適用于自動駕駛的底盤線控系統(tǒng)的改造

自動駕駛感知識別、決策規(guī)劃、控制執(zhí)行三個核心系統(tǒng)中，和傳統(tǒng)汽車零部件行業(yè)貼合最近的就是控制執(zhí)行端，說的再明確一些就是驅(qū)動控制、轉(zhuǎn)向控制、制動控制等。自動駕駛的路徑規(guī)劃等駕駛決策是由傳感器根據(jù)實際的道路交通情況進(jìn)行識別進(jìn)而得出，都會是電信號，這就需要傳統(tǒng)汽車的底盤進(jìn)行線控的改造而適用于自動駕駛。

線控底盤主要有五大系統(tǒng)，分別為線控轉(zhuǎn)向、線控制動、線控?fù)Q擋、線控油門、線控懸掛。而轉(zhuǎn)向和制動則是面向自動駕駛執(zhí)行端方向最核心的產(chǎn)品，其中又以制動技術(shù)難度更高。

圖1 面向自動駕駛線控底盤組成

圖2 線控底盤組成

一、線控油門

當(dāng)前線控油門或電子油門技術(shù)已經(jīng)成熟。針對傳統(tǒng)燃油車，線控油門現(xiàn)在基本是標(biāo)準(zhǔn)配置，混合動力和電動汽車中都是線控油門，基本不需要換擋，若有也會是線控。

電子油門控制系統(tǒng)經(jīng)過這么多年的發(fā)展，已經(jīng)不是最初的電機(jī)控制節(jié)氣門概念了，而逐漸發(fā)展成為根據(jù)油門踏板的位置，ECU來決定節(jié)氣門的開合大小以及噴油量、噴油時間間隔，早已經(jīng)完成的電子線控化。

圖3 傳統(tǒng)油門踏板與電子油門控制系統(tǒng)對比

電子油門主要由油門踏板、踏板位移傳感器、ECU（電控單元）、CAN總線、伺服電動機(jī)和節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。油門踏板有一些國內(nèi)的供應(yīng)商，但電噴執(zhí)行機(jī)構(gòu)、ECU(EngineControl Unit)等技術(shù)全部掌握在國際零部件巨頭中，產(chǎn)業(yè)格局穩(wěn)定，國內(nèi)企業(yè)的參與度不高。

主要供應(yīng)商：

?Bosch

?Continental

?DENSO

?Magneti Marelli

?Hitachi

?Delphi Technologies

?SKF

二、線控?fù)Q擋

線控?fù)Q擋當(dāng)前技術(shù)由傳統(tǒng)的機(jī)械手動檔位變化為手柄、撥桿、轉(zhuǎn)盤、按鈕等電子信號輸出的方式。線控?fù)Q擋對燃油車自動變速器的控制方式不會改變，技術(shù)難度小，行業(yè)格局比較穩(wěn)定，新進(jìn)企業(yè)有一定機(jī)會，但需要與客戶深度綁定，該技術(shù)對自動駕駛影響不大。

圖4 燃油車發(fā)動機(jī)與變速器控制系統(tǒng)

圖5 線控?fù)Q擋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式

線控?fù)Q擋Gear Shifter機(jī)構(gòu)主要供應(yīng)商

ZF (Germany)

GHSP(US)

Kongsberg Automotive (Norway)

Stoneridge (US)

Fuji Kiko (Japan)

Dura (US)

南京奧聯(lián)

重慶青山

寧波高發(fā)

圖6 線控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)的主要組成

線控?fù)Q擋技術(shù)發(fā)展已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，未來新能源汽車?yán)^續(xù)普及，將會是整車標(biāo)配，有很多的資源可以借助，不會成為技術(shù)發(fā)展瓶頸。

三、線控空氣懸架

當(dāng)前技術(shù)已經(jīng)比較成熟，受限于成本目前絕大多數(shù)應(yīng)用于高端車輛，與自動駕駛關(guān)系不大，行業(yè)格局穩(wěn)定。組成部件主要有：空氣彈簧、儲氣罐、高度傳感器、減震器、氣泵、電控單元。下面兩圖能夠看到傳統(tǒng)車輛的懸掛與空氣懸掛的對比，可以看到相對傳統(tǒng)懸架，空氣懸架增多了汽車電子的控制系統(tǒng)。

