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        新能源汽車智能線控底盤

        2025-08-12 00:00:00王攀詹潔蔣晨鈺藍家闖
        時代汽車 2025年16期
        關(guān)鍵詞:新能源汽車

        摘 要:在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動下,新能源汽車全球滲透率預(yù)計在2025年突破30%(IEA數(shù)據(jù)),其智能化是未來發(fā)展的關(guān)鍵,在此背景下對底盤系統(tǒng)提出革命性需求。智能線控底盤技術(shù)目前是行業(yè)關(guān)注的熱點,其包括線控轉(zhuǎn)向、線控制動、線控驅(qū)動以及線控懸掛四個模塊。文章聚焦智能線控底盤技術(shù),首先對四個模塊的組成以及基本控制原理進行介紹,接著介紹了基于域控制器的協(xié)同控制的原理,最后分析了智能線控地盤當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢,為未來線控底盤技術(shù)的應(yīng)用提供支持。

        關(guān)鍵詞:新能源汽車 智能線控底盤 協(xié)同控制

        隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,對于汽車性能、安全性和舒適性的要求不斷提高。智能線控底盤技術(shù)作為一種創(chuàng)新的底盤技術(shù),是新能源汽車智能駕駛的必然選擇[1]。它能夠?qū)崿F(xiàn)底盤系統(tǒng)的精確控制,提高車輛的操控性、安全性和舒適性,并且與新能源汽車的電動化、智能化發(fā)展趨勢相契合。

        1 智能線控底盤

        汽車線控底盤技術(shù)是指通過線控系統(tǒng)實現(xiàn)對車輛底盤的操控。線控系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)組成,通過電信號或電子信號傳遞指令,以完成對車輛的轉(zhuǎn)向、制動和懸掛等操作。相比傳統(tǒng)的機械連接方式,線控底盤不僅可以省去了傳統(tǒng)的機械連接件,而且具有更高的響應(yīng)速度和更高的控制精度,能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的駕駛環(huán)境[2-3]。

        線控底盤中由各種傳感器負(fù)責(zé)采集車輛各種狀態(tài)信息,如加速度、輪速和轉(zhuǎn)向角度等,并通過CAN線將其發(fā)送給控制器,控制器接收到這些信息后,進行分析處理并制定相應(yīng)的控制策略,發(fā)送控制指令給執(zhí)行器。執(zhí)行器收到控制指令后執(zhí)行相應(yīng)的動作,完成車輛的控制。

        2 智能線控底盤關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 線控轉(zhuǎn)向

        線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),其特點在于取消了傳統(tǒng)的機械傳動軸,使方向盤與轉(zhuǎn)向機構(gòu)之間僅通過電線連接。這種系統(tǒng)完全依賴于電信號來傳輸控制指令,從而實現(xiàn)了駕駛員與轉(zhuǎn)向機構(gòu)之間的非直接物理力矩傳輸[4]。在這種系統(tǒng)中,駕駛員操作方向盤的指令完全通過電子信號傳遞給電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU),ECU分析指令后傳遞給轉(zhuǎn)向機完成操作。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤模塊、主控制器、執(zhí)行模塊、故障處理系統(tǒng),電源等部分組成。其中方向盤模塊、主控制器、執(zhí)行模塊是線控轉(zhuǎn)向的3個主要部分,其他模塊屬于輔助部分。其結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

        方向盤模塊是轉(zhuǎn)向意圖的輸入模塊方向盤模塊通過測量方向盤的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩,將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并傳遞給主控制器;同時,方向盤模塊接收主控制器反饋的力矩信號,產(chǎn)生方向盤的回正力矩,為駕駛員提供對應(yīng)的路感。主控制器作用是分析和處理各路信號,判斷轉(zhuǎn)向意圖和汽車的運動狀態(tài),并輸出相應(yīng)的控制指令。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的作用是實現(xiàn)和執(zhí)行駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖,它由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、轉(zhuǎn)向電機控制器、車輪轉(zhuǎn)向組件以及車輪轉(zhuǎn)角傳感器組成。執(zhí)行模塊接受主控制器的指令,通過轉(zhuǎn)向電機及其控制器,控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

