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雷洪钧-车辆自动驾驶与线控动力总成技术
来源:深圳市汽车电子产业专家委员会专家-雷洪钧    发布时间:2019/06/22   浏览:()次


  2019年6月5日工信部颁发5G商用牌,一定会将自动驾驶汽车技术的发展向前推进一大步。接下来,有关自动驾驶技术的讨论也会越来越多,呼声也会越来越高。但是目前参与研发热情比较高是IT公司、网络公司、搜索引擎公司,参与研发工程技术员比较多的是电子专业、软件专业的。自动驾驶技术的现状,还是处于后装市场的应用,而前装市场的自动驾驶技术应用不多。这是为什么?

  基本原因是,整车厂站在汽车技术集成的顶层,视野比较宽,目前整车厂领导还看不到自动驾驶汽车商业化的前景,其信心指数还比较低。笔者理解,自动驾驶技术的推广应,如果整车厂担当推广主角了,就可以基本研判出,自动驾驶技术应用开始了商用化时代。

  整车厂自己的任务是研发线控动力总成,如果线控动力总成的研发、开发,形成了一定气候,自动驾驶汽车普及时代就不会太远了。

  一、什么是线控动力总成

  总成是一个宽泛的单位概念,没有具体的定义。在汽车行业里面,通常将具有一定功能件,称之为总成件。所谓动力总成是指与动力有关的总成,指的是车辆上产生动力,并将动力传递到路面的一系列组件,比如发动机总成、制动总成、方向机总成等。一般仅指发动机,变速器,以及集成到变速器上面的其余零件,如离合器/前差速器等,广义上包括发动机,变速箱,驱动轴,差速器,离合器等等。

  线控是什么意思,如果理解为电控也是可以的,但是不专业。理由是,过去发动机(动力总成)的油门是由钢绳拉线直接连接油门踏板的,对油门开合度予以控制,称之为机械连接控制。技术发展了,油门踏板连接钢绳拉线与发动机的油门不再是直接的机械连接了,而是成为了油门控制系统的输入信号了,即线控信号。于是类似的动力控制系统,都称之为线控动力总成。

  汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作,经过传感器变成电信号,通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。

  二、线控动力总成的优点

  线控系统取消了传统的气动、液压及机械连接,取而代之的是传感器、ECU、电磁的执行机构。主要优点:

  (a)省力。人不用直接操作功能件,改善了汽车的安全性和舒适性。

  (b)便于实现个性化设计。驾驶特性如制动、转向、加速等过程,都由程序设定,可设计不同的功能,供用户选择。

  (c)安装测试简单快捷。取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置,简化了结构和生产工艺。

  (d)简化了维护工作。可能磨损的部件更少,无需制动液,更为环保,减少了维护工作量。

  (e)整个汽车就是一个完整的电路整体,汽车导航和自动驾驶成为可能。

  三、线控总成的基本原理

  可以这样理解,在原来钢绳拉线直接机械连接(或者用液压系统传递动作)的原理上,增加了电信号装置和执行机构传感器,如图1所示。
 


  线控总成基本由4个部分组成,人机接口,比如方向盘,油门踏板等,电信号发生器,传感器、功能装置比如发动机、制动器。


  四、与自动驾驶有关的线控总成

目前的线控技术包括线控转向系统、线控油门系统、线控制动系统、线控换档系统、线控悬架系统、线控增压系统等。主要的线控动力总成有:

  1.线控转向系统(SBW)

  1)线控转向系统(SBW)的组成


  线控转向系统由方向盘模块、转向执行模块和ECU3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。



 
  (1)方向盘模块组成

  (a)方向盘模块的组成。包括方向盘、方向盘转角、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。

  (b)方向盘模块的主要功能。将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号并传递给主控制器;同时接受ECU送来的力矩信号,产生方向盘回正力矩以提供给驾驶员相应的路感信号。

  (2)转向执行模块

  (a)转向执行模块组成。包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等。

  (b)转向执行模块的功能。接受ECU的命令,控制转向电机实现要求的前轮转角,完成驾驶员的转向意图。ECU对采集的信号进行分析处理,判别汽车的运动状态,向 方向盘回正力电机和转向电机发送命令,控制两个电机的工作。

  (3)自动防故障系统模块

  汽车的安全性是必须首先考虑的因素,是一切研究的基础,因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。

  自动防故障系统模块组成。它包括一系列监控和实施算法,针对不同的故障形式和等级作出相应处理,采用严密的故障检测和处理逻辑,以求最大限度地保持汽车的正常行驶。

  2)线控转向系统工作原理

  线控转向产品如图4所示。当转向盘转动时,工作原理如图5所示。

  (a)转向传感器和转向角传感器将测量到的驾驶员转矩和转向盘的转角转变成电信号输入到ECU;



 

  (b)ECU,依据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向,并根据转向力模拟,生成反馈转矩,控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度;

  (c)通过机械转向装置控制转向轮的转向位置,使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。



  2.线控油门系统(DBW)

