汽車(chē)底盤(pán)控制技術(shù)的系統綜述與未來(lái)發(fā)展

1. 引言

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

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

2. 汽車(chē)線(xiàn)控轉向系統

2.1. 最新技術(shù)

如圖 1 所示，汽車(chē)轉向系統經(jīng)歷了幾個(gè)階段，包括機械轉向系統、液壓助力轉向 （HPS） 系統、電動(dòng)液壓助力轉向 （EHPS） 系統、電動(dòng)助力轉向 （EPS） 系統和線(xiàn)控轉向 （SBW） 系統 [7,8]。與 EPS 相比，線(xiàn)控轉向系統消除了方向盤(pán)和方向盤(pán)之間的機械連接 [9,10,11,12,13,14]。

圖 1.（左）汽車(chē)轉向系統的發(fā)展;（右）線(xiàn)控轉向的概念。全球主要汽車(chē)制造商和供應商都對線(xiàn)控轉向系統進(jìn)行了深入研究，TRW （TRW Automotive Holdings Corp）、Delphi 和 ZF 等國際知名供應商都制造了用于實(shí)驗研究的物理原型。梅賽德斯奔馳、寶馬、通用汽車(chē)等國際知名汽車(chē)制造商展出了一款采用線(xiàn)控轉向系統的概念車(chē)。1960 年代后期，德國的 Kasselmann 開(kāi)始開(kāi)發(fā)線(xiàn)控轉向系統。1990 年代，奔馳開(kāi)始研究前輪轉向，并將線(xiàn)控轉向系統應用于概念車(chē)“F400 Carving”。2000 年，寶馬在概念車(chē)“BMW Z22”上應用線(xiàn)控轉向，轉向角減小到 160 度。2013 年，Infinity Q50 應用了線(xiàn)控轉向技術(shù)，其中利用兩個(gè)電機和三個(gè)相互監控的 ECU 來(lái)實(shí)現轉向。2017 年，美國施耐德開(kāi)發(fā)了由“靜音方向盤(pán)系統”和“按需轉向系統”組成的線(xiàn)控轉向系統。目前，我國線(xiàn)控舵系統的研究正逐漸從理論走向實(shí)踐，并取得了一定的進(jìn)展 [15]。線(xiàn)控轉向系統分為三部分：方向盤(pán)模塊、轉向執行模塊和中央控制單元（ECU）[16]。所述方向盤(pán)模塊包括方向盤(pán)扭矩、角度傳感器、路感電機及其減速器[17]等部件;轉向執行模塊包括線(xiàn)性位移傳感器、角度傳感器、轉向電機及其減速機構等部件;此外，線(xiàn)控轉向系統還包括轉向控制器和電源等組件[18]。所述方向盤(pán)模塊（即方向盤(pán)）用于接收駕駛員的轉向控制;方向盤(pán)扭矩傳感器和角度傳感器用于收集駕駛員通過(guò)方向盤(pán)輸入的扭矩、角度和速度;路感電機及其減速器為駕駛員提供路感信息，并輸出方向盤(pán)的返回扭矩。轉向執行模塊包括各種傳感器，線(xiàn)性位移傳感器用于采集轉向執行器的線(xiàn)性位移信號，并將其轉換為前輪角度信號;所述角度傳感器用于采集方向盤(pán)的角度信息;轉向電機及其減速機構用于克服轉向阻力，驅動(dòng)轉向系統通過(guò)相應的角度旋轉;齒輪齒條轉向器用于接收和放大轉向執行器電機的輸出扭矩，驅動(dòng)方向盤(pán)轉動(dòng)。轉向控制器由多個(gè)控制器組成。方向盤(pán)模塊控制器從方向盤(pán)模塊采集相關(guān)信號，接收目標返回扭矩信號，并向道路感應電機發(fā)送控制信號;轉向執行模塊控制器負責從轉向執行模塊收集相關(guān)信號，接收目標方向盤(pán)角度信號，并向轉向電機發(fā)送控制信號 [19]。線(xiàn)控轉向系統與車(chē)輛中的其他電氣設備共享電池電源。目前，車(chē)輛的主流電源是 12V，而 48V 將是未來(lái)的發(fā)展趨勢。根據轉向電機的數量、布置位置和控制方式，線(xiàn)控轉向系統的典型布局可分為五大類(lèi)，即單電機-前輪轉向、雙電機-前輪轉向、雙電機獨立前輪轉向、后輪線(xiàn)控轉向、四輪獨立轉向。雙電機前輪轉向裝置具有良好的冗余性，單電機所需的功率更少。英菲尼迪 Q50 采用了這種安排，但這種形式的零件成本增加，冗余算法復雜。線(xiàn)控轉向的工作示意圖如圖 2 所示。當駕駛員轉動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，角度位移傳感器將駕駛員的意圖以及車(chē)輛的其他信號（例如速度信號）轉換為數字信號。ECU 通過(guò)總線(xiàn)傳輸到 ECU，根據設定的算法計算前輪角度，并將此信號傳輸到轉向電機以完成轉向。此外，ECU 通過(guò)轉向阻力傳感器獲取轉向阻力信息后，根據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(xiàn)控轉向示意圖。