        相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng),線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于取消了轉(zhuǎn)向柱等機械結(jié)構(gòu),給車內(nèi)節(jié)省了更多的空間,同時避免了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱對駕駛員的傷害;轉(zhuǎn)向更靈活,基于車速、牽引力控制以及其他相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)向比率(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角的比值)不斷變化,如在低速行駛時轉(zhuǎn)向比率低,可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度,在高速行駛時轉(zhuǎn)向比率變大,獲得更好的直線行駛條件,此外可以顯著降低汽車的重量,并因此減少耗油量或耗電量。同時,取消這些機械連接,也降低了汽車的零件生產(chǎn)成本。

        2.2 線控制動

        線控制動是一種先進的汽車制動技術(shù),它通過電子控制系統(tǒng)來實現(xiàn)制動操作,而不是傳統(tǒng)的機械或液壓連接。這種技術(shù)的核心在于將制動踏板與制動器之間的動力傳遞分離開來,取而代之的是電線連接。制動踏板的移動被傳遞給ECU,ECU根據(jù)踏板的位置和其他傳感器的數(shù)據(jù)來命令電機進行制動。由于這些電機是相互獨立的,它們可以對每個輪胎施加不同的壓力。

        線控制動系統(tǒng)主要分為電子液壓制動(Electro-Hydraulic Braking,EHB)和電子機械制動(Electro-Mechanical Braking,EMB)兩大類。EHB系統(tǒng)以液壓制動為基礎(chǔ),實現(xiàn)了動力源的電控化,而EMB系統(tǒng)則進一步簡化,取消了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的制動主缸和液壓管路,將電機直接集成在制動器上方,是真正的線控制動系統(tǒng)。EMB根據(jù)是否和電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(Electronic Stability Control System,ESC)系統(tǒng)集成可分為Two-box和One-box兩種形式。Two-Box方案中,ESC和電子助力器相互獨立、互為冗余;One-box方案集成真空助力器、主缸、電子真空泵、ESC等。

        由于EMB制動系統(tǒng)取消了機械傳動結(jié)構(gòu),使用電子信號來進行控制,相比于EHB制動系統(tǒng),其響應(yīng)速度更快,制動距離更短,車輛能有更好穩(wěn)定性動態(tài)控制以及更舒適精準(zhǔn)的制動操作,但EMB制動系統(tǒng)沒有備份系統(tǒng),對可靠性要求極高,所以目前沒有大規(guī)模應(yīng)用,EHB制動目前仍然是市場上的主流產(chǎn)品。

        2.3 線控驅(qū)動

        線控驅(qū)動系統(tǒng)是指通過電子控制單元對驅(qū)動機構(gòu)中的電機轉(zhuǎn)速、扭矩等進行控制,從而實現(xiàn)對車輛速度、方向等的控制。新能源汽車線控驅(qū)動系統(tǒng)包括ECU、功率轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電機、機械傳動系統(tǒng)、驅(qū)動輪以及能源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)等組成,其組成結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

        線控驅(qū)動的工作原理,當(dāng)駕駛員踩下踏板,傳感器會感知到踏板的位移信號,并將其通過電纜傳遞給 ECU,新能源車的ECU為整車控制器(Vehicle Control Unit,VCU),VCU各傳感器輸入信號判斷車輛所處的工況并決策各工況下驅(qū)動電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,然后通過CAN總線將目標(biāo)值發(fā)送給電機控制器,電機控制器根據(jù)接收到的命令對電機進行控制。

