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汽车控制的核心技术——线控技术解析

2019-01-24 23:53:06·  来源:佐思汽车研究
   
对于自动驾驶汽车的控制有很多疑问。比如转向,具体跟车辆的交互,是传入转向角度还是力度?刹车制动是由 IPC 告诉硬件多少力度呢,还是智能到具体的制动百分比就可以?要实现这些控制指令,首先与参考车辆的底盘组组件有很大的关系,要
对于自动驾驶汽车的控制有很多疑问。比如转向,具体跟车辆的交互,是传入转向角度还是力度?刹车制动是由 IPC 告诉硬件多少力度呢,还是智能到具体的制动百分比就可以?
 
要实现这些控制指令,首先与参考车辆的底盘组组件有很大的关系,要了解与车辆底盘的各个组件交互,就要先了解这些控制组件。
 
线 控 执 行
简单地说,线控执行主要包括线控制动、转向和油门。某些高级车上,悬架也是可以线控的。线控执行中制动是最难的部分。

1、线控油门
线控油门相当简单,且已经大量应用,也就是电子油门,凡具备定速巡航的车辆都配备有电子油门。电子油门通过用线束(导线)来代替拉索或者拉杆,在节气门那边装一只微型电动机,用电动机来驱动节气门开度。
电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU(电控单元)、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。
位移传感器安装在油门踏板内部,随时监测油门踏板的位置。当监测到油门踏板高度位置有变化,会瞬间将此信息送往 ECU,ECU 对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理,计算出一个控制信号,通过线路送到伺服电动机继电器,伺服电动机驱动节气门执行机构,数据总线则是负责系统 ECU 与其它 ECU 之间的通讯。
 
在自适应巡航中,则由 ESP(ESC)中的 ECU 来控制电机,进而控制进气门开合幅度,最终控制车速。

2、线控转向
日产旗下的英菲尼迪 Q50 是首批使用线控转向的量产车辆
 
线控转向也已经得到实际应用,这就是日产旗下的英菲尼迪 Q50。实际目前的电子助力转向(EPS)非常接近线控转向了。
EPS 与线控转向之间的主要差异就是线控转向取消了方向盘与车轮之间的机械连接,用传感器获得方向盘的转角数据,然后 ECU 将其折算为具体的驱动力数据,用电机推动转向机转动车轮。而 EPS 则根据驾驶员的转角来增加转向力。
线控转向的缺点是需要模拟一个方向盘的力回馈,因为方向盘没有和机械部分连接,驾驶者感觉不到路面传导来的阻力,会失去路感,不过在无人车上,就无需考虑这个了。在 Q50L 上线控转向还保留机械装置,保证即使电子系统全部失效,依然可以正常转向。

3、线控制动
线控制动是最关键的也是难度最高的。要了解线控制动,首先要了解汽车的刹车原理。轻型车通常采用液压制动。
传统制动系统主要由真空助力器、主缸、储液壶、轮缸、制动鼓或制动碟构成。当踩下刹车踏板时,储液壶中的刹车油进入主缸,然后进入轮缸。
轮缸两端的活塞推动制动蹄向外运动进而使得摩擦片与刹车鼓发生摩擦,从而产生制动力。
当驾驶者踩下制动踏板时,机构会通过液压把驾驶人脚上的力量传递给车轮。但实际上要想让车停下来必须要一个很大的力量,这要比人腿的力量大很多。所以制动系统必须能够放大腿部的力量,要做到这一点有两个办法:一是杠杆作用;二是利用帕斯卡定律,用液力放大。制动系统把力量传递给车轮,给车轮一个摩擦力,然后车轮也相应的给地面一个摩擦力。
 
 A B S
说完了这些,让我们来说说 ABS。
ESP 与 ABS 非常接近,与 ABS 最大的不同在于 ESP 可以在没有踩刹车踏板的情况下向轮缸输出制动压力,ABS 只能在踩下刹车踏板后从主缸向轮缸输出压力。压力生成器就是电机和柱塞泵, 与 ABS 比多了 4 个柱塞泵,4 个电磁阀,也就是 VLV 和 USV。
博世第九代ESP增加了两个特殊功能,一个是ACC,自适应巡航,ESP 可以部分控制电子节气门。另一个是AEB,ESP可以部分控制刹车系统。
 
有些认为 ESP 既可以控制油门又可以控制刹车,是个很好的线控系统,其实并不是这样。博世对国内厂家一般只开放ACC和ESP量产接口协议,刹车力度最大大约为0.5g,标准的刹车力度在0.8g以上,远不够用。
其次,在设计之初,ESP 控制刹车系统只是在少数紧急情况下使用,频繁使用,会导致柱塞泵发热严重,精密度下滑,导致 ESP 寿命急剧下滑,如果用 ESP 做常规刹车系统,可能 1 个月就报废了。最后即便是不计寿命问题,ESP 的泵油功率有限,且缺乏真空助力,反应速度较慢。
 
如何做到常规的线控制动,这得从真空助力器说起。
真空助力系统,是在制动的时,也同时控制进入助力器的真空,使膜片移动,并通过联运装置利用膜片上的推杆协助人力去踩动和推动制动踏板。需要注意推力来自压力差,而非真空。电动车和混合动力车不能依赖内燃机取得真空,需要用电子真空泵。
线控制动正是从真空助力器延伸开来,用一个电机来代替真空助力器推动主缸活塞。由于汽车底盘空间狭小,电机的体积必须很小,同时要有一套高效的减速装置,将电机的扭矩转换为强大的直线推力,这其中的关键因素就是电机主轴。
在电机技术不够先进的 1999 年前,人们只得放弃这种直接推动主缸的思路。转而使用高压蓄能器。这就是奔驰的 SBC、丰田的 EBC 系统、天合的 SCB,这套系统利用电机建立液压,然后将高压刹车油储存在高压蓄能器中,需要刹车时释放。这套系统结构复杂,液压管路众多,成本高昂,可靠性不高。
 
