劉建銘　劉建勇　張發(fā)忠

摘 要：新能源汽車(chē)智能駕駛線控系統(tǒng)包含了線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)、線控?fù)Q擋、線控油門(mén)幾部分構(gòu)成。線控底盤(pán)技術(shù)屬于新能源汽車(chē)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(chē)研發(fā)制造的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文結(jié)合筆者實(shí)際研究，探討了新能源汽車(chē)智能駕駛線控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其線控底盤(pán)技術(shù)的基本原理，對(duì)全矢量控制線控底盤(pán)技術(shù)展開(kāi)分析。

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

1 引言

線控底盤(pán)技術(shù)屬于新能源汽車(chē)智能駕駛更新發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是未來(lái)汽車(chē)智能駕駛的必然選擇。線控底盤(pán)技術(shù)的應(yīng)用改變了過(guò)去那種復(fù)雜的機(jī)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(chē)可支持的續(xù)航。按照國(guó)務(wù)院2020年正式提出的《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2020-2035）》中的要求，更高級(jí)別的智能駕駛汽車(chē)在未來(lái)必然能夠得以推廣普及，當(dāng)前新能源汽車(chē)行業(yè)的共識(shí)便是“無(wú)線控，不自動(dòng)駕駛”，這也很好地說(shuō)明了線控底盤(pán)技術(shù)在新能源汽車(chē)智能駕駛領(lǐng)域占據(jù)的重要位置。

2 新能源汽車(chē)線控底盤(pán)技術(shù)原理

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

2.1 線控油門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

線控油門(mén)系統(tǒng)即電子節(jié)氣門(mén)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(mén)執(zhí)行器構(gòu)成。其中涉及到的傳感器除開(kāi)加速踏板傳感器之外，還包含了節(jié)氣門(mén)開(kāi)度傳感器、車(chē)速傳感器以及氧傳感器，詳細(xì)見(jiàn)下圖1。

新能源汽車(chē)智能駕駛線控油門(mén)系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)流程也能夠通過(guò)上圖1來(lái)分析，控制器模塊能夠直接獲取到駕駛?cè)藢?duì)油門(mén)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(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)控制加速[1]。因?yàn)閭鞲衅餍盘?hào)可能會(huì)因?yàn)槠渌鞣N電子設(shè)備而受到影響，導(dǎo)致給出的信號(hào)存在偏差，對(duì)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(hào)錯(cuò)誤，同時(shí)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(guò)去汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)和車(chē)輪間的機(jī)械系統(tǒng)，通常來(lái)說(shuō)包含了轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊、轉(zhuǎn)向機(jī)模塊以及整車(chē)傳感器模塊。轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊詳細(xì)劃分為方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向盤(pán)傳感器以及路感電路及;轉(zhuǎn)向機(jī)模塊主要有轉(zhuǎn)向機(jī)與執(zhí)行器;整車(chē)傳感器模塊細(xì)分為車(chē)速傳感器、加速度傳感器、橫擺角傳感器和控制器，具體見(jiàn)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(dòng)作轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鳎ㄟ^(guò)控制器再將信號(hào)傳遞到執(zhí)行器，隨后控制轉(zhuǎn)向輪動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向流程。方向盤(pán)以及轉(zhuǎn)向輪借助控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效連接，傳動(dòng)比能夠利用軟件合理調(diào)整，能夠與線控底盤(pán)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(gè)問(wèn)題是，控制器能夠獲取其他傳感器提供的信號(hào)，對(duì)路面狀況予以識(shí)別，同時(shí)把信號(hào)傳遞到方向盤(pán)模塊。同時(shí)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制模塊擁有相應(yīng)的糾錯(cuò)能力，可以根據(jù)實(shí)際行車(chē)狀態(tài)來(lái)對(duì)駕駛?cè)税l(fā)出的操作指令予以準(zhǔn)確識(shí)別，進(jìn)而最終決定執(zhí)行與否。比如說(shuō)在汽車(chē)處于高速行駛狀態(tài)時(shí)，駕駛?cè)送蝗话l(fā)出較大幅度的轉(zhuǎn)向指令往往不會(huì)被系統(tǒng)所執(zhí)行，通常情況下會(huì)最終判定成誤操作，不會(huì)將轉(zhuǎn)向信號(hào)傳輸給執(zhí)行器，以避免安全事故的發(fā)生。對(duì)擁有線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新能源汽車(chē)來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)汽車(chē)比起來(lái)表現(xiàn)出如下優(yōu)勢(shì)：一是因?yàn)殡娮涌刂破魈幵谥虚g位置，發(fā)出轉(zhuǎn)向指令后靈敏度相對(duì)更高，可靠性更強(qiáng);二是因?yàn)檗D(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向盤(pán)之間不再有直接機(jī)械連接，當(dāng)汽車(chē)行駛在路面不平的道路時(shí)能夠?yàn)轳{駛?cè)撕统丝蛶?lái)更加舒適的操作和乘車(chē)體驗(yàn);三是選擇電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)油液動(dòng)力傳遞介質(zhì)，真正做到綠色環(huán)保[2]。

