城市自動化電動車平臺

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1 開發(fā)背景

城市的交通負(fù)荷不斷增大，有害物排放和噪聲污染越來越嚴(yán)重，因而對私人使用和用于貨物運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ叨?，其降低廢氣排放的要求也越來越嚴(yán)格。目前已實(shí)施嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)，同時關(guān)于市區(qū)禁止車輛通行或征收市區(qū)過路費(fèi)的討論更加速了電動車保有量的增加。

此外，電驅(qū)動滿足有關(guān)功率等級、行駛里程和裝載時間等方面的要求并非是衡量未來城市車輛市場效益的唯一標(biāo)準(zhǔn)。同時還應(yīng)從平臺方案出發(fā)，為客戶提供更多的個性化選擇，以獲得盡可能高的成本效益，并投入實(shí)際量產(chǎn)。除此之外，城市運(yùn)輸車輛的動力性能和行駛功能應(yīng)更好地與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，降低廢氣排放并應(yīng)具有更高的機(jī)動性。隨著城市交通擁擠日益嚴(yán)重，而且由于停車場的緊缺，因此車輛駕駛的靈活性顯得格外重要。另外，關(guān)于面向大眾的使用模式，例如共享汽車、運(yùn)輸及車輛服務(wù)行業(yè)等，在設(shè)計車輛時應(yīng)加以全面考慮。

目前正大力開發(fā)識別環(huán)境的傳感器技術(shù)、人機(jī)交互(HMI)技術(shù)以及全新的乘客保護(hù)系統(tǒng)，它們能有效提升車輛的自動化水平，甚至可以實(shí)現(xiàn)自動駕駛。因?yàn)橹挥型ㄟ^此類技術(shù)才能成功地提高效率，并進(jìn)一步提高所有乘員的安全性。同時就舒適性而言，也可減輕對駕駛員的壓力。

2 對未來車輛平臺的思考

根據(jù)要求，ZF公司已設(shè)計出了智能行駛底盤(IRC)，它是一種可靈活應(yīng)用并滿足城市機(jī)動性要求的車輛平臺。ZF公司利用了企業(yè)集團(tuán)現(xiàn)有的、針對量產(chǎn)進(jìn)一步開發(fā)或改進(jìn)的技術(shù)和系統(tǒng)，同時整合了用于整車的技術(shù)方案，并以全新的方式加以展現(xiàn)。

IRC在車輛上具體應(yīng)用的首個例子就是創(chuàng)新的Rinspeed Oasis概念車，在經(jīng)歷僅6個月的總體匹配調(diào)整后，于2017年1月在國際消費(fèi)電子產(chǎn)品展覽會(CES)上公開展出[1]。該研究項(xiàng)目(圖1)顯示出了ZF公司設(shè)計的IRC平臺的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為廣泛應(yīng)用的實(shí)例。IRC將軸向集成的輪邊電驅(qū)動、操縱可調(diào)節(jié)式底盤、先進(jìn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與汽車地板以及電控設(shè)備相組合，并使所有功能相互協(xié)調(diào)。

圖1 IRC將軸或電動驅(qū)動器與可調(diào)節(jié)式底盤結(jié)合在一起

智能網(wǎng)絡(luò)化與機(jī)電一體化系統(tǒng)使得IRC更適合于未來市內(nèi)交通運(yùn)輸，前后橋之間完整的平面地板可以適應(yīng)各種車身型式。因此IRC是實(shí)現(xiàn)車輛高靈活性的基礎(chǔ)，從而能用于載客或貨物運(yùn)輸。

3 IRC技術(shù)細(xì)節(jié)

IRC之所以被稱作“智能”，與其以電子控制單元和軟件結(jié)構(gòu)作為指揮中心有關(guān)(圖2)。通過調(diào)節(jié)行駛策略，來改善整體縱橫向動力學(xué)性能，同樣包括對ZF公司自身系統(tǒng)的控制，例如對Rinspeed Oasis概念車上的行駛制動器、功率電子器件以及蓄電池管理系統(tǒng)的控制。

圖2 IRC采用了Rinspeed Oasis 概念車的軟件架構(gòu)與電控駕駛策略

除此之外，IRC電控單元還包含扭矩導(dǎo)向功能，根據(jù)相關(guān)的需求將扭矩分配到后驅(qū)動橋，并與其他系統(tǒng)形成網(wǎng)絡(luò)化連接，使車輛具備極高的機(jī)動性，特別是該電控單元也為先進(jìn)的輔助系統(tǒng)提供了所有的接口，因而IRC也為城市運(yùn)輸車輛的高度自動化或自動導(dǎo)向行駛提供了基礎(chǔ)。