2.2. 關(guān)鍵技術(shù)

• (1)容錯

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

• (2)路感反饋

由于 SBW 系統無(wú)法為駕駛員提供固有的轉向感覺(jué)，因此存在駕駛員誤作導致交通事故的風(fēng)險。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(pán)上的手感獲取有關(guān)道路和方向盤(pán)的反饋信息，駕駛員可以幫助完成轉彎和變道等駕駛任務(wù)。駕駛員在轉動(dòng)方向盤(pán)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。要使駕駛員體驗到逼真的路感，本質(zhì)是利用適當的策略，通過(guò)上層路感電機控制來(lái)自下層電機和傳感器的數據和信息，模擬并傳遞到方向盤(pán)上，為駕駛員提供來(lái)自路面的反饋扭矩和方向盤(pán)重新對位扭矩。獲取路感反饋扭矩的方法包括參數擬合、傳感器測量和基于動(dòng)力學(xué)模型的方法，其中第三種是當前研究的主流[29,30]?；爻膛ぞ乜刂萍夹g(shù)是 SBW 系統質(zhì)量的評價(jià)標準，也是主動(dòng)轉向研究的基礎。本研究的核心問(wèn)題是如何提高回程扭矩以達到與動(dòng)力轉向系統相同的效果?；趧?dòng)力學(xué)模型方法，根據車(chē)輛動(dòng)力學(xué)響應、駕駛員方向盤(pán)、輸入等狀態(tài)，利用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型估計輪胎回程扭矩和需要補償的反饋扭矩，進(jìn)而計算期望的反饋扭矩指令 [31]。線(xiàn)控轉向系統具有提高控穩定性、提高舒適性、節能環(huán)保、提高被動(dòng)安全性、促進(jìn)車(chē)輛輕量化等優(yōu)點(diǎn)。然而，線(xiàn)控轉向系統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(chē)線(xiàn)控制動(dòng)系統

3.1. 最新技術(shù)