        新能源汽車的線控驅(qū)動系統(tǒng)按照驅(qū)動電機的布置方式又可分為集中式驅(qū)動、分布式驅(qū)動以及中央橋式驅(qū)動。集中式驅(qū)動只有一個動力源,通過傳動系統(tǒng)將動力分配至各驅(qū)動輪,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,底盤改動較小且成本低,缺點是仍然保留機械差速器等機構(gòu),對驅(qū)動電機要求較高,須具備較高的起動轉(zhuǎn)矩和較大的后備功率;分布式驅(qū)動整車動力需求由多個電機共同滿足,且每個驅(qū)動電機對單個車輪進行獨立驅(qū)動。主要可分為輪邊電機驅(qū)動構(gòu)型和輪轂電機驅(qū)動構(gòu)型,其優(yōu)點是取消了機械差速器等傳動裝置,節(jié)省出更多的底盤空間且能更精確地調(diào)節(jié)驅(qū)動輪動力輸出,更容易實現(xiàn)汽車底盤集成控制,缺點是該方案成本較高,且對整車控制策略的要求很高。中央橋式驅(qū)動方案介于分布式驅(qū)動和集中式驅(qū)動方案之間,將動力系統(tǒng)集成在車輛中央通過一個中央驅(qū)動橋連接至前后輪,這種驅(qū)動方案優(yōu)點是相比于分布式驅(qū)動其成本低,控制策略要求并沒有那么高,其占用空間比集中式驅(qū)動更低。

        目前隨著新能源汽車的崛起,整個線控驅(qū)動市場也在快速增長,線控驅(qū)動技術(shù)正由集中式驅(qū)動向分布式驅(qū)動不斷發(fā)展。未來,以輪邊和輪轂電機為代表的分布式驅(qū)動技術(shù)方案將得到大量應(yīng)用。

        2.4 線控懸掛

        線控懸掛系統(tǒng)是一種采用電子控制技術(shù)替代傳統(tǒng)機械和液壓連接的汽車懸掛系統(tǒng)。與傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)通過彈簧、減震器以及機械連接件共同作用來吸收路面不平的沖擊不同,線控懸掛可以通過電子信號來調(diào)節(jié)懸掛的硬度、行程等參數(shù),實現(xiàn)更加智能、精確的懸掛控制,進而優(yōu)化駕駛體驗和車輛的操控性能。

        線控懸架系統(tǒng)主要由ECU、傳感器、執(zhí)行器等組成。傳感器主要包括車速傳感器、車身高度傳感器以及車身姿態(tài)傳感器等,這些傳感器共同采集車輛行駛過程中各種信息,并將采集到信息通過CAN總線傳給ECU。ECU接收到信號后,根據(jù)預(yù)設(shè)的算法進行計算和分析,得出最優(yōu)的懸架調(diào)節(jié)參數(shù),然后輸出控制信號給執(zhí)行機構(gòu),以實現(xiàn)對懸架系統(tǒng)的精確控制。執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)到ECU傳遞過來信息,調(diào)整懸掛的高度、剛度和阻尼。

        當(dāng)前線控懸架技術(shù)已經(jīng)基本成熟,但由于其高昂的成本,過去主要應(yīng)用在高端豪華乘用車上。近年來我國自主車企高端化發(fā)展進一步擴大了國內(nèi)中高端市場的規(guī)模,目前小鵬和蔚來等造車新勢力均將線控懸架作為產(chǎn)品賣點之一。

        2.5 底盤域控

        底盤域控制器是汽車電子電氣架構(gòu)中的一個核心控制單元,主要負(fù)責(zé)車輛底盤相關(guān)系統(tǒng)的集成控制,包括傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等。它是實現(xiàn)線控底盤運算集成化的必要構(gòu)件,能夠?qū)崿F(xiàn)底盤傳感系統(tǒng)整合與信號融合,優(yōu)化整車功能安全等級與駕乘體驗。底盤域控制器利用CAN網(wǎng)絡(luò)接收駕駛員的操縱指令或智能駕駛指令,以及同汽車動態(tài)特征有關(guān)的所有傳感器的信息,同時同本域內(nèi)所有的執(zhí)行ECU通過CAN網(wǎng)絡(luò)連接起來,底盤域控制器運行底盤最高層的控制策略和控制邏輯,包括駕駛員意圖識別,XYZ控制,故障診斷與降級處理等。底盤域控制可以進行跨域融合,如和智駕域控制器融合,底盤域?qū)⑹占叫畔⑦M行處理得到車輛狀態(tài)并上報給智駕域控制器,智駕域控制器做出控制決策,通過底盤域去控制各個執(zhí)行機構(gòu)如懸掛轉(zhuǎn)向等系統(tǒng),其原理如下圖3所示。