IRC驅(qū)動由兩個分別位于后輪旁的永磁式同步電動機(jī)構(gòu)成，它們分別集成在組合拉桿軸上而形成電動扭轉(zhuǎn)橫梁(eTB)(圖3)。電機(jī)可以提供的最大功率為2×40 kW，最高轉(zhuǎn)速為21 000 r/min，每個電機(jī)都帶有1個兩級輸入變速器，并集成在1個鋁殼體中，總共能提供1 400 N·m的最大扭矩。在該動力條件下可使概念車的最高車速達(dá)到150 km/h ，0～100 km/h的加速時間為9 s。

圖3 兩個功率為40 kW的永磁同步電機(jī)被用于組合 拉桿軸上的組合或電動扭轉(zhuǎn)橫梁

為了開發(fā)出更多未來的潛在用途，整個平臺被設(shè)計成eTB模塊。相應(yīng)車型不僅能設(shè)計成混合動力結(jié)構(gòu)，而且也能設(shè)計成純電動結(jié)構(gòu)。

在減速工況下，IRC將電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)運(yùn)行并回收能量，或者流暢地過渡到組合式ZF制動器條件下運(yùn)行。它們與其他系統(tǒng)相互配合，例如電子行駛動力學(xué)調(diào)節(jié)(ESC)以及在小型車應(yīng)用場合中用于電動伺服轉(zhuǎn)向的全電動ZF轉(zhuǎn)向柱模塊，其各自的軟件同樣也位于IRC電控單元中。

為了最大限度地簡化城市車輛在使用中頻繁停車和調(diào)頭的操作過程，IRC在前部具有一個結(jié)構(gòu)獨(dú)特的雙橫向?qū)П蹎屋啈壹埽河声Z頸狀車輪支架聯(lián)接上下橫向?qū)П?，而轉(zhuǎn)動支承在上橫向?qū)П凵系溺牭稜罨匦懈軛U確定了其傳動比，通?？蓪⑶皹虻霓D(zhuǎn)向角提高50%，最大轉(zhuǎn)向角可達(dá)80°。

超大的轉(zhuǎn)向角要與IRC前橋匹配，需進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計，下橫向?qū)П鄣男螤钚枰O(shè)計成在極限轉(zhuǎn)向的情況下也不會觸碰其輪緣或車輪。此時整個轉(zhuǎn)向懸架處于橫向?qū)П叟c車輪的上方，因此轉(zhuǎn)向力也不會增大。這種新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計在Rinspeed Oasis概念車上得以體現(xiàn)，采用這種IRC能非常好地實(shí)現(xiàn)對各種輪距的調(diào)節(jié)。

連接車輛前部和尾部的IRC機(jī)架被設(shè)計成平坦的地板，即通常的乘客車廂地板，為實(shí)現(xiàn)多種多樣的車身方案或車廂結(jié)構(gòu)方案提供了基礎(chǔ)(圖4)?？蛇m用于包括雙座休閑車、輕型客車、輕型貨車和自動駕駛汽車。物流需求正在不斷增長，正如2016年ZF公司未來研究項(xiàng)目[2]所預(yù)測的那樣。

圖4 雙座休閑車、電動輕型客車、電動輕型貨車與自動駕駛汽車

4 可靠和明確的HMI通訊

除了使用新的可能性和創(chuàng)新的車身方案之外，在高度自動化行駛的工況下，還需要按擴(kuò)展用途定制HMI。目前HMI系統(tǒng)的一個應(yīng)用實(shí)例是由ZF公司在Rinspeed Oasis概念車上具體應(yīng)用的方向盤系統(tǒng)，這種系統(tǒng)無轉(zhuǎn)向擺臂，重要功能被直接集成在方向盤上，共有10個電容傳感器區(qū)域被分配在方向盤輪圈中(圖5)。

圖5 功能采成的方向盤系統(tǒng)，方向盤輪圈中 被分為10個電容傳感器區(qū)域

駕駛員通過輕擊或撫摸方向盤上的特定區(qū)域就能打開轉(zhuǎn)向燈、鳴響喇叭或操作娛樂系統(tǒng)和導(dǎo)航儀，此外可變指令和相應(yīng)的激活姿態(tài)還能反作用于傳感器區(qū)域。為了更舒適起見，只要車輛處于自動駕駛模式，Oasis方向盤可翻轉(zhuǎn)移位或暫停使用。集成的識別功能可判斷駕駛員的手是否握在方向盤上，并作為實(shí)現(xiàn)安全可靠自動駕駛功能的先決條件。

