两种技术方案。

二者的主要区别在于ABS/ESC系统是否和电子助力器集成在一起。相较于Two-Box方案,One-Box方案的体积和重量大大缩小,成本更低,但由于技术问题量产时间更晚。“One-Box”方案集成度高,在体积、重量上占优,其成本约为元,较iBooster+ESP便宜约0%。

One-box与Two-box方案对比:

图片来源:中信证券

.EHB核心技术

目前EHB是相对主流且成熟度较高的技术,并且具备量产能力。成熟技术目前掌握在国外巨头如博世、大陆、采埃孚等厂商手中,本土厂商目前仍在全力追赶的阶段,目前来看EHB技术核心主要在于以下几个方面:

ESC(车身稳定控制系统)作为EHB系统中最复杂且又最核心的产品,这部分的设计经验,这也是本土厂商最为欠缺的。而ESC的技术难点在于实现防抱死制动系统(ABS)、电子制动力分配(EBD)、牵引力控制系统(TCS)、车辆动态控制系统(VDC)等功能的复杂算法积累以及MEMS传感器元件的性能和稳定性。车载网络协议必须是高速率、可靠和支持容错的,同时还必须满足消息传输时间是实时和确定的,以完成有严格时序和参数定时刷新等实时性要求很高的控制任务。目前来看,基于时间触发的确定性通信网络协议是满足安全关键性实时控制的最佳选择。在目前较成熟的时间触发网络协议中,TTP/C和FlexRay是线控制动系统使用最多的两种。精确液压制动力控制是一项关键技术,压力控制效果的优劣直接影响系统最终控制品质,而这依赖于较为先进的算法。目前算法的设计有两类:一类偏于理论,首先定性分析系统的压力控制原理,并利用各种智能控制算法控制其执行部件,例如SOA算法、参数辨识方法、鲁棒控制等,这类方法理论上控制更精确,但在实际工程中常常存在系统收敛性及复杂工况适应性差等问题;第二类偏于被控执行部件本身,根据其硬件特性,确定关键影响参数,并通过试验标定其与控制目标的数据表格,并将数表用于压力控制,这类方法工程应用更广泛,但当系统结构及特性复杂时,标定工程量会随之增大,因此对执行部件的选取较为关键。

冗余设计:形成主线控制系统、备份系统、EPB以及与其他线控系统的多层次冗余系统。

5.博世IPB方案详细拆解

将电子助力器IBooster和ESP集成为一体,就是博世的IPB(IntegratedPowerBrake),“智能集成制动系统”,也就是OneBox方案,它直接替代了IBooster+ESP的组合。

IPB方案结构

包括IPB方案在内的市面上的One-Box方案,比如大陆、采埃孚等,从结构上来说基本都包括如下几个部分:

助力器推杆:与制动踏板连接,传递驾驶员的输入力;

连接板:与车身前围板连接,实现固定;

液压执行单元:包含传统助力器的串联式主缸,以及ESP中的电磁阀(二位二通或三位三通),压力传感器等;

电机:一般为无刷式交流电机;

踏板模拟器:正常工作时踏板感由此模拟器反馈;

ECU:电控单元;

储液壶:储存制动液。

IPB工作原理

正常工作状态:当驾驶员踩下制动踏板后,推杆推动IPB内部的主缸第一腔活塞,油液进入踏板模拟器模块,此时主缸一腔和二腔通向轮端的电磁阀关闭,从而实现解耦的状态。与此同时,IPB的ECU通过检测到推杆处的位移信号,按照预先标定好的位移-压力曲线对内部电机发送信号,将压力通过个常开进油阀到轮端产生相应的压力,实现预期的减速度。

助力失效状态:当掉电等情况造成助力失效时,通往踏板模拟器的电磁阀关闭,电机通往轮端的电磁也关闭,主缸一腔和二腔通往轮端的电磁阀打开,踩踏板产生的输入力直接作用到主缸活塞产生压力并通过进油阀传递到轮端,实现减速,这和常规的制动过程是一样的。但是这里只考虑了掉电的情况,如果内部电磁阀等机械部件失效了,能否保证正常运行也不一定,虽然厂家说概率很低。

IPB除了制动助力的功能还集成了ESP的功能,因而内部电磁阀的数量也较多。一般包括个常开的进油阀,个常闭的出油阀,2个常开的电机到轮端的电磁阀,2个常闭的主缸到轮端电磁阀,1个常开的主缸到踏板模拟器电磁阀,2个压力传感器(主缸处和电机处各1个),1个位移传感器(主缸处)。通过这些阀系和电机的共同作用可以实现其他压力调节的功能。

制动踏板感:

