汽車底盤控制技術(shù)的系統(tǒng)綜述與未來(lái)發(fā)展

1. 引言

   本文引用地址：http://2s4d.com/article/202503/468798.htm

   汽車底盤控制技術(shù)在確保車輛的穩(wěn)定性、性能和安全性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它包含一系列系統(tǒng)和組件，這些系統(tǒng)和組件協(xié)同工作以管理和優(yōu)化車輛動(dòng)力學(xué)的各個(gè)方面，包括懸架、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、牽引力和穩(wěn)定性控制。這些系統(tǒng)不僅增強(qiáng)了駕駛體驗(yàn)，還有助于預(yù)防事故和提高整體車輛安全性 [1]。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)依賴于感知層、決策層和執(zhí)行層的協(xié)同配合，因此對(duì)將所有控制功能集成在執(zhí)行層的車輛底盤提出了更高的要求。線控底盤將機(jī)械傳動(dòng)控制升級(jí)為線控，滿足了車架級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)對(duì)電信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、安全冗余性、高性能、智能化的要求?？v觀歷史，底盤控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了重大發(fā)展。最初，簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)用于提供基本的懸架和轉(zhuǎn)向功能。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些系統(tǒng)的復(fù)雜程度和功能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。如今，汽車制造商采用各種類型的懸架系統(tǒng)，例如獨(dú)立懸架和主動(dòng)懸架，以提供卓越的乘坐舒適性和控性能 [2]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是底盤控制技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵組成部分。在現(xiàn)代車輛中，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如齒輪齒條系統(tǒng)，已被電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 （EPS） 所取代。EPS 提供更高的精度、控制和燃油效率，使其成為現(xiàn)代底盤控制系統(tǒng)不可或缺的一部分 [3]。此外，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向的電子控制，進(jìn)一步徹底改變了駕駛體驗(yàn)。制動(dòng)系統(tǒng)在底盤控制領(lǐng)域的重要性不容忽視。制動(dòng)系統(tǒng)確保車輛安全減速和停止的能力。傳統(tǒng)上，使用液壓制動(dòng)系統(tǒng)，但已經(jīng)引入了防抱死制動(dòng)系統(tǒng) （ABS） 和再生制動(dòng)等進(jìn)步。ABS 可防止車輪在緊急制動(dòng)情況下抱死，增強(qiáng)控制和穩(wěn)定性。再生制動(dòng)常見(jiàn)于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車中，它將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而提高整體效率 [4]。牽引力和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在保持車輛穩(wěn)定性和防止事故方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。牽引力控制系統(tǒng)在加速過(guò)程中管理車輪打滑，即使在濕滑的表面上也能確保最大的牽引力。電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) （ESC） 結(jié)合了各種傳感器和控制機(jī)制，可自動(dòng)檢測(cè)和糾正橫向打滑或失控 [5]。它是現(xiàn)代車輛中必不可少的安全功能，可顯著降低翻車風(fēng)險(xiǎn)。汽車底盤控制技術(shù)包括各種系統(tǒng)和組件，它們協(xié)同工作以提高車輛的性能、穩(wěn)定性和安全性。從懸架和轉(zhuǎn)向到制動(dòng)和牽引力控制，每個(gè)組件在確保平穩(wěn)和安全的駕駛體驗(yàn)方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用 [6]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些組件之間的集成和通信變得更加復(fù)雜，預(yù)示著未來(lái)會(huì)有更多令人興奮的發(fā)展。本文對(duì)汽車轉(zhuǎn)向/制動(dòng)/駕駛/懸架系統(tǒng)進(jìn)行了全面的回顧和討論，分析了它們的系統(tǒng)組成、技術(shù)現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)。首先，它引入了線控系統(tǒng)中的容錯(cuò)技術(shù)，包括硬件冗余和軟件冗余。硬件冗余備份可以提高系統(tǒng)可靠性，而軟件冗余則依賴于控制器中的容錯(cuò)算法來(lái)提高系統(tǒng)冗余度。這兩種類型的冗余技術(shù)具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，這種互補(bǔ)的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)在面對(duì)故障時(shí)能夠保持較高的性能水平，大大降低了故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，為提高線控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了有力的支持。本文重點(diǎn)介紹線控制動(dòng)系統(tǒng)，并介紹了一種優(yōu)化的制動(dòng)力分配策略，以確保車輛的安全性和穩(wěn)定性。這種策略不僅提高了制動(dòng)效率，還增強(qiáng)了車輛的穩(wěn)定性。此外，它還介紹了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以靈活地放置在電動(dòng)汽車的車輪上，具有集成度高、駕駛靈活等優(yōu)點(diǎn)。使用碳硅的電機(jī)控制器技術(shù)適合作為功率半導(dǎo)體材料，雖然目前面臨高成本的挑戰(zhàn)，但其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性使其在電機(jī)控制系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，對(duì)于線控懸架系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)包括被動(dòng)容錯(cuò)控制和主動(dòng)容錯(cuò)控制。被動(dòng)容錯(cuò)控制針對(duì)預(yù)定義的故障提前設(shè)計(jì)固定的容錯(cuò)控制律，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和成本相對(duì)較低。主動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)基于 FDD（故障檢測(cè)和診斷），其中診斷單元在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)檢測(cè)和診斷故障。然后，控制反饋或前饋控制器獲得適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)控制律，以確保閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用大大提高了車輛的控性能和乘坐舒適性。然而，線控底盤系統(tǒng)仍然面臨一些挑戰(zhàn)。例如，硬件冗余設(shè)計(jì)和軟件冗余設(shè)計(jì)的成本相對(duì)較高，需要在可靠性、成本和性能之間取得平衡。此外，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和可靠性仍有待提高。由于線控制動(dòng)系統(tǒng)依靠控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，因此控制器可靠性、抗干擾性、容錯(cuò)性以及多個(gè)控制系統(tǒng)通信之間的實(shí)時(shí)響應(yīng)等因素都有可能影響制動(dòng)控制。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的線控底盤技術(shù)有望變得更加成熟和可靠，為汽車行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

