線控底盤是在傳統底盤基礎上取消了轉向、制動、油門等系統硬連接的機械結構部分,取而代之的是通過傳感器將駕駛員的操作轉變為電信號從而實現車輛控制。
目前線控底盤主要包括線控轉向、線控制動、線控驅動、線控懸架、線控換擋等技術組成,具有響應快、可控性高、維護費用低等優點,如今各大車企都在研發線控底盤技術。
壹、工作原理
底盤的控制功能主要包含5個部分,分別是:轉向、制動、換擋、油門和懸架。其中,最關鍵的就是制動、油門和轉向的控制。我們就以這三者為例,粗略看壹下傳統汽車底盤是如何工作的。
1、油門:在傳統燃油汽車上,油門踏板連著拉桿(有些是拉線),通過它控制發動機節氣門的開閉程度,以控制氣缸入氣量,進而控制燃油噴射量來驅動車輛行駛。
2、轉向:方向盤下面連著轉向桿,轉向桿帶動轉向臂,改變車輪轉動的方向。轉向大概經歷了機械轉向、液壓助力轉向(HPS)、電控液壓助力轉向系統(EHPS)、電動助力轉向系統(EPS)幾個階段。
機械轉向就是純靠機械之間的作用力改變方向。HPS在機械轉向的基礎上加了壹套油壓泵系統,通過控制油壓來幫助方向盤轉向。EHPS是在HPS的基礎上增加了電控單元,通過它來控制油壓大小,以此給車輛轉向提供助力。ESP則是在之前的基礎上讓轉向的執行機構電動化,讓轉向更加輕盈。
3、制動:大概經歷了機械制動、壓力制動、液壓線控制動幾個階段。技術路線和轉向系統差不多,都是從最開始的純機械制動慢慢向助力制動轉變,然後再電驅動化。
傳統底盤結構復雜,質量重,體積大,成本高,維修難。對於智能汽車來說,機械件的靈敏度也不夠,無法滿足智能駕駛的低延遲反應需求。
這時候,線控底盤的優勢就凸顯出來了。因為“線”帶來的是“電”,顧名思義,線控底盤也可以理解為“電控底盤”,也就是原本機械實現的功能在線控底盤上全部由“電”來控制。
二、線控與傳統底盤的差別
1、線控底盤結構更加簡潔
與傳統底盤相比,線控底盤取消了絕大部分傳統的機械、液壓、氣動連接部分,使得底盤結構更加簡潔,繼而降低底盤生產成本,除了能夠在極大程度上降低車身的質量和各部件的體積以外,線控底盤還能夠在壹定程度上減少車身***振,實現更好的靜謐性。
2、線控底盤響應速度更快
將線控制動系統的液壓機構拆除,並裝上線控傳感器,通過電信號將制動操作直接傳到制動器進行制動,其響應速度比傳統的液壓制動快了0.35秒,在極端情況下,這0.35秒可能會起到至關重要的作用。
3、線控底盤發展前景好
各車企之所以要研發線控底盤,主要還是為了將來的自動駕駛布局,如今的線控底盤其實就是自動駕駛的主要載體,更好的可控性和更快的響應速度,有利於自動駕駛系統對車輛進行及時控制,從而盡快實現更高階的自動駕駛功能。
4、對功能安全要求更高
目前來說,線控底盤仍然存在著難以克服的技術難點,而且線控底盤技術往往意味著高度的智能化和電氣化,假如車輛電氣系統出現故障,在沒有傳統機械結構保底的情況下,很容易就會發生失控,因此對功能安全要求更高。
作為智能駕駛的主要載體,汽車線控底盤技術將創造壹個新的未來,未來高階自動駕駛將基於線控化的底盤來實現。目前,線控制動、線控懸架已經開啟了快速滲透道路,線控轉向也即將迎來落地。
三、線控底盤的關鍵技術
1、故障診斷與容錯控制
線控底盤作為壹種復雜的高級電子系統,目前還沒有達到機械或液壓部件同等可靠的程度,並且故障失效模式也與傳統系統不壹樣。那麽如何在新的故障模式下進行有效的故障診斷,並保證在某些電子部件或軟件失效的情況下,系統具有容錯功能,能保證系統的轉向、制動等基本功能,是實現線控底盤的全面應用所必須解決的問題。
