“新四化”背景下線控?fù)Q擋器發(fā)展展望

欒偉，胡錫勝，黃銳景，陳志勇，王琪，黃迅，陳杰彬，李瀛

(廣汽零部件有限公司技術(shù)中心，廣東廣州 511447)

0 引言

在過去很長一段時(shí)間里，汽車換擋器一直唯機(jī)械擋桿獨(dú)尊。隨著整車電子電氣架構(gòu)的快速發(fā)展，線控技術(shù)(X-by-Wire)應(yīng)用越來越廣泛，特別是在線控底盤方面。線控底盤和駕駛息息相關(guān)的是線控?fù)Q擋、線控轉(zhuǎn)向、線控制動。自動駕駛中車輛行駛、轉(zhuǎn)彎和制動依靠的即是這3種線控技術(shù)。線控?fù)Q擋是實(shí)現(xiàn)智能駕駛的核心產(chǎn)品，其一方面省去傳統(tǒng)機(jī)械式結(jié)構(gòu)，換擋器體積小、布置靈活；另一方面可實(shí)現(xiàn)電控?fù)Q擋，為輔助駕駛和無人駕駛奠定基礎(chǔ)[1]；線控?fù)Q擋器能滿足常規(guī)動力AT、DCT和新能源車型的換擋需求。目前，市場上主要的線控?fù)Q擋器操縱機(jī)構(gòu)形式有4種：(1)懷擋式，代表車型是奔馳、特斯拉；(2)擋桿式，代表車型有奧迪A8L、寶馬5系、普銳斯；(3)按鍵式，代表車型有林肯MKZ、本田冠道；(4)旋鈕式，代表車型是路虎極光、捷豹。這些新型線控?fù)Q擋器的出現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)機(jī)械換擋器更安全、更智能、更易體現(xiàn)科技豪華感，線控?fù)Q擋技術(shù)未來將會是國內(nèi)外主流車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著無線通信、人工智能、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等新技術(shù)不斷應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，將不斷驅(qū)動汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化及共享化的研發(fā)與應(yīng)用，汽車從單一的出行工具逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樯钪械摹暗谌臻g”；線控?fù)Q擋器的發(fā)展將面臨諸多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1 線控?fù)Q擋器的應(yīng)用

停車難是目前一二線城市中普遍存在的問題，因此自主泊車功能有著廣泛的需求。目前，自動泊車技術(shù)已經(jīng)接近成熟，但自動泊車僅僅是汽車找到車位后輔助駕駛者或者自動泊入停車位的過程，自主泊車作為自動泊車的高級形式，則是從汽車到達(dá)停車場到尋找車位、泊入車位都不需要人為干預(yù)，其智能程度遠(yuǎn)超自動泊車。實(shí)現(xiàn)自主泊車的車輛必須具有線控?fù)Q擋的硬件基礎(chǔ)。隨著行業(yè)的發(fā)展，伴隨著科技的進(jìn)步以及基礎(chǔ)設(shè)施的改進(jìn)，未來，自主泊車系統(tǒng)必將成為一種潮流。同時(shí)，智能車庫也是未來發(fā)展趨勢之一，汽車停到車庫入口處，車庫會自主分配車輛位置，車輛自主泊車，這一切都將為線控?fù)Q擋提供充分的應(yīng)用市場空間。

智加科技使用林肯MKZ測試樣車如圖1所示，自動駕駛車輛中的算法最終控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。線控技術(shù)不依賴駕駛員的力或扭矩輸入，林肯MKZ混動版的剎車、油門和轉(zhuǎn)向控制都使用線控技術(shù)，最重要的換擋采用按鈕式線控?fù)Q擋器，這正是實(shí)現(xiàn)自動駕駛的關(guān)鍵一步，使得林肯MKZ深受各大自動駕駛初創(chuàng)公司的歡迎，成為各大自動駕駛初創(chuàng)公司的主流樣車。