2. 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1. 最新技術(shù)

如圖 1 所示，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個(gè)階段，包括機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向 （HPS） 系統(tǒng)、電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向 （EHPS） 系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 （EPS） 系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向 （SBW） 系統(tǒng) [7,8]。與 EPS 相比，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)消除了方向盤和方向盤之間的機(jī)械連接 [9,10,11,12,13,14]。

圖 1.（左）汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展;（右）線控轉(zhuǎn)向的概念。全球主要汽車制造商和供應(yīng)商都對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，TRW （TRW Automotive Holdings Corp）、Delphi 和 ZF 等國(guó)際知名供應(yīng)商都制造了用于實(shí)驗(yàn)研究的物理原型。梅賽德斯奔馳、寶馬、通用汽車等國(guó)際知名汽車制造商展出了一款采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念車。1960 年代后期，德國(guó)的 Kasselmann 開(kāi)始開(kāi)發(fā)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1990 年代，奔馳開(kāi)始研究前輪轉(zhuǎn)向，并將線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車“F400 Carving”。2000 年，寶馬在概念車“BMW Z22”上應(yīng)用線控轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向角減小到 160 度。2013 年，Infinity Q50 應(yīng)用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，其中利用兩個(gè)電機(jī)和三個(gè)相互監(jiān)控的 ECU 來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。2017 年，美國(guó)施耐德開(kāi)發(fā)了由“靜音方向盤系統(tǒng)”和“按需轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”組成的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前，我國(guó)線控舵系統(tǒng)的研究正逐漸從理論走向?qū)嵺`，并取得了一定的進(jìn)展 [15]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為三部分：方向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和中央控制單元（ECU）[16]。所述方向盤模塊包括方向盤扭矩、角度傳感器、路感電機(jī)及其減速器[17]等部件;轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊包括線性位移傳感器、角度傳感器、轉(zhuǎn)向電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)等部件;此外，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)向控制器和電源等組件[18]。所述方向盤模塊（即方向盤）用于接收駕駛員的轉(zhuǎn)向控制;方向盤扭矩傳感器和角度傳感器用于收集駕駛員通過(guò)方向盤輸入的扭矩、角度和速度;路感電機(jī)及其減速器為駕駛員提供路感信息，并輸出方向盤的返回扭矩。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊包括各種傳感器，線性位移傳感器用于采集轉(zhuǎn)向執(zhí)行器的線性位移信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為前輪角度信號(hào);所述角度傳感器用于采集方向盤的角度信息;轉(zhuǎn)向電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)用于克服轉(zhuǎn)向阻力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn);齒輪齒條轉(zhuǎn)向器用于接收和放大轉(zhuǎn)向執(zhí)行器電機(jī)的輸出扭矩，驅(qū)動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向控制器由多個(gè)控制器組成。方向盤模塊控制器從方向盤模塊采集相關(guān)信號(hào)，接收目標(biāo)返回扭矩信號(hào)，并向道路感應(yīng)電機(jī)發(fā)送控制信號(hào);轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊控制器負(fù)責(zé)從轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊收集相關(guān)信號(hào)，接收目標(biāo)方向盤角度信號(hào)，并向轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送控制信號(hào) [19]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車輛中的其他電氣設(shè)備共享電池電源。目前，車輛的主流電源是 12V，而 48V 將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)轉(zhuǎn)向電機(jī)的數(shù)量、布置位置和控制方式，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的典型布局可分為五大類，即單電機(jī)-前輪轉(zhuǎn)向、雙電機(jī)-前輪轉(zhuǎn)向、雙電機(jī)獨(dú)立前輪轉(zhuǎn)向、后輪線控轉(zhuǎn)向、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向。雙電機(jī)前輪轉(zhuǎn)向裝置具有良好的冗余性，單電機(jī)所需的功率更少。英菲尼迪 Q50 采用了這種安排，但這種形式的零件成本增加，冗余算法復(fù)雜。線控轉(zhuǎn)向的工作示意圖如圖 2 所示。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，角度位移傳感器將駕駛員的意圖以及車輛的其他信號(hào)（例如速度信號(hào)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。ECU 通過(guò)總線傳輸?shù)?ECU，根據(jù)設(shè)定的算法計(jì)算前輪角度，并將此信號(hào)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)向電機(jī)以完成轉(zhuǎn)向。此外，ECU 通過(guò)轉(zhuǎn)向阻力傳感器獲取轉(zhuǎn)向阻力信息后，根據(jù)返回扭矩算法將返回扭矩的大小傳遞給駕駛員，用于路感反饋。