        3 未來發(fā)展趨勢

        目前,隨著新能源汽車的普及,線控底盤技術(shù)也不斷普及,國內(nèi)很多主機廠都推出了自己線控底盤產(chǎn)品,如上汽智己車型上的靈蜥底盤、華為智界上的途靈底盤等。但是其普及仍面臨許多的困難與挑戰(zhàn),如下。

        冗余設(shè)計復(fù)雜,由于直接關(guān)系著車輛的駕駛安全,線控底盤需在制動、轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵環(huán)節(jié)部署多重冗余(如雙電源、雙傳感器系統(tǒng)),但冗余設(shè)計顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

        高溫性能穩(wěn)定性,例如EMB依賴電機直接控制制動器,但在高溫、高負(fù)荷工況下易出現(xiàn)性能衰減,影響制動可靠性。

        制造成本高,線控底盤部分零件其精度要求高,國內(nèi)供應(yīng)鏈尚未完全成熟,導(dǎo)致初期量產(chǎn)成本居高不下,所以目前只是高端車型上應(yīng)用。

        集成度不足,各子系統(tǒng)(線控制動、轉(zhuǎn)向、懸架)的協(xié)同控制需高度集成化,但現(xiàn)有解決方案仍存在軟硬件解耦不徹底、跨域協(xié)同效率低等問題,影響整車開發(fā)速度

        法律法規(guī)的缺失,目前對線控底盤缺乏相應(yīng)的法律標(biāo)準(zhǔn),例如,國內(nèi)乘用車線控轉(zhuǎn)向法規(guī)仍在討論中,預(yù)計2026年才能初步明確,制約了技術(shù)規(guī)?;涞亍?/p>

        同時線控底盤技術(shù)是未來智能汽車和自動駕駛技術(shù)的核心之一。隨著汽車行業(yè)向智能化、電動化和自動化方向發(fā)展,線控底盤的發(fā)展方向如下。

        與自動駕駛等進行整合,線控底盤能夠為自動駕駛提供必要的精確控制和高響應(yīng)速度以及更好的舒適性和安全性,未來更加緊密地整合,以實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的自動化操控。

        更高的集成度,目前各子系統(tǒng)的集成度不夠,各模塊的協(xié)同控制比較困難,未來整個線控底盤將實現(xiàn)更高的集成度

        智能化與云端連接,線控底盤系統(tǒng)未來可能會與車載智能系統(tǒng)及云端平臺連接,實現(xiàn)信息的協(xié)同共享。

        未來隨著智能汽車技術(shù)的不斷革新和應(yīng)用,線控底盤技術(shù)將會得到更多發(fā)展,同時也將會與智能駕駛技術(shù)深度融合,進一步提升車的智能化水平和安全性能[5-6]。

        參考文獻:

        [1]劉建銘,劉建勇,張發(fā)忠.新能源汽車智能駕駛線控底盤技術(shù)應(yīng)用研究[J].時代汽車,2022(03):101-103.

        [2]何凌蘭,周蘇.新能源汽車智能駕駛線控底盤技術(shù)應(yīng)用[J].汽車測試報告,2023(03):53-55.

        [3]黃李麗.智能網(wǎng)聯(lián)背景下汽車底盤線控系統(tǒng)及控制技術(shù)應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件,2023(13):93-95.

        [4]林大杰.智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤線控系統(tǒng)與控制技術(shù)[J].時代汽車,2023(24):11-13.

        [5]鄭磊.智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤線控系統(tǒng)與控制技術(shù)研究[J].汽車測試報告,2023(22):40-42.

        [6]楊玉好,唐翠微.智能汽車線控底盤技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件,2024(15):82-84.

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