圖7 傳統(tǒng)汽車懸掛

圖8 空氣懸掛系統(tǒng)

圖9 非集成式空氣懸掛控制系統(tǒng)

圖10 集成式空氣懸掛控制系統(tǒng)

對于空氣懸掛控制系統(tǒng)，目前大陸已經(jīng)研發(fā)進(jìn)展到第二代，其集成度相對于第一代產(chǎn)品有了極大的提高，空間更小，該系統(tǒng)的技術(shù)壁壘比較大。

空氣懸架主要供應(yīng)商

? ZF (Germany)

? Continental

? Mando Corporation? Thyssenkrupp

? Tenneco

? Magneti Marelli

? Mobis

? Hitachi

? AMK(中鼎股份)

? BWI

線控空氣懸架技術(shù)成熟，行業(yè)格局穩(wěn)定，且主要是大的零部件供應(yīng)商巨頭在此領(lǐng)域，對自動駕駛的意義不明顯，屬于非關(guān)鍵部件。

四、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

SBW（steering by wire）的發(fā)展與EPS一脈相承，其所用到的關(guān)鍵部件在EPS中一樣有應(yīng)用，其系統(tǒng)相對于EPS需要有冗余功能。

目前SBW系統(tǒng)有兩種方式：

取消方向盤與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械連接，通過多個電機(jī)和控制器來增加系統(tǒng)的冗余度

在方向盤與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間增加一個電磁離合器作為失效備份，來增加系統(tǒng)的冗余度

圖11 傳統(tǒng)EPS系統(tǒng)組成

圖12 SBW系統(tǒng)的兩種方式

圖13 Bosch面向自動駕駛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)

圖14 博世SBW的電機(jī)冗余備份系統(tǒng)

上圖額外解釋一句是博世在EPS電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，使電機(jī)有兩個繞組，同時配備兩套電子功率器件控制系統(tǒng)，這樣在一個繞組出問題時另外一個繞組可以頂上，這樣電機(jī)還是可以工作，進(jìn)而達(dá)到的冗余系統(tǒng)的要求。

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)需要在EPS技術(shù)上發(fā)展，因此此項技術(shù)的參與者絕大多數(shù)都是傳統(tǒng)的Tier 1 EPS系統(tǒng)供應(yīng)商。EPS的核心部件：電機(jī)、電控、扭矩傳感器、角度傳感器基本都為各大主機(jī)廠內(nèi)部供應(yīng)，有很深厚的積累，新廠商切入此領(lǐng)域比較困難。

15 2016全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商市場份額

圖16 國內(nèi)2015年轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商市場份額圖

表1 有SBW產(chǎn)品的供應(yīng)商

線控轉(zhuǎn)向SBW，技術(shù)基本掌握在海外的零部件巨頭手中，且沒有完全成熟，技術(shù)多基于之前EPS，進(jìn)入壁壘非常高。

五、線控制動系統(tǒng)

BBW（Brake by Wire）線控制動系統(tǒng)也分為兩種類型：

?EHB: Electro Hydraulic Brake, EHB系統(tǒng)的控制單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置的比較集中，并且使用制動液作為動力傳遞媒介，有液壓備份系統(tǒng)，也可以稱之為：集中式、濕式制動系統(tǒng)，發(fā)展相對成熟；

?EMB: Electro Mechanical Brake采用電子機(jī)械裝置代替液壓管路，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常安在輪邊，也可稱為：分布式、干式制動系統(tǒng)。

BBW系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓式剎車系統(tǒng), ABS, ESC等產(chǎn)品的技術(shù)積累正相關(guān)，屬于核心的安全部件，進(jìn)入壁壘高于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