圖 2.線控轉(zhuǎn)向示意圖。

2.2. 關(guān)鍵技術(shù)

• (1)容錯(cuò)

電機(jī)內(nèi)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)管開(kāi)路、旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)異常、溫度傳感器異常等故障的概率很高，對(duì)系統(tǒng)也有重大影響。傳感器中的短路、開(kāi)路和機(jī)械故障對(duì)系統(tǒng)有重大影響，但它們的發(fā)生頻率并不高[20,21,22]。通信總線中連接器接觸不良對(duì)系統(tǒng)有重大影響，發(fā)生的可能性很高[23]。目前的容錯(cuò)方法從技術(shù)角度可以分為兩類：一類是基于硬件備份冗余技術(shù)，另一類是基于軟件容錯(cuò)算法技術(shù)。硬件冗余方式主要通過(guò)對(duì)重要組件和易受攻擊的組件提供備份來(lái)提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性能;軟件冗余方法主要依靠控制器的容錯(cuò)算法來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的冗余性，從而提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性能 [24u201225]。硬件備份技術(shù)和軟件容錯(cuò)技術(shù)是高度互補(bǔ)的;硬件備份技術(shù)可以在硬件層面增強(qiáng)容錯(cuò)控制技術(shù)的可靠性;軟件容錯(cuò)技術(shù)可以減少硬件冗余導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的空間和體積要求。未來(lái)的線控舵系統(tǒng)將是一個(gè)高度智能的系統(tǒng)，同時(shí)具有硬件備份和容錯(cuò)算法[26,27u201228]。