近年來(lái)輪轂電機(jī)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(chē)需求，轉(zhuǎn)向軸心處在輪輞之內(nèi)，車(chē)輪轉(zhuǎn)向包絡(luò)與過(guò)去的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致相同。這一系統(tǒng)配置的輪轂電機(jī)能夠達(dá)到24kW，500N·m的輪端性能。所以當(dāng)前更多專(zhuān)業(yè)研發(fā)人員逐漸把轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成僅輪轂電機(jī)模塊，為車(chē)輛帶來(lái)更為可靠的轉(zhuǎn)向性。其他零部件主要是輪轂電機(jī)車(chē)輪、轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊、控制器以及整車(chē)傳感器。這一技術(shù)的運(yùn)用能夠有效留下更多空間面積，讓電池配置于底板下，車(chē)輛重心下移，車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性得以提高。同時(shí)因?yàn)榧奢嗇炿姍C(jī)的輪邊轉(zhuǎn)向并沒(méi)有之前的轉(zhuǎn)向器，為車(chē)輛賦予了其他多元化的轉(zhuǎn)向模式，比如說(shuō)側(cè)方停車(chē)、調(diào)頭等。

2.3 線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

制動(dòng)系統(tǒng)是確保新能源汽車(chē)智能駕駛過(guò)程中非常關(guān)鍵的安全保障，它是借助于制動(dòng)器和車(chē)輪之間的摩擦來(lái)讓汽車(chē)能夠根據(jù)駕駛?cè)说囊庠竵?lái)實(shí)現(xiàn)減速或者停車(chē)的目標(biāo)，讓汽車(chē)在行駛過(guò)程中維持穩(wěn)定，同時(shí)于不同駕駛環(huán)境下停止的車(chē)輛穩(wěn)定性得以提升。針對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖3，包含了制動(dòng)踏板、行程傳感器、控制器、執(zhí)行器、車(chē)速傳感器和其他信號(hào)傳輸線路。而制動(dòng)踏板傳感器可以把駕駛?cè)藢?shí)際操作轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳遞給控制器，控制器對(duì)傳輸來(lái)的相關(guān)指令實(shí)施綜合計(jì)算，判定是否屬于正常操作動(dòng)作，防止駕駛?cè)苏`操作，若判定為正常動(dòng)作則將信號(hào)再次傳遞給執(zhí)行器，最終實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[3]。

線控制動(dòng)系統(tǒng)在新能源汽車(chē)智能駕駛中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精簡(jiǎn)了諸多管路系統(tǒng)和零部件;二是響應(yīng)快速，車(chē)輛制動(dòng)性能得以有效增強(qiáng);三是系統(tǒng)裝配測(cè)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(guò)電線連接擁有更強(qiáng)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(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)的精確度，對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)來(lái)說(shuō)，分別對(duì)汽車(chē)車(chē)輪予以控制，這是近年來(lái)業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，這一方向的研究可以確保車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中保持更好的穩(wěn)定性，同時(shí)有效控制因?yàn)榈孛婺Σ列再|(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(dòng)變速器的汽車(chē)可以進(jìn)行全自動(dòng)泊車(chē)，應(yīng)當(dāng)把過(guò)去借助于操縱檔桿后驅(qū)動(dòng)拉索變速器實(shí)現(xiàn)有效換擋的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽侩婒?qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)即是線控?fù)Q擋系統(tǒng)。線控?fù)Q擋的運(yùn)用屬于輔助駕駛運(yùn)用在智能駕駛中的重要組成部分，其中主要包含了自動(dòng)變速、自動(dòng)P檔、駕駛員安全帶保護(hù)、開(kāi)門(mén)安全保護(hù)、駕駛習(xí)慣自動(dòng)學(xué)習(xí)、整體防盜等功能[4]。一般來(lái)說(shuō)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(dòng)機(jī)和變速器模塊、換擋執(zhí)行器和整車(chē)信號(hào)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(guò)分析車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)來(lái)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(hào)，隨后實(shí)現(xiàn)換擋操作，另外第一時(shí)間把換擋信息通過(guò)儀表盤(pán)呈現(xiàn)給駕駛?cè)?，進(jìn)而順利完成換擋流程。若控制器判定車(chē)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(pán)上，駕駛?cè)四軌虻谝粫r(shí)間采取對(duì)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(shì)在于：一是電子換擋系統(tǒng)相對(duì)于過(guò)去的機(jī)械換擋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)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(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。