以往的踏板感的调校需要在项目开发前期考虑制动器的需液量,主缸的大小,踏板的杠杆比,以及助力器的助力比,起始力,跳跃值等。上述机械件一旦确定后踏板感就无法更改了,而且不同车辆需进行重新设计,费时费力还费钱。IPB由于实现了制动踏板的全解耦,那么踏板感的调节就变得相对容易一些。因为踏板力和踏板行程的关系是由踏板模拟器来保证的,所以只要对其中的弹簧和阻尼块进行合理设计就可以达到一个相对理想的状态,而且可以不受车辆的影响实现平台化共用。而踏板行程相对减速度的关系则可以软件来标定,即控制IPB内部的电机输出不一样的压力达到主机厂预期的结果,灵活性更大。但是目前可供选择的踏板模拟器硬件选择较少,踏板力偏大,需要进一步优化改进。另外,由于有制动能量回收的功能,机械制动力和电机制动力会根据电机/电池的情况而实时调节分配比例,即机械制动力是会实时变化的。在踏板输入不变的情况下,I-Booster需要做制动助力的调节来保证脚感不变,即所谓的踏板力补偿功能。而对于IPB来说,由于踏板已经解耦,不会受管路压力的变化影响,也就不需要做上述的调节。

制动冗余:

IPB方案虽然有很多好处,但是它是无法实现L级别以上的智能驾驶的要求的,必须要再增加一个冗余系统进行备份才行,博世叫RBU-RedundantBrakeUnit。它是一个简易的ESP模块,直接串联在主缸和压力调节模块之间。当IPB失效时,RBU内部电机可以进行增压来实现助力,并作用到前后个轮端。

6.目前市场竞争格局

图片来源:滴水石开

b.EMB(电子机械制动)

EMB技术原理

EMB(Electro-MechanicalBrake)直接取消了制动主缸和液压管路,将电机集成在制动钳上,踏板产生制动信号直接输入到制动钳,输入与终端执行之间的部件全部简化。相比之下,EHB属于部分线控,EMB则属于完全线控。图片来源:华西证券研究所竞争格局ContinentalTeves:有一款基于电动机驱动执行机构然后作用到制动盘上的EMB系统,但未实现量产。GermanAerospaceCenter:E-Brake系统,在电机的基础上增加一个自增力机构,未实现量产。瀚德万安:浙江万安科技股份有限公司与瑞典HaldexBrakeProductsAB公司的合资公司,布局EMB技术,目前进度不详。天佑新辔:主要针对磁悬浮列车进行EMB系统的研发配套。

EMB方案的可行性问题

从整体来看,EMB系统短期不具备落地条件,具体有如下原因:制动系统必须配备可靠的冗余方案,EMB取消了机械连接,没有机械冗余,因此必须具有很高的设备可靠性、总线协议和抗信号干扰能力,尤其是需要解决车载电源失效问题;执行机构安装在制动钳,空间非常有限,只能采用小型永磁式制动电机,而目前的小电机提供的刹车力不足。刹车片产生的高温巨震环境对电机稳定性、芯片半导体和永磁材料造成巨大考验。且空间有限,无法安装散热装置,加剧了这一挑战。刹车片产生的高温巨震环境对电机稳定性、芯片半导体和永磁材料造成巨大考验。且空间有限,无法安装散热装置,加剧了这一挑战。受制于轮毂电机架构技术的应用,轮毂电机技术对整个汽车底盘的结构影响非常大,目前技术成熟度和普及程度都还有很大差距。因此,未来5-10年线控技术的主流仍是EHB方案,若材料方面无法突破,EHB占据主导地位的时间将更久。c.EHB与EMB技术对比具体表现上,EMB直接取消了制动主缸和液压管路,将电机集成在制动钳上,踏板产生制动信号直接输入到制动钳,输入与终端执行之间的部件全部简化,由电机产生制动力,控制制动器制动。相比之下,EHB属于部分线控,EMB则属于完全线控,没有液压系统,设计和构造比较简单,能够降低车重、节省空间。其他不同点:EMB需要对底盘进行更大范围的改造,造价高;EMB不存在液压油泄露问题,电池更加安全;EMB便于集成其他电控系统,如ABS、ESP、自动驾驶、能量回收等;EHB可以打开液压管路备用阀作为其中一道安全失效模式,EMB则没有机械冗余。

通过对转向和制动的发展历程进行梳理,可以发现,与传统控制比起来,线控技术的优势相对明显:

一是对过去传统的机械结构进行优化,让新能源汽车具备更为灵活和轻量化的布局;

二是依靠电机当作执行器有效降低整车质量,促进行驶里程数提升;

三是线控底盘技术应用之后可以更加便利地实施二次开发,提供更加多元化的定制功能;

四是能够为智能驾驶系统的研发与更新带来充分保障。

从线控技术本身来看,线控制动技术的成熟度会相对高一些,线控转向距离大规模商业化仍有较远的距离。但未来随着汽车智能化浪潮的推动以及线控技术自身的成熟,其作为自动驾驶的执行层,必将扮演起非常重要的角色。

参考资料:

汽车行业线控底盘专题报告.中信证券中国线控系统报告:转向控制系统在自动驾驶中的重要性.头豹研究院制动系统:电动智能催化国产曙光已现.华西证券新能源汽车智能驾驶线控底盘技术应用研究.刘建铭刘建勇张发忠

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