• (2)路感反饋

由于 SBW 系統(tǒng)無(wú)法為駕駛員提供固有的轉(zhuǎn)向感覺(jué)，因此存在駕駛員誤作導(dǎo)致交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要路感仿真技術(shù)為駕駛員提供來(lái)自路面的反饋信息。通過(guò)方向盤上的手感獲取有關(guān)道路和方向盤的反饋信息，駕駛員可以幫助完成轉(zhuǎn)彎和變道等駕駛?cè)蝿?wù)。駕駛員在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)需要克服的阻力扭矩主要包括兩個(gè)方面，即返回扭矩和摩擦扭矩，而路感反饋扭矩包括返回扭矩和摩擦扭矩。要使駕駛員體驗(yàn)到逼真的路感，本質(zhì)是利用適當(dāng)?shù)牟呗?，通過(guò)上層路感電機(jī)控制來(lái)自下層電機(jī)和傳感器的數(shù)據(jù)和信息，模擬并傳遞到方向盤上，為駕駛員提供來(lái)自路面的反饋扭矩和方向盤重新對(duì)位扭矩。獲取路感反饋扭矩的方法包括參數(shù)擬合、傳感器測(cè)量和基于動(dòng)力學(xué)模型的方法，其中第三種是當(dāng)前研究的主流[29,30]?；爻膛ぞ乜刂萍夹g(shù)是 SBW 系統(tǒng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是主動(dòng)轉(zhuǎn)向研究的基礎(chǔ)。本研究的核心問(wèn)題是如何提高回程扭矩以達(dá)到與動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相同的效果。基于動(dòng)力學(xué)模型方法，根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、駕駛員方向盤、輸入等狀態(tài)，利用車輛動(dòng)力學(xué)模型估計(jì)輪胎回程扭矩和需要補(bǔ)償?shù)姆答伵ぞ?，進(jìn)而計(jì)算期望的反饋扭矩指令 [31]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有提高控穩(wěn)定性、提高舒適性、節(jié)能環(huán)保、提高被動(dòng)安全性、促進(jìn)車輛輕量化等優(yōu)點(diǎn)。然而，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和可靠性一直是阻礙其實(shí)施的核心障礙。3. 汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)

3.1. 最新技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外線控制動(dòng)系統(tǒng)的主要研究有電子液壓制動(dòng)（EHB）系統(tǒng)、電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）系統(tǒng)和混合動(dòng)力線控制動(dòng)（HBBW）系統(tǒng)，其中EHB系統(tǒng)最為成熟，目前處于量產(chǎn)階段[32,33,34,35]。以前，線控制動(dòng)系統(tǒng)主要分為三種類型：第一種是電子液壓制動(dòng)（EHB）系統(tǒng)，第二種是電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）系統(tǒng)，第三種是混合動(dòng)力線控制動(dòng)（HBBW）系統(tǒng)[36,37]。EHB系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，采用綜合制動(dòng)系統(tǒng)模塊（電機(jī)、泵、高壓蓄能器等）取代傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中的調(diào)壓系統(tǒng)和可產(chǎn)生和存儲(chǔ)制動(dòng)壓力的ABS模塊，并可通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)分別調(diào)節(jié)四個(gè)輪胎的制動(dòng)扭矩[38].EMB 系統(tǒng)完全消除了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)液和液壓管路等部件，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力，這是真正的線控制動(dòng)系統(tǒng)。EMB 系統(tǒng)中沒(méi)有液壓驅(qū)動(dòng)和控制部分，機(jī)械連接僅存在于電機(jī)和制動(dòng)鉗之間。驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)電線傳輸能量，通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸信號(hào)[39u201240]?；旌蟿?dòng)力線控制動(dòng) （HBBW） 系統(tǒng)的主流布局是在前橋上使用電子液壓制動(dòng) （EHB） 系統(tǒng)，在后橋上使用電子機(jī)械制動(dòng) （EMB） 系統(tǒng);前橋采用EHB系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)前輪的單輪制動(dòng)力調(diào)節(jié)，同時(shí)依靠安裝在前橋上的EHB實(shí)施制動(dòng)故障備份，滿足安全可靠要求;后橋采用EMB系統(tǒng)，可縮短制動(dòng)管路長(zhǎng)度，消除壓力控制時(shí)管路過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的不確定性;另一方面，它可以使電子駐車制動(dòng)器 （EPB） 更加方便快捷 [41]。汽車電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)（EHB）主要由液壓控制模塊、制動(dòng)踏板模塊、控制單元HCU、制動(dòng)器、各種傳感器等組成[42]。EHB系統(tǒng)的工作過(guò)程主要涉及控制供壓?jiǎn)卧透咚匍_(kāi)關(guān)閥，產(chǎn)生和儲(chǔ)存制動(dòng)壓力，以及分別調(diào)節(jié)四個(gè)輪胎的制動(dòng)扭矩[43]。汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng) （EMB） 主要由車輪制動(dòng)模塊、中央電子控制單元 （ECU）、制動(dòng)踏板模塊、通信網(wǎng)絡(luò)、電源和其他部件組成。EMB 系統(tǒng)以電子元件代替液壓元件，是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)電子控制單元控制制動(dòng)電機(jī)的電流水平，并通過(guò)制動(dòng)夾具從兩側(cè)夾緊摩擦盤，實(shí)現(xiàn)車輪制動(dòng)。限制 EMB 系統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括冗余設(shè)計(jì)和容錯(cuò)控制、夾緊力控制技術(shù)、無(wú)刷電機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性以及創(chuàng)新和小型化的齒輪機(jī)構(gòu)?；?EMB 系統(tǒng)的車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，不同于基于液壓的閉環(huán)控制，需要開(kāi)發(fā)一種全新的動(dòng)態(tài)模型和車輛協(xié)調(diào)控制算法。圖 3 顯示了 EHB、EMB 和 HBBW 的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖 3.EHB、EMB 和 HBBW 系統(tǒng)。已經(jīng)有一些成熟的算法，如PID、SMC、MPC等，成功地幫助一體化線控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力缸壓力控制。米蘭理工大學(xué)的 Todeschini 等人為自主設(shè)計(jì)的線控制動(dòng)系統(tǒng)提出了一種位置壓力混合動(dòng)力開(kāi)關(guān)動(dòng)力缸控制策略。在位置控制模式下，他們快速控制電機(jī)完全旋轉(zhuǎn)以克服制動(dòng)系統(tǒng)的怠速行程，而在壓力控制模式下，他們使用了可變參數(shù) PID。閉環(huán)控制精確調(diào)節(jié)動(dòng)力缸的壓力，有效提高了該配置的主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)率[44,45]。