目前，國內外線(xiàn)控制動(dòng)系統的主要研究有電子液壓制動(dòng)（EHB）系統、電子機械制動(dòng)（EMB）系統和混合動(dòng)力線(xiàn)控制動(dòng)（HBBW）系統，其中EHB系統最為成熟，目前處于量產(chǎn)階段[32,33,34,35]。以前，線(xiàn)控制動(dòng)系統主要分為三種類(lèi)型：第一種是電子液壓制動(dòng)（EHB）系統，第二種是電子機械制動(dòng)（EMB）系統，第三種是混合動(dòng)力線(xiàn)控制動(dòng)（HBBW）系統[36,37]。EHB系統是在傳統液壓制動(dòng)系統的基礎上發(fā)展起來(lái)的，采用綜合制動(dòng)系統模塊（電機、泵、高壓蓄能器等）取代傳統制動(dòng)系統中的調壓系統和可產(chǎn)生和存儲制動(dòng)壓力的ABS模塊，并可通過(guò)單獨調節分別調節四個(gè)輪胎的制動(dòng)扭矩[38].EMB 系統完全消除了傳統制動(dòng)系統的制動(dòng)液和液壓管路等部件，由電動(dòng)機驅動(dòng)。制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力，這是真正的線(xiàn)控制動(dòng)系統。EMB 系統中沒(méi)有液壓驅動(dòng)和控制部分，機械連接僅存在于電機和制動(dòng)鉗之間。驅動(dòng)部分通過(guò)電線(xiàn)傳輸能量，通過(guò)數據線(xiàn)傳輸信號[39u201240]?；旌蟿?dòng)力線(xiàn)控制動(dòng) （HBBW） 系統的主流布局是在前橋上使用電子液壓制動(dòng) （EHB） 系統，在后橋上使用電子機械制動(dòng) （EMB） 系統;前橋采用EHB系統，實(shí)現前輪的單輪制動(dòng)力調節，同時(shí)依靠安裝在前橋上的EHB實(shí)施制動(dòng)故障備份，滿(mǎn)足安全可靠要求;后橋采用EMB系統，可縮短制動(dòng)管路長(cháng)度，消除壓力控制時(shí)管路過(guò)長(cháng)帶來(lái)的不確定性;另一方面，它可以使電子駐車(chē)制動(dòng)器 （EPB） 更加方便快捷 [41]。汽車(chē)電子液壓制動(dòng)系統（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)生和儲存制動(dòng)壓力，以及分別調節四個(gè)輪胎的制動(dòng)扭矩[43]。汽車(chē)電子機械制動(dòng)系統 （EMB） 主要由車(chē)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 系統以電子元件代替液壓元件，是一個(gè)機電一體化系統。系統通過(guò)電子控制單元控制制動(dòng)電機的電流水平，并通過(guò)制動(dòng)夾具從兩側夾緊摩擦盤(pán)，實(shí)現車(chē)輪制動(dòng)。限制 EMB 系統大規模生產(chǎn)和應用的關(guān)鍵技術(shù)包括冗余設計和容錯控制、夾緊力控制技術(shù)、無(wú)刷電機在復雜環(huán)境下的可靠性以及創(chuàng )新和小型化的齒輪機構?；?EMB 系統的車(chē)輛動(dòng)態(tài)控制系統，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(chē)輛協(xié)調控制算法。圖 3 顯示了 EHB、EMB 和 HBBW 的系統架構。

圖 3.EHB、EMB 和 HBBW 系統。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(xiàn)控系統實(shí)現了動(dòng)力缸壓力控制。米蘭理工大學(xué)的 Todeschini 等人為自主設計的線(xiàn)控制動(dòng)系統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，他們快速控制電機完全旋轉以克服制動(dòng)系統的怠速行程，而在壓力控制模式下，他們使用了可變參數 PID。閉環(huán)控制精確調節動(dòng)力缸的壓力，有效提高了該配置的主動(dòng)制動(dòng)系統的壓力調節率[44,45]。

3.2. 關(guān)鍵技術(shù)

• (1)制動(dòng)力的最優(yōu)分配策略

• 
  

制動(dòng)力分配的目的是根據車(chē)輛負載、實(shí)際路況和駕駛員踩下制動(dòng)踏板瞬間的運行條件來(lái)計算四輪制動(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(chē)輛的安全穩定 [46u201247]。傳統液壓制動(dòng)系統中踏板位移、踏板力、制動(dòng)力之間的關(guān)系，可以從EMB系統中的踏板力與制動(dòng)減速度的關(guān)系中推斷出來(lái)，并可以建立關(guān)系曲線(xiàn)。由于輪胎和路面粘附系數等因素，車(chē)輪的最大地面制動(dòng)力不應超過(guò)粘附力[48]。當局部制動(dòng)力超過(guò)粘附力時(shí)，車(chē)輪可能會(huì )出現抱死和打滑，可能會(huì )出現前輪抱死或后輪抱死等現象。當汽車(chē)剎車(chē)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有關(guān);在理想狀態(tài)下，汽車(chē)剎車(chē)時(shí)前后制動(dòng)器的制動(dòng)力呈線(xiàn)性關(guān)系，但在實(shí)際情況下可能會(huì )有一些偏差。

• (2)系統安全和容錯能力

• 
  

EMB 系統的應用一直受到安全性和可靠性的極大影響，因為任何電子信號的故障都可能帶來(lái)災難性的后果。因此，系統安全和容錯技術(shù)尤為重要，包括軟件冗余和硬件冗余 [49u201250]?？紤]到 EMB 系統的實(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計可以有效提高系統的可靠性[51]。EMB 系統制動(dòng)踏板模塊采用雙冗余結構，兩臺相同的機器同時(shí)工作。對工作結果進(jìn)行對比，根據預定的自診斷策略和故障判斷策略輸出。4. 汽車(chē)線(xiàn)控驅動(dòng)系統