除了在概念車上已實(shí)施的功能之外，ZF公司已表示在概念駕駛員座艙中人-機(jī)之間的交流功能還能設(shè)計得更為簡化、精確和可靠。以靜電充電原理為基礎(chǔ)的新穎觸摸屏，通過虛擬觸摸鍵或開關(guān)就能進(jìn)行操作已作為ZF概念車中駕駛員座艙中的重點(diǎn)方案。與大多數(shù)顯示屏不同，駕駛員無需為了選擇某項(xiàng)功能而不得不轉(zhuǎn)移雙眼和注意力。同時，屏幕顯示行駛速度等參數(shù)，在盡可能高的可靠性前提下可以讓用戶適應(yīng)視覺感觀。

此外，ZF概念車駕駛員座艙具有基于攝像機(jī)的人臉識別功能，同樣能改善在自動駕駛模式中重要的監(jiān)控功能，例如能夠可靠并實(shí)時地查明駕駛員是否在專注駕駛或是否處于良好的駕駛狀態(tài)。

5 安全氣囊重新定位及其任務(wù)

如果在車輛自動駕駛期間要求方向盤能改變形狀或者能將其翻起來，甚至可完全置于儀表盤中，那么安全氣囊就必須另外布置到一個新的位置，以便能繼續(xù)發(fā)揮其功能，這也是保留被動安全性必不可少的要素。

ZF公司提供了一種創(chuàng)新的解決方案，采用車頂安全氣囊[3]，即集成在擋風(fēng)玻璃上方頂棚中的安全氣囊裝置。目前該裝置即將批量生產(chǎn)，用于雪鐵龍Cactus轎車并作為副駕駛安全氣囊，這種解決方案(圖6)為車廂內(nèi)部節(jié)省了不少空間。

ZF公司同樣開發(fā)了一種安全氣囊布置于駕駛員與副駕駛員之間，在發(fā)生側(cè)面碰撞情況下它能使駕駛員更好地穩(wěn)定在相對一側(cè)。如果駕駛員和副駕駛員座位都有人的話，能夠減輕隨之可能引起的碰撞。除此之外，對于像Rinspeed Oasis概念車那樣側(cè)面結(jié)構(gòu)較薄弱的小型城市車輛，可以通過應(yīng)用預(yù)碰撞系統(tǒng)來觸發(fā)乘員保護(hù)。這是主、被動安全系統(tǒng)逐漸網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)例，要比預(yù)警式或整體式安全系統(tǒng)更為人們所熟悉。

6 用于自主行駛的主動保險帶

在該領(lǐng)域中的進(jìn)步取決于“自動駕駛儀”在轎車上的實(shí)際應(yīng)用和可接受程度，隨著自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子計算機(jī)終究會承擔(dān)方向盤控制的功能，那么駕駛員就可以專注于駕駛之外的工作，例如安全帶是否始終繃緊以及車輛是否直行。

Rinspeed Oasis概念車上的ZF主動安全系統(tǒng)能在功能不受限制的情況下滿足該需求。在安全帶收緊方式上，主動安全帶鎖與一種新型的電動調(diào)節(jié)端套相組合能使安全帶從乘員身體上明顯凸起。這些措施有助于進(jìn)一步提高自動駕駛狀態(tài)時的舒適性，同時又能給予乘員更多的活動自由度。如果網(wǎng)絡(luò)化安全系統(tǒng)識別到潛在的危險狀況，安全帶會瞬間繃緊。該功能同時也能用作駕駛員的警告指示，使其立即注意到交通狀況并認(rèn)真操控車輛。因?yàn)轳{駛員必須實(shí)時遵守各項(xiàng)規(guī)則，即使在上車時，安全帶鎖和端套需與旋轉(zhuǎn)座椅一起布置，以便提高乘員的舒適性。

主動安全系統(tǒng)依然是自動駕駛功能的重要基礎(chǔ)，成為開發(fā)關(guān)注的焦點(diǎn)。傳感器、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及動力驅(qū)動裝置中的執(zhí)行器越來越成熟，工作能力也越來越強(qiáng)，并且通過智能網(wǎng)絡(luò)化相互連接，能更有效地將對人群的碰撞風(fēng)險降到最低程度。也許在將來能對交通狀況作出前瞻性的評估并自動快速地作出合適的應(yīng)對措施。