3.2. 關(guān)鍵技術(shù)

• (1)制動(dòng)力的最優(yōu)分配策略

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制動(dòng)力分配的目的是根據(jù)車輛負(fù)載、實(shí)際路況和駕駛員踩下制動(dòng)踏板瞬間的運(yùn)行條件來(lái)計(jì)算四輪制動(dòng)器的制動(dòng)力，以便在獲得最短制動(dòng)距離的同時(shí)保證車輛的安全穩(wěn)定 [46u201247]。傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中踏板位移、踏板力、制動(dòng)力之間的關(guān)系，可以從EMB系統(tǒng)中的踏板力與制動(dòng)減速度的關(guān)系中推斷出來(lái)，并可以建立關(guān)系曲線。由于輪胎和路面粘附系數(shù)等因素，車輪的最大地面制動(dòng)力不應(yīng)超過(guò)粘附力[48]。當(dāng)局部制動(dòng)力超過(guò)粘附力時(shí)，車輪可能會(huì)出現(xiàn)抱死和打滑，可能會(huì)出現(xiàn)前輪抱死或后輪抱死等現(xiàn)象。當(dāng)汽車剎車時(shí)，輪胎不僅會(huì)滾動(dòng)，還會(huì)打滑，打滑率的大小在一定程度上與粘附系數(shù)有關(guān);在理想狀態(tài)下，汽車剎車時(shí)前后制動(dòng)器的制動(dòng)力呈線性關(guān)系，但在實(shí)際情況下可能會(huì)有一些偏差。

• (2)系統(tǒng)安全和容錯(cuò)能力

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EMB 系統(tǒng)的應(yīng)用一直受到安全性和可靠性的極大影響，因?yàn)槿魏坞娮有盘?hào)的故障都可能帶來(lái)災(zāi)難性的后果。因此，系統(tǒng)安全和容錯(cuò)技術(shù)尤為重要，包括軟件冗余和硬件冗余 [49u201250]?？紤]到 EMB 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和成本，熱備份的動(dòng)態(tài)冗余是最好的選擇。制動(dòng)踏板模塊、ECU模塊、通信網(wǎng)絡(luò)和電源模塊的雙重冗余設(shè)計(jì)可以有效提高系統(tǒng)的可靠性[51]。EMB 系統(tǒng)制動(dòng)踏板模塊采用雙冗余結(jié)構(gòu)，兩臺(tái)相同的機(jī)器同時(shí)工作。對(duì)工作結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)預(yù)定的自診斷策略和故障判斷策略輸出。4. 汽車線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4.1. 最新技術(shù)