4.1. 最新技術(shù)

對于內燃機汽車(chē)，線(xiàn)控節氣門(mén)系統已經(jīng)取代了傳統的節氣門(mén)系統，市場(chǎng)上 99% 以上的車(chē)型都配備了燃油控制門(mén)系統。對于新能源汽車(chē)，目前主流的驅動(dòng)方案包括集中式電機驅動(dòng)和步進(jìn)式電機驅動(dòng)，集中式電機驅動(dòng)方案已獲得大量應用，但正在向以輪緣和輪轂電機為代表的分布式電機驅動(dòng)發(fā)展 [52,53,54,55]。線(xiàn)控節氣門(mén)系統由節氣門(mén)踏板、踏板位移傳感器、電子控制單元、數據總線(xiàn)、伺服電機和節氣門(mén)執行器組成。線(xiàn)控驅動(dòng)系統由電子控制單元（ECU）、功率轉換器、驅動(dòng)電機、機械傳動(dòng)系統、驅動(dòng)輪等組成[56]。新能源汽車(chē)線(xiàn)控驅動(dòng)系統結構主要分為集中驅動(dòng)、中央傳動(dòng)和分布式驅動(dòng)三種。目前，電驅動(dòng)橋技術(shù)、輪緣減速驅動(dòng)和輪轂電機直接驅動(dòng)技術(shù)是主流結構[57,58,59]。線(xiàn)控節氣門(mén)由電纜或線(xiàn)束控制，以控制節氣門(mén)開(kāi)度。從表面上看，它用一根電纜取代了傳統的節氣門(mén)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)現對整車(chē)動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制[60,61,62]。純電動(dòng)汽車(chē)的駕駛控制是通過(guò)嵌入車(chē)輛控制器中的控制策略程序實(shí)現的。根據每個(gè)傳感器的輸入信號，確定車(chē)輛的運行條件，并確定驅動(dòng)電機在每種運行條件下的目標扭矩 [63]。然后，通過(guò) CAN 總線(xiàn)將目標值發(fā)送給電機控制器 （MCU），電機控制器根據接收到的命令控制電機，以保證車(chē)輛的正常行駛 [64]。

4.2. 關(guān)鍵技術(shù)

• (1)永磁同步電機的效率提升

為了提高 NVH 性能，電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)電機一般選擇多極、高轉速的設計;由于較高的轉速導致較高的鐵損，普通硅鋼片在高頻區的損耗控制相對較弱。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)化電機在低速、高扭矩時(shí)的銅損。一種方法是使用發(fā)卡電機。發(fā)卡電機的學(xué)名是發(fā)夾電機，是一種扁線(xiàn)電機，其繞組端部類(lèi)似于發(fā)卡電機。發(fā)卡電機銅耗低，效率高。目前，豐田和典莊已經(jīng)采用了發(fā)卡電機方案 [67]。

• (2)輪轂電機技術(shù)

輪轂電機驅動(dòng)系統可靈活放置在各種電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)輪上，直接驅動(dòng)輪轂旋轉。與內燃機和單電機等傳統集中式驅動(dòng)方式相比，其在動(dòng)力配置、傳動(dòng)結構、控性能、能源利用等方面的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)極為明顯 [68]。輪轂電機主要分為外轉子電機和內轉子電機兩種，區別主要體現在有無(wú)減速結構。內轉子輪轂電機和輪緣電機在傳動(dòng)結構上收斂，主要區別在于內轉子電機與輪轂集成，而輪緣電機位于輪緣上 [69]。輪轂電機驅動(dòng)裝置的示意圖如圖 4 所示?？傮w來(lái)看，輪轂電機的應用具有集成度高、驅動(dòng)靈活、符合智能汽車(chē)發(fā)展和平臺泛化應用等優(yōu)點(diǎn) [70]。