  线控油门比传统油门控制方式复杂,为什么要采用线控油门呢?但比传统方式精确,发动机能够根据汽车的各种行驶信息,精确调节进入气缸的燃油空气混合气,改善发动机的燃烧状况,从而大大提高了汽车的动力性和经济性。

  1) 线控油门系统组成。主要由油门踏板、踏板位移传感器、电控单元ECU、数据总线、伺服电动机和油门执行机构组成。

  
2)线控油门系统工作原理

  传统的油门控制方式是驾驶员通过踩油门踏板,由油门拉索直接控制发动机油门的开合程度,从而决定加速或减速。这是通过拉索的机械联系。而线控油门系统将传统机械联系改为电子联系。



  (a)驾驶员通过踩油门踏板控制拉索,拉索并不是直接连接到油门,而是连着一个油门踏板位置传感器;

  (b)传感器将拉索的位置变化转化为电信号传送至ECU(电子控制器);

  (c)ECU将收集到的相关传感器信号,经过处理后发送命令至油门作动器控制模块;

  (d)油门作动器控制模块再发送信号给油门作动器,从而控制油门的开合程度。

  3.线控制动系统(BBW)

  传统车辆制动系统的气体或液体传输管路长,阀类元件多。对于长轴距或多轴车辆及远距离控制车辆,由于管线长及速度慢,易产生制动滞后现象,制动距离增加,安全性降低,而且制动系统的成本也较高。

  1)线控制动系统分为两类

  (a)电液制动系统(EHB,Electro2Hy2draulic Brake)。EHB是电子与液压系统相结合所形成的多用途、多形式的制动系统。它由电子系统提供柔性控制,液压系统提供动力;

  (b)电子机械制动系统(EMB,Electro2Mechanical B rake)。将传统制动系统中的液压油或空气等传力介质完全由电制动取代,是未来制动控制系统的发展方向。EHB由传感器、ECU及执行器(液压控制单元)等构成。通过蓄能器提供制动压力。蓄能器压力由柱塞泵产生,可提供多次连续的制动压力;

  2)电液制动系统工作原理

  制动踏板与制动器间无直接动力传递,如图所示制动时,制动力由ECU和执行器控制,踏板行程传感器将信号传给ECU,ECU汇集轮速传感器、转向传感器等各路信号,根据车辆行驶状态计算出每个车轮的最大制动力,并发出指令给执行器的蓄能器来执行各车轮的制动。



  3)电子机械制动系统工作原理

  EMB主要用于小型车辆中,主要包含电制动器、ECU、轮速传感器、动力电源等。它与EHB最大区别是制动力为电机提供的转矩,如图9所示



  而不是由柱塞泵产生的高压油,且有独立的电源来供电,其各部分的功能如表1。


  与其它传统制动控制系统相比,EMB具有如下优点:

  (a)系统结构简单,省去大量管路系统及部件;

  (b)制动响应时间短,提高了制动性能;

  (c)系统制造、装配、测试简单快捷,采用模块化结构,维护简单;

  (d)采用电线连接,系统耐久性能良好;

  (d)易于改进,略加变化即可增设各种电控制功能。

  五、制约线控技术关键技术

  1)如何制造出体积小、成本底、可靠性高而且测量精度高的传感器就成为线控系统的关键技术之一。传感器是组成线控系统的基本且重要单元,无论是 EHB、EMB,还是SBW等都是使用了许多传感器。而汽车电子控制系统的控制效果,却紧紧依赖于传感器的信息采集和反馈精度,因而传感器的科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。

  2)目前存在着多种汽车总线标准。未来要求分布式实时控制系统的完整的通信协议,能够支持多种容错策略, 具有节点恢 复和再整合功能。

  3)动力电源技术。在EHB系统中, 由于制动力矩由液压提供,14V 电压可以满足要求;而在EMB 系统中,制动力矩直接由电机提供,使得所需电源功率增大,提高电压是增大功率的好方法。传统的14V系统,不再能很好地满足要求;在SBW系统中,ECU、2个冗余转矩反馈电动机和2个冗余转向电动机, 其总功率大约在550~880W,所需电源能量相当大。如何提供足够的电能,保证系统的稳定运行成为解决问题的关键。

  4)容错控制技术

  容错控制技术容错控制设计方法有硬件冗余方法和解析冗余方法2种。

  (a)硬件冗余方法主要是通过对重要部件及易发生故障部件提供备份,以提高系统的容错性能;

  (b)解析冗余方法主要是通过设计控制器的软件来 提高整个系统的冗余度,从而改善系统的容错性能。

  六、总结

  目前混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车、纯电动汽车等新型汽车的深入研究,今天自动驾驶汽车又成为一个新的高潮。线控技术是一个基础技术,如果没有这个技术研究、发展和推广应用,自动驾驶车辆等道路环境传感器层面技术的应用是没有办法落地的。目前由于线控系统的可靠性、容错技术、生产成本、传感器精度、蓄电池电压和功率等因素的影响,线控系统目前还只能在小范围内应用,离自动驾驶车辆对动力控制的要求,尤其是动力总成级传感器产品,其技术含量比较低,我们必须面对这个现实,整个行业要认真思考,一步一步做好自己的工作。

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