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)汽車，線控節(jié)氣門系統(tǒng)已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的節(jié)氣門系統(tǒng)，市場(chǎng)上 99% 以上的車型都配備了燃油控制門系統(tǒng)。對(duì)于新能源汽車，目前主流的驅(qū)動(dòng)方案包括集中式電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，集中式電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案已獲得大量應(yīng)用，但正在向以輪緣和輪轂電機(jī)為代表的分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展 [52,53,54,55]。線控節(jié)氣門系統(tǒng)由節(jié)氣門踏板、踏板位移傳感器、電子控制單元、數(shù)據(jù)總線、伺服電機(jī)和節(jié)氣門執(zhí)行器組成。線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電子控制單元（ECU）、功率轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)輪等組成[56]。新能源汽車線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為集中驅(qū)動(dòng)、中央傳動(dòng)和分布式驅(qū)動(dòng)三種。目前，電驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)、輪緣減速驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是主流結(jié)構(gòu)[57,58,59]。線控節(jié)氣門由電纜或線束控制，以控制節(jié)氣門開(kāi)度。從表面上看，它用一根電纜取代了傳統(tǒng)的節(jié)氣門電纜，但本質(zhì)上，它不僅僅是連接方式的簡(jiǎn)單改變，而是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制[60,61,62]。純電動(dòng)汽車的駕駛控制是通過(guò)嵌入車輛控制器中的控制策略程序?qū)崿F(xiàn)的。根據(jù)每個(gè)傳感器的輸入信號(hào)，確定車輛的運(yùn)行條件，并確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)在每種運(yùn)行條件下的目標(biāo)扭矩 [63]。然后，通過(guò) CAN 總線將目標(biāo)值發(fā)送給電機(jī)控制器 （MCU），電機(jī)控制器根據(jù)接收到的命令控制電機(jī)，以保證車輛的正常行駛 [64]。

4.2. 關(guān)鍵技術(shù)

• (1)永磁同步電機(jī)的效率提升

為了提高 NVH 性能，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般選擇多極、高轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì);由于較高的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致較高的鐵損，普通硅鋼片在高頻區(qū)的損耗控制相對(duì)較弱。通過(guò)減小硅鋼片的厚度可以減少損耗[65,66]。使用高效硅鋼片可以減少鐵損，但仍需要優(yōu)化電機(jī)在低速、高扭矩時(shí)的銅損。一種方法是使用發(fā)卡電機(jī)。發(fā)卡電機(jī)的學(xué)名是發(fā)夾電機(jī)，是一種扁線電機(jī)，其繞組端部類似于發(fā)卡電機(jī)。發(fā)卡電機(jī)銅耗低，效率高。目前，豐田和典莊已經(jīng)采用了發(fā)卡電機(jī)方案 [67]。

• (2)輪轂電機(jī)技術(shù)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靈活放置在各種電動(dòng)汽車的車輪上，直接驅(qū)動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)。與內(nèi)燃機(jī)和單電機(jī)等傳統(tǒng)集中式驅(qū)動(dòng)方式相比，其在動(dòng)力配置、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、控性能、能源利用等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)極為明顯 [68]。輪轂電機(jī)主要分為外轉(zhuǎn)子電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)兩種，區(qū)別主要體現(xiàn)在有無(wú)減速結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)和輪緣電機(jī)在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上收斂，主要區(qū)別在于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)與輪轂集成，而輪緣電機(jī)位于輪緣上 [69]。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的示意圖如圖 4 所示?？傮w來(lái)看，輪轂電機(jī)的應(yīng)用具有集成度高、驅(qū)動(dòng)靈活、符合智能汽車發(fā)展和平臺(tái)泛化應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn) [70]。

圖 4.輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖。材料和工藝創(chuàng)新可能會(huì)突破輪轂電機(jī)中電磁負(fù)載對(duì)電機(jī)體積的限制。進(jìn)一步研發(fā)高磁導(dǎo)率、低損耗磁性材料、低電阻率導(dǎo)電材料、高導(dǎo)熱絕緣材料以及低密度、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，可以減少電機(jī)損耗和質(zhì)量，改善電機(jī)內(nèi)部的熱傳遞，并提高輪轂電機(jī)中的功率/扭矩密度。電機(jī)加工的創(chuàng)新將通過(guò)不同的工藝結(jié)構(gòu)，在基于現(xiàn)有材料的電機(jī)中實(shí)現(xiàn)低損耗、輕量化和高冷卻效率的設(shè)計(jì)。未來(lái)，電機(jī)設(shè)計(jì)將不再是簡(jiǎn)單的電磁或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而是真正的多學(xué)科設(shè)計(jì)，不斷突破電機(jī)性能的極限。

• (3)