圖 4.輪轂電機驅動(dòng)示意圖。材料和工藝創(chuàng )新可能會(huì )突破輪轂電機中電磁負載對電機體積的限制。進(jìn)一步研發(fā)高磁導率、低損耗磁性材料、低電阻率導電材料、高導熱絕緣材料以及低密度、高強度結構材料，可以減少電機損耗和質(zhì)量，改善電機內部的熱傳遞，并提高輪轂電機中的功率/扭矩密度。電機加工的創(chuàng )新將通過(guò)不同的工藝結構，在基于現有材料的電機中實(shí)現低損耗、輕量化和高冷卻效率的設計。未來(lái)，電機設計將不再是簡(jiǎn)單的電磁或結構設計，而是真正的多學(xué)科設計，不斷突破電機性能的極限。

• (3)

• 電機控制器

碳化硅 （SiC） 由于其強大的帶隙、導熱性和絕緣能力，非常適合作為功率半導體的材料。與硅 （Si） 基器件相比，它更容易實(shí)現低損耗、高開(kāi)關(guān)頻率和高結溫，并且溫度升高對開(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(zhù)材料價(jià)格的下降和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，SiC器件將在高效運行、節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(xiàn)控系統汽車(chē)懸架

5.1. 最新技術(shù)

在車(chē)輛駕駛和騎行過(guò)程中，控性和舒適性是兩個(gè)重要的評價(jià)指標，很難平衡。線(xiàn)懸架控制是根據實(shí)際路況自動(dòng)調節懸架的高度、剛度和阻尼，以實(shí)現對駕駛姿態(tài)的精確控制的過(guò)程 [76]。根據執行器，從技術(shù)成熟度和設備率來(lái)看，空氣彈簧和 CDC 型線(xiàn)控減震器是最常見(jiàn)的。MRC減震器減震效果好，響應速度快[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，配備線(xiàn)控防傾桿的必要性相對較低。圖 5 說(shuō)明了空氣懸架系統的基本結構。

圖 5.空氣懸架的基本結構。根據額外外力干預的程度，汽車(chē)懸架系統可分為以下幾類(lèi)：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，并且具有可靠的故障狀態(tài)適應性，是當前市場(chǎng)的主流 [79]。隨著(zhù)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(xiàn)控懸架系統通常有兩套并聯(lián)的信息采集和控制系統，解決不同路況下不同系統的控制耦合是其控制難點(diǎn);目前主流的控制方案是線(xiàn)控彈簧一般在穩態(tài)下調整，線(xiàn)控減振一般是實(shí)時(shí)調整的。線(xiàn)控懸架控制系統是一個(gè)閉環(huán)自適應控制系統，沒(méi)有最佳解決方案。在標定過(guò)程中，需要根據仿真模型和實(shí)際車(chē)輛測試結果對核心參數進(jìn)行持續標定。PID（proportional， integral， differential）控制是控制領(lǐng)域中應用最廣泛、最成熟的控制方法，廣泛應用于車(chē)輛的主動(dòng)和半主動(dòng)懸架[81]。通過(guò)仿真測試和實(shí)車(chē)測試，可以實(shí)現比例（單次調整幅度）、積分（消除靜態(tài)誤差）和微分（反映輸入信號變化趨勢）參數的調整。

5.2. 容錯的關(guān)鍵技術(shù)