線控制動系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)上發(fā)展而來的，下兩圖可以看到線控制動系統(tǒng)和傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的對比。線控制動系統(tǒng)執(zhí)行信息由電信號傳遞，相對來講制動壓力相應(yīng)的更快，進(jìn)而剎車距離更短更安全，車輛操控性更好。

17 傳統(tǒng)制動系統(tǒng)與線控制動系統(tǒng)對比

圖18 傳統(tǒng)制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖

圖19 傳統(tǒng)制動系統(tǒng)與電液制動系統(tǒng)對比與響應(yīng)時間對比

線控制動系統(tǒng)的優(yōu)勢：

?導(dǎo)線取代冗長的液壓管路，制動響應(yīng)速度快（500~600ms ->100~150ms）

?質(zhì)量輕，體積小

?無制動液，便于維護(hù)

?便于擴(kuò)展其它電控功能，使用Flexray通訊協(xié)議

EHB根據(jù)技術(shù)方向還分為三類：

電動伺服：電機(jī)驅(qū)動主缸提供制動液壓力源，代表產(chǎn)品Bosch Ibooster, NSK

電液伺服：采用電機(jī)+泵提供制動壓力源，代表產(chǎn)品Continental MK C1, 日立

電機(jī)+高壓蓄能器電液伺服：ADVICS ECB

以上關(guān)鍵部件包括：電機(jī)、電磁閥、油泵、電液控制單元、蓄能器，這些部件集成在一起，形成了機(jī)電液集成程度非常高的EHB產(chǎn)品。

表2 EHB主要供應(yīng)商

EMB供應(yīng)商及其產(chǎn)品

EMB技術(shù)難點：

1、由于去除了備用的液壓制動系統(tǒng)，EMB需要高可靠性，還需要可靠性更高的總線協(xié)議

2、制動能量需求比較大1-2kw電機(jī)，12V系統(tǒng)比較難負(fù)載，42或48V高壓系統(tǒng)

3、制動器需要能夠耐高溫，質(zhì)量輕，成本低

4、需要更好的抗干擾能力，抵制車輛運行中遇到的各種干擾信號

EMB技術(shù)優(yōu)勢：

1、響應(yīng)時間更短：Brembo號稱90ms< Ibooster 120ms

2、體積更小：省去液壓管路的體積

3、沒有液壓系統(tǒng)，不會有液體泄漏

表3 EMB主要供應(yīng)商

圖23 Brembo EMB樣機(jī)

圖24 Siemens VDO EMB樣機(jī)

圖25 瑞典瀚德EMB樣機(jī)

線控制動，EHB國外廠商技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但嚴(yán)格意義講還不適應(yīng)于L4自動駕駛，國內(nèi)此項技術(shù)在努力追趕；EMB還處在研究階段，目前看較難有突破。

結(jié)語

自動駕駛現(xiàn)在轟轟烈烈的在發(fā)展，似乎全球車企都對此產(chǎn)生了焦慮癥，擔(dān)心自動駕駛的產(chǎn)業(yè)重構(gòu)會讓企業(yè)落后于時代。從執(zhí)行端來看，線控油門、線控?fù)Q擋、線控空氣懸掛雖然技術(shù)都很成熟了，但最為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)目前還沒有一套可以適用于L4駕駛的穩(wěn)定的量產(chǎn)產(chǎn)品。

這點上SBW系統(tǒng)好于BBW系統(tǒng)，SBW系統(tǒng)已經(jīng)看到了博世的樣車，雖然有召回Infiniti Q50上至少已經(jīng)批量裝車SBW系統(tǒng)，Nexteer也據(jù)說將在2019開始量產(chǎn)其quietwheel產(chǎn)品等。對于適用于L4的BBW系統(tǒng)，雖然博世宣稱Ibooster+ESC是可以滿足L4的標(biāo)準(zhǔn)，但其還是共用一套液壓管路，嚴(yán)格意義上將還不滿足冗余度的要求，而EMB的技術(shù)更是不知什么時候能夠?qū)嶋H裝車量產(chǎn)，對于執(zhí)行端實際技術(shù)還有很長的路要走。