• 電機(jī)控制器

碳化硅 （SiC） 由于其強(qiáng)大的帶隙、導(dǎo)熱性和絕緣能力，非常適合作為功率半導(dǎo)體的材料。與硅 （Si） 基器件相比，它更容易實(shí)現(xiàn)低損耗、高開(kāi)關(guān)頻率和高結(jié)溫，并且溫度升高對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響很小 [71]。其良好的輸出特性更適合牽引條件。雖然高成本是其面臨的主要障礙，但隨著材料價(jià)格的下降和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，SiC器件將在高效運(yùn)行、節(jié)省元件和芯片等維度上降低電控產(chǎn)品的成本 [72,73,74,75]。5. 線控系統(tǒng)汽車懸架

5.1. 最新技術(shù)

在車輛駕駛和騎行過(guò)程中，控性和舒適性是兩個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，很難平衡。線懸架控制是根據(jù)實(shí)際路況自動(dòng)調(diào)節(jié)懸架的高度、剛度和阻尼，以實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛姿態(tài)的精確控制的過(guò)程 [76]。根據(jù)執(zhí)行器，從技術(shù)成熟度和設(shè)備率來(lái)看，空氣彈簧和 CDC 型線控減震器是最常見(jiàn)的。MRC減震器減震效果好，響應(yīng)速度快[77,78]。后期降價(jià)后會(huì)有很好的發(fā)展空間。由于其替代性強(qiáng)，配備線控防傾桿的必要性相對(duì)較低。圖 5 說(shuō)明了空氣懸架系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖 5.空氣懸架的基本結(jié)構(gòu)。根據(jù)額外外力干預(yù)的程度，汽車懸架系統(tǒng)可分為以下幾類：被動(dòng)、半主動(dòng)和完全主動(dòng)。半主動(dòng)控制的成本低于全主動(dòng)控制，其性能接近全主動(dòng)懸架系統(tǒng)，并且具有可靠的故障狀態(tài)適應(yīng)性，是當(dāng)前市場(chǎng)的主流 [79]。隨著自動(dòng)駕駛水平的提高和各種傳感器的接入，全主動(dòng)懸架的普及程度將與日俱增 [80]。線控懸架系統(tǒng)通常有兩套并聯(lián)的信息采集和控制系統(tǒng)，解決不同路況下不同系統(tǒng)的控制耦合是其控制難點(diǎn);目前主流的控制方案是線控彈簧一般在穩(wěn)態(tài)下調(diào)整，線控減振一般是實(shí)時(shí)調(diào)整的。線控懸架控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，沒(méi)有最佳解決方案。在標(biāo)定過(guò)程中，需要根據(jù)仿真模型和實(shí)際車輛測(cè)試結(jié)果對(duì)核心參數(shù)進(jìn)行持續(xù)標(biāo)定。PID（proportional， integral， differential）控制是控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛、最成熟的控制方法，廣泛應(yīng)用于車輛的主動(dòng)和半主動(dòng)懸架[81]。通過(guò)仿真測(cè)試和實(shí)車測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)比例（單次調(diào)整幅度）、積分（消除靜態(tài)誤差）和微分（反映輸入信號(hào)變化趨勢(shì)）參數(shù)的調(diào)整。