3 全矢量控制線控底盤(pán)技術(shù)

一般的油車(chē)屬于較為常見(jiàn)的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，僅僅包含了油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板以及方向盤(pán)這幾個(gè)重要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅僅可以保證縱橫兩個(gè)方向的控制，動(dòng)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(chē)輛也開(kāi)始慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槿?qū)動(dòng)或者過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。各個(gè)車(chē)輪受路面的力包含了縱向、橫向以及垂直這三個(gè)獨(dú)立的力，所以整車(chē)控制系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)涉及到十二個(gè)作用力（四個(gè)車(chē)輪×來(lái)自三個(gè)方向的力）。在這一情況下我們能夠設(shè)想，若車(chē)輛可以對(duì)全部車(chē)輪的三個(gè)方向作用力進(jìn)行獨(dú)立控制，即全矢量控制汽車(chē)。依托于目前有的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及電液線控技術(shù)，可以得到大轉(zhuǎn)角的獨(dú)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(dòng)懸架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到一體化電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)下圖4。

全矢量控制屬于非常常見(jiàn)的過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，車(chē)輛的各個(gè)車(chē)輪都擁有驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向以及懸架這幾個(gè)獨(dú)立的操控結(jié)構(gòu)，和普通的車(chē)輪控制系統(tǒng)比起來(lái)，包含了16個(gè)能夠控制的輸入模塊，基本上屬于汽車(chē)的最大獨(dú)立控制單元，能夠提供12個(gè)作用力的有效控制。全矢量汽車(chē)配備可控輸入之后，不但能夠進(jìn)一步提升了車(chē)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(shí)相關(guān)功能的執(zhí)行器能夠產(chǎn)生有效的補(bǔ)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(chē)的關(guān)鍵技術(shù)集合在底盤(pán)上，所以必須要優(yōu)化調(diào)整一般新能源汽車(chē)的線控底盤(pán)架構(gòu)，獨(dú)立設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整后的全矢量線控底盤(pán)與功能實(shí)現(xiàn)方式。四個(gè)車(chē)輪能夠獨(dú)立實(shí)施驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向以及懸架調(diào)節(jié)，同時(shí)也擁有相互獨(dú)立的電控系統(tǒng)。全矢量線控底盤(pán)控制器屬于其中的核心系統(tǒng)模塊，主要對(duì)整車(chē)動(dòng)力學(xué)控制以及四個(gè)車(chē)輪的有效協(xié)調(diào)。

基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，全矢量控制線控底盤(pán)系統(tǒng)表現(xiàn)出諸多方面的優(yōu)勢(shì)，我們還應(yīng)當(dāng)從如下三個(gè)方面出發(fā)進(jìn)行研究：首先，全矢量線控底盤(pán)架構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)。對(duì)全矢量線控底盤(pán)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(shí)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(dòng)輪動(dòng)力學(xué)分析和整車(chē)動(dòng)力學(xué)耦合。全矢量線控底盤(pán)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)控制前提是具備能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向以及懸架的多功能電動(dòng)輪，所以應(yīng)當(dāng)深入研究電動(dòng)輪在不同執(zhí)行器作用下的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，同時(shí)分析電動(dòng)輪和整車(chē)的動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)制[6]。最后，域控制技術(shù)以及失效冗余機(jī)制。全矢量控制線控底盤(pán)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(shí)還需要充分考慮部分部件失效的狀況，構(gòu)建失效冗余機(jī)制，確保整車(chē)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車(chē)智能駕駛線控底盤(pán)技術(shù)的應(yīng)用可以說(shuō)是高精度的電子控制技術(shù)，是未來(lái)智能駕駛不斷發(fā)展的重要技術(shù)組成。和過(guò)去的傳統(tǒng)控制比起來(lái)，線控底盤(pán)技術(shù)運(yùn)用的突出優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：一是對(duì)過(guò)去傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，讓新能源汽車(chē)具備更為靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局;二是依靠電機(jī)當(dāng)作執(zhí)行器有效降低整車(chē)質(zhì)量，促進(jìn)行駛里程數(shù)提升;三是線控底盤(pán)技術(shù)應(yīng)用之后可以更加便利地實(shí)施二次開(kāi)發(fā)，提供更加多元化的定制功能;四是能夠?yàn)橹悄荞{駛系統(tǒng)的研發(fā)與更新帶來(lái)充分保障。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的新形勢(shì)下，為促進(jìn)新能源汽車(chē)自身性能的不斷增加，汽車(chē)控制技術(shù)必然會(huì)朝著更為精準(zhǔn)的線控系統(tǒng)、全矢量線控底盤(pán)等方向邁進(jìn)。

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

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