線控系統要能夠及時檢測到系統故障,確定故障源,並做出相應的容錯控制動作。容錯控制的含義是:當有壹些部件出現故障或者失效的時候,他們在系統中的功能可以用系統中的其他部分來代替,使系統能繼續保持規定的性能,或者不喪失基本的功能,進壹步實現故障系統的性能最優。
容錯控制的設計方法主要有硬件冗余方法和解析冗余方法兩種,硬件冗余方法就是通過對重要部件或者容易發生故障的部件提供備份,解析冗余方法主要是通過設計控制器的軟件來提高整個系統的冗余度。
在線控系統中,相對於ECU來說,傳感器和執行器更加容易發生故障,所以很多傳感器和執行機構之間都存在冗余備份。不過,雖然ECU的可靠度比較高,但ECU壹旦出現故障,後果更加嚴重。因為傳感器和執行器故障後,系統還可能保持部分工作,而壹旦ECU出現故障,系統就會處於完全癱瘓狀態,失去所有功能。
但是,硬件冗余存在成本高的問題,這也是線控技術目前發展的壹大瓶頸。考慮到成本問題,更多地利用解析冗余方法來提高容錯性,是壹個重要的發展方向。
2、信息獲取與傳輸
線控底盤完成轉向、制動等控制動作的前提,是傳感器不斷將駕駛員的指令信息和車輛的狀態信息及時反饋給控制器,然後控制器才能夠根據控制策略,對執行機構進行控制。
傳感器的精度和分辨率直接影響著控制系統的精度和性能,所以研制出成本低、可靠性好、精度高、體積小的傳感器,也是發展線控系統的關鍵技術之壹。
總線技術對信息的傳輸起著決定性的作用。線控技術的全面應用意味著汽車由機械系統到電子系統的轉變,線控技術要求用於線控的網絡數據傳輸速度很快,時間特性很好,可靠性高。
傳統的CAN總線無法為線控系統提供所需要的容錯功能和帶寬:壹方面是因為,線控系統的實時性和可靠性要求都很高,必須要采用時間觸發的通信協議;另壹方面,線控系統要求通信網絡協議具有容錯的功能,容錯的功能就意味著即使系統的不同部分出現了故障,系統仍然可以按設計繼續運行。
TTP/C和FlexRay協議都包含容錯的同步時鐘,並且用總線監控器保護通信信道不受錯誤節點的影響,是純線控系統通信協議的優選。
3、電機及其控制器
信息通過總線傳輸到控制器,然後控制器驅動各種電機實現執行工作。控制電機和控制器的性能,很大程度上影響著線控系統的整體性能。線控系統的電機主要以位置、轉速或轉矩等,作為控制目標,功率從十幾W到幾千W不等。對於小功率電機。
可以采用步進電機或直流電機,如節氣門開度的控制電機、油泵電機等。在大功率電機方面,永磁同步電機的應用已經越來越廣泛,比如線控轉向電機、EMB中的制動電機等。
純線控系統由於多個電機同時工作,需要消耗更多的電能。因此需要提高電機功率密度、控制器功率密度以及系統效率等指標,擴大高效區的範圍。這樣不僅可以降低電機控制器和系統電源的負荷,提高設計的冗余度,還對線控系統工作節能,增強系統動力性能方面具有重要的意義。
此外,電機及控制器的可靠性、安全性、電磁兼容性也是整車集成控制安全性的重要前提。
4、動力電源
要保證整套線控系統的穩定工作,動力電源的性能也是至關重要的。
線控系統的執行器主要是大功率的電動機以及伺服電機,其相對於傳統的執行器功率而言,消耗極高。舉例來說,單個轉向電動機的功率範圍是550~800W,而電機盤式制動器的功率可達1000W。
如果繼續維持傳統的14伏供電系統,就必須通過提高電流,來獲得更高的功率。但過高的電流會給整套系統帶來安全隱患,汽車電路上的熱能消耗也會大大增加,所以汽車供電系統必須通過提高電壓,來滿足更大功率的需求。