5.2. 容錯(cuò)的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)線控懸架系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，PID 懸架前期設(shè)定的 Kp、Ki、Kd 參數(shù)為固定值，無(wú)法快速適應(yīng)變化。因此，需要一種容錯(cuò)機(jī)制來(lái)對(duì)控制信號(hào)執(zhí)行增益和補(bǔ)償處理。被動(dòng)容錯(cuò)控制主要針對(duì)預(yù)先已知的故障類型設(shè)計(jì)固定和不變的容錯(cuò)控制律，使系統(tǒng)對(duì)預(yù)設(shè)故障（如傳感器故障）不敏感[82]。這種方法不需要對(duì)故障進(jìn)行預(yù)診斷或?qū)崟r(shí)調(diào)整控制規(guī)律，實(shí)施時(shí)間和成本相對(duì)較低。主動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是 FDD（故障自檢反饋系統(tǒng)）。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，診斷單元對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和診斷，并控制反饋/前饋控制器以獲得適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)控制律，確保閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先建立系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)故障模型：根據(jù)系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)FDD系統(tǒng)，然后根據(jù)補(bǔ)償規(guī)則設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制律。線控懸架除了常規(guī)的底盤支撐和減震外，由于其良好的負(fù)載適應(yīng)性和較低的固有頻率，已擴(kuò)展到商用車的駕駛室和座椅，大大提高了長(zhǎng)途駕駛舒適性和抗疲勞能力。線控懸架可以滿足不同工況下行駛平穩(wěn)性和車輛控性的要求。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)整車的故障率、安全風(fēng)險(xiǎn)和能耗有一定的負(fù)面影響。6. 討論線控底盤技術(shù)是一種先進(jìn)的汽車技術(shù)，依靠電子控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)車輛的底盤，有可能提高車輛的控性能、舒適性和安全性。通過(guò)線控系統(tǒng)對(duì)底盤的介紹，可以全面回顧線控轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀，闡明各系統(tǒng)的現(xiàn)狀和需要改進(jìn)的領(lǐng)域。為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)底盤線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以在以下領(lǐng)域取得進(jìn)展：線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的安全性和可靠性長(zhǎng)期以來(lái)一直是其實(shí)施的根本障礙，這可以通過(guò)硬件冗余和容錯(cuò)算法來(lái)改進(jìn)。未來(lái)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有望成為集成硬件冗余和容錯(cuò)算法的高度智能平臺(tái)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和車輛控制系統(tǒng)的不斷升級(jí)，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)將逐漸成為汽車行業(yè)的主流趨勢(shì)。人工智能、車聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步提高線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的智能性。生產(chǎn)線控制的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可分為 EHB 和 EMB。預(yù)計(jì) EHB 將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)成為主流方案，而 EMB 可能會(huì)因冗余和備份挑戰(zhàn)等問(wèn)題在短期內(nèi)遇到商業(yè)化困難。另一個(gè)突出的特點(diǎn)是輪轂電機(jī)系統(tǒng)，它具有簡(jiǎn)化車輛架構(gòu)、增加可用空間和提高傳動(dòng)效率的明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)功能集成到一個(gè)系統(tǒng)中。此外，在懸架方面，它可以靈活地調(diào)整懸架系統(tǒng)的車身高度和剛度，以提高車輛的通過(guò)性或控性能。7. 結(jié)論汽車底盤控制技術(shù)是指負(fù)責(zé)控制和管理車輛底盤的運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定性和性能的各種系統(tǒng)和組件。這些技術(shù)在確保車輛的安全性、舒適性和整體駕駛體驗(yàn)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

• (1)線控轉(zhuǎn)向：目前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)主要處于研發(fā)階段。從整車廠的角度來(lái)看，只有英菲尼迪 Q50 在量產(chǎn)中配備了這項(xiàng)技術(shù)，泛亞和同濟(jì)大學(xué)共同進(jìn)行前期研發(fā)，沒(méi)有與零部件制造商合作。從供應(yīng)商的角度來(lái)看，博世、采埃孚等廠商正在積極研發(fā)和制作樣品，但尚未在整車上配備。博世的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用雙冗余、全備份方案。

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• (2)線控制動(dòng)：目前市場(chǎng)上推出控制技術(shù)的主流路線是電子液壓制動(dòng) （EHB） 系統(tǒng)，并且已經(jīng)有幾款量產(chǎn)產(chǎn)品，例如博世的 iBooster 和大陸的 MK C1。由于技術(shù)不成熟，電子機(jī)械制動(dòng) （EMB） 系統(tǒng)仍處于研發(fā)階段。

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• (3)線控駕駛：對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)（throttle-by-wire）目前廣泛應(yīng)用于乘用車和商用車，市場(chǎng)份額超過(guò) 99%;在新能源汽車方面，線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)已得到全面應(yīng)用，目前處于電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)階段。隨著電動(dòng)化水平的提高，未來(lái)將向以輪緣電機(jī)和輪轂電機(jī)為代表的分布式驅(qū)動(dòng)發(fā)展。

線控懸架：雖然線控懸架可以自動(dòng)調(diào)節(jié)線控彈簧的剛度、車身高度和減震器阻尼，但出于重量、成本和可靠性等原因，目前屬于非剛性配置，主要配備在 C 級(jí)和 D 級(jí)車輛上。因此，對(duì)于汽車制造商來(lái)說(shuō)，線控減震器的裝配優(yōu)先級(jí)最高，其次是線控彈簧，最后是線控防傾桿。就發(fā)展?jié)摿Χ?，拉繩控制空氣彈簧和 CDC/MRC 型生產(chǎn)線是可能的?？煽販p震器的未來(lái)發(fā)展前景比較好。