當線(xiàn)控懸架系統發(fā)生故障時(shí)，PID 懸架前期設定的 Kp、Ki、Kd 參數為固定值，無(wú)法快速適應變化。因此，需要一種容錯機制來(lái)對控制信號執行增益和補償處理。被動(dòng)容錯控制主要針對預先已知的故障類(lèi)型設計固定和不變的容錯控制律，使系統對預設故障（如傳感器故障）不敏感[82]。這種方法不需要對故障進(jìn)行預診斷或實(shí)時(shí)調整控制規律，實(shí)施時(shí)間和成本相對較低。主動(dòng)容錯系統的理論基礎是 FDD（故障自檢反饋系統）。當系統發(fā)生故障時(shí)，診斷單元對其進(jìn)行檢測和診斷，并控制反饋/前饋控制器以獲得適當的容錯控制律，確保閉環(huán)系統的穩定性。在主動(dòng)容錯控制系統的實(shí)現過(guò)程中，首先建立系統模型，并在此基礎上建立系統故障模型：根據系統特性設計FDD系統，然后根據補償規則設計容錯控制律。線(xiàn)控懸架除了常規的底盤(pán)支撐和減震外，由于其良好的負載適應性和較低的固有頻率，已擴展到商用車(chē)的駕駛室和座椅，大大提高了長(cháng)途駕駛舒適性和抗疲勞能力。線(xiàn)控懸架可以滿(mǎn)足不同工況下行駛平穩性和車(chē)輛控性的要求。但由于其結構復雜，對整車(chē)的故障率、安全風(fēng)險和能耗有一定的負面影響。6. 討論線(xiàn)控底盤(pán)技術(shù)是一種先進(jìn)的汽車(chē)技術(shù)，依靠電子控制系統來(lái)調節車(chē)輛的底盤(pán)，有可能提高車(chē)輛的控性能、舒適性和安全性。通過(guò)線(xiàn)控系統對底盤(pán)的介紹，可以全面回顧線(xiàn)控轉向、制動(dòng)、驅動(dòng)和懸架系統的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現狀，闡明各系統的現狀和需要改進(jìn)的領(lǐng)域。為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)底盤(pán)線(xiàn)控轉向系統，可以在以下領(lǐng)域取得進(jìn)展：線(xiàn)控轉向技術(shù)的安全性和可靠性長(cháng)期以來(lái)一直是其實(shí)施的根本障礙，這可以通過(guò)硬件冗余和容錯算法來(lái)改進(jìn)。未來(lái)的線(xiàn)控轉向系統有望成為集成硬件冗余和容錯算法的高度智能平臺。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和車(chē)輛控制系統的不斷升級，線(xiàn)控轉向技術(shù)將逐漸成為汽車(chē)行業(yè)的主流趨勢。人工智能、車(chē)聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)的應用將進(jìn)一步提高線(xiàn)控轉向系統的智能性。生產(chǎn)線(xiàn)控制的動(dòng)態(tài)系統可分為 EHB 和 EMB。預計 EHB 將在未來(lái)相當長(cháng)的一段時(shí)間內成為主流方案，而 EMB 可能會(huì )因冗余和備份挑戰等問(wèn)題在短期內遇到商業(yè)化困難。另一個(gè)突出的特點(diǎn)是輪轂電機系統，它具有簡(jiǎn)化車(chē)輛架構、增加可用空間和提高傳動(dòng)效率的明顯優(yōu)勢，同時(shí)將轉向、制動(dòng)和驅動(dòng)功能集成到一個(gè)系統中。此外，在懸架方面，它可以靈活地調整懸架系統的車(chē)身高度和剛度，以提高車(chē)輛的通過(guò)性或控性能。7. 結論汽車(chē)底盤(pán)控制技術(shù)是指負責控制和管理車(chē)輛底盤(pán)的運動(dòng)、穩定性和性能的各種系統和組件。這些技術(shù)在確保車(chē)輛的安全性、舒適性和整體駕駛體驗方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。

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

• 
  

• (2)線(xiàn)控制動(dòng)：目前市場(chǎng)上推出控制技術(shù)的主流路線(xiàn)是電子液壓制動(dòng) （EHB） 系統，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，電子機械制動(dòng) （EMB） 系統仍處于研發(fā)階段。

• 
  

• (3)線(xiàn)控駕駛：對于傳統的內燃機汽車(chē)，線(xiàn)控驅動(dòng)技術(shù)（throttle-by-wire）目前廣泛應用于乘用車(chē)和商用車(chē)，市場(chǎng)份額超過(guò) 99%;在新能源汽車(chē)方面，線(xiàn)控驅動(dòng)技術(shù)已得到全面應用，目前處于電機集中驅動(dòng)階段。隨著(zhù)電動(dòng)化水平的提高，未來(lái)將向以輪緣電機和輪轂電機為代表的分布式驅動(dòng)發(fā)展。

線(xiàn)控懸架：雖然線(xiàn)控懸架可以自動(dòng)調節線(xiàn)控彈簧的剛度、車(chē)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 級和 D 級車(chē)輛上。因此，對于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，線(xiàn)控減震器的裝配優(yōu)先級最高，其次是線(xiàn)控彈簧，最后是線(xiàn)控防傾桿。就發(fā)展潛力而言，拉繩控制空氣彈簧和 CDC/MRC 型生產(chǎn)線(xiàn)是可能的?？煽販p震器的未來(lái)發(fā)展前景比較好。