由于成本过高,从 2007 年起,EVP 电子真空泵开始在电动车或混动车上取代这种高压蓄能器设计,EVP 极为简单,就是将油车的真空助力换位电子真空泵获得真空,缺点非常明显,几乎没有任何能量回收,刹车时会发出刺耳的噪音,最重要,它必须人力首先踩下制动踏板,也就是说它并非线控制动,而是机械制动。
 
随着电机技术的发展,日立旗下的东机特工在 2009 年首次推出电液线控制动系统 E-ACT。说起来很简单,用直流无刷超高速电机配合滚珠丝杠直接推动主缸活塞达到电液线控制动,这套方案对滚珠丝杠的加工精度要求很高。传统的液压制动系统反应时间大约 400-600 毫秒,电液线控制动大约为 120-150 毫秒,安全性能大幅度提高。百公里时速刹车大约最少可缩短 9 米以上的距离。同时用在混动和电动车上,可以回收几乎 99% 的刹车摩擦能量。是目前公认最好的制动方式,为了保证系统的可靠性,这套制动系统一般都需要加入 ESP(ESC)做系统备份。
 
博世从中获得灵感,加上博世是电机大师,经过博世的努力,最终在 2013 年去掉了高压蓄能器,单用电机推动主缸,这就是 iBooster。
大陆和天合(ZF)则在此基础上将 ESC 也集成进来,大陆的 MK C1 早在 2011 年就已经推出,在 2017 年版的阿尔法罗密欧 Giulia 上使用。TRW 的则于 2012 年推出 IBC,通用的 K2XX 平台上将全线使用。顺便说下 TRW 的 IBC 技术并非自己原创,是收购自一家小公司,不过博世的 ABS 技术也不是自己原创的。
 
这些线控制动都不是纯粹的线控制动,仍然需要液压系统放大制动能量。液压系统结构复杂,专利门槛很高。为了突破大厂的封锁,也为了简化制动系统,纯粹的线控制动(EMB)近年来是个火热的研究领域。EMB 取消液压系统,直接用电机驱动机械活塞制动。
  • 优点一:安全优势极为突出,大幅度缩短刹车距离。EMB 的反应时间大约 90 毫秒,比 iBooster 的 120 毫秒更快速;
  • 优点二:没有液压系统,不会有液体泄露。对电动车来说尤其重要,液体泄露可能导致短路或元件失效,进而导致灾难。同时成本和维护费用也降低不少。
  • 缺点一:没有备份系统,对可靠性要求极高。特别是电源系统,要绝对保证稳定,其次是总线通信系统的容错能力,系统中每一个节点的串行通信都必须具备容错能力。同时系统需要至少两个 CPU 来保证可靠性。
  • 缺点二:刹车力不足。EMB 系统必须在轮毂中,轮毂的体积决定了电机大小,进而决定了电机功率不可能太大,而普通轿车需要 1-2KW 的刹车功率,这是目前小体积电机无法达到的高度,必须大幅度提高输入电压,即便如此也非常困难。
  • 缺点三:工作环境恶劣,特别是温度高。刹车片附近的温度高达数百度,而电机体积又决定只能使用永磁电机,而永磁在高温下会消磁。同时 EMB 有部分半导体元件需要工作在刹车片附近,没有半导体元件可以承受如此高的温度,而受体积限制,无法添加冷却系统。同时这是簧下元件,震动剧烈,永磁体无论是烧结还是粘结都很难承受强烈震动。对半导体元件也是个考验。需要一个高强度防护壳,然而轮毂内体积非常有限,恐怕难以做到。
  • 缺点四:需要针对底盘开发对应的系统,难以模块化设计,导致开发成本极高。
我们认为除非永磁材料有重大突破,居里温度点大幅度提高到 1000 摄氏度,否则 EMB 无法商业化。
人们对制动性能要求的不断提高,传统的液压或者空气制动系统在加人了大量的电子控制系统如 ABS、ESP 等后,结构和管路布置越发复杂,液压(空气)回路泄露的隐患也加大,同时装配和维修的难度也随之提高。
 
制动控制是自动驾驶执行系统的重要部分,目前 ADAS 与制动系统高度关联的功能模块包括 ESP(车身稳定系统)/AP(自动泊车)/ACC(自适应巡航)/AEB(自动紧急制动)等。
 
电子机械制动(EMB)
如果把 EHB 称为「湿」式 brake-by-wire 制动系统的话,那么EMB就是「干」式 brake-by-wire 制动系统。
EMB 全称 Electro Mechanical Brake,和 EHB 的最大区别就在于它不再需要制动液和液压部件,制动力矩完全是通过安装在 4 个轮胎上的由电机驱动的执行机构产生。因此相应的取消了制动主缸、液压管路等等,可以大大简化制动系统的结构、便于布置、装配和维修,更为显著的是随着制动液的取消,对于环境的污染大大降低了。
西门子 VDO 的 EMB 示意图
因此结构相对简单、功能集成可靠的电子机械制动系统越来越受到青睐,可以预见EMB将最终取代传统的液压(空气)制动器,成为未来车辆的发展方向。