圖1 智加科技使用林肯MKZ測試樣車

2 汽車電子電氣架構(gòu)進(jìn)化及域控制器普及帶來新變化

在傳統(tǒng)整車電子電氣架構(gòu)體系下，控制器的設(shè)計(jì)通常基于特定的功能，即模塊化和集成化設(shè)計(jì)思路。隨著車輛的電子化程度逐漸提高，汽車ECU數(shù)量迅速增加，高端車型里的 ECU 數(shù)量平均達(dá)到50～70個(gè)，個(gè)別車型甚至超過100個(gè)。這樣的架構(gòu)存在著非常大的局限性：線束長度和質(zhì)量劇增、傳輸信號帶寬的局限、數(shù)據(jù)資源無法共享以及大量運(yùn)算資源被浪費(fèi)。域控制器DCU(Domain Control Unit)因?yàn)橛袕?qiáng)大的硬件計(jì)算能力與豐富的軟件接口支持，讓更多核心功能模塊集中于域控制器內(nèi)，系統(tǒng)功能集成度極大提高。這樣外圍感知與執(zhí)行功能的硬件要求將降低，逐步變成只具備基本功能標(biāo)準(zhǔn)零件。

未來集中式汽車電子電氣架構(gòu)將分為3層，如圖2所示，頂層為云計(jì)算服務(wù)平臺，中層為車載計(jì)算控制平臺(即域控制器)，下層為機(jī)電一體化的標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行器和傳感器控制器。一般將汽車電子電氣系統(tǒng)分為5個(gè)功能域，分別是動力總成域、底盤域、車身域、信息娛樂域和輔助/自動駕駛域[2]，線控?fù)Q擋器歸屬底盤域。目前的線控?fù)Q擋器系統(tǒng)有兩種存在形式，一種的特點(diǎn)是集成式由2部分構(gòu)成：換擋操縱機(jī)構(gòu)GSM和換擋執(zhí)行器SCU，GSM采集駕駛員的換擋動作綜合邏輯判斷后直接驅(qū)動SCU進(jìn)行擋位切換。另一種的特點(diǎn)是模塊化由3部分構(gòu)成，換擋操縱機(jī)構(gòu)GSM、換擋執(zhí)行器控制器ACM和換擋執(zhí)行器SCU，GSM采集駕駛員的換擋動作綜合邏輯判斷后向CAN總線發(fā)送擋位請求，ACM從CAN總線收到換擋請求后驅(qū)動SCU進(jìn)行擋位切換。域控制器普及后，GSM僅保留換擋動作采集和發(fā)送擋位請求功能，底盤域控制器將集成原GSM的換擋邏輯處理軟件包，SCU將集成在變速箱中并由變速箱控制器TCU驅(qū)動，ACM隨之取消，線控?fù)Q擋器極大簡化。

圖2 未來汽車電子電氣架構(gòu)構(gòu)成

3 車載以太網(wǎng)、5G技術(shù)、高級別自動駕駛下的發(fā)展

高級別自動駕駛汽車需要域控制器、以太骨干網(wǎng)和5G技術(shù)的支持。新奧迪A8是第一款自稱L3級別自動駕駛的汽車，擁有多個(gè)第一，例如第一個(gè)使用激光雷達(dá)，第一個(gè)使用域控制器，第一個(gè)使用車載以太網(wǎng)做骨干網(wǎng)的運(yùn)算架構(gòu)。即便如此，奧迪A8仍然不能算嚴(yán)格意義上的L3級別自動駕駛。5G技術(shù)為車聯(lián)網(wǎng)帶來更大的通信帶寬和更低的延遲。使用以太網(wǎng)為車載網(wǎng)絡(luò)骨干，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個(gè)域級別的汽車網(wǎng)絡(luò)[3]。各個(gè)域控制器在實(shí)現(xiàn)專用的控制功能的同時(shí)，還提供強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)功能。這種基于域控制器的架構(gòu)將改變傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)中ECU到ECU點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式，如：(1)在底盤控制域內(nèi)部，各部件通過CAN、LIN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享(類似于傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu))；(2)在娛樂子網(wǎng)中，娛樂域控制器與其子部件的通信通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)；(3)當(dāng)一個(gè)域需要與其他域交換信息時(shí)則經(jīng)由網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)路由實(shí)現(xiàn)。未來高級別自動駕駛的汽車將把域控制器、以太骨干網(wǎng)和5G技術(shù)作為標(biāo)配。在車載以太網(wǎng)、5G技術(shù)和高級別自動駕駛的普及下，線控?fù)Q擋器依舊掛在底盤域控制器下，換擋操縱機(jī)構(gòu)GSM、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)SCU和底盤域控制器之間通信采用CAN總線。車載以太網(wǎng)域級別架構(gòu)如圖3所示。

圖3 車載以太網(wǎng)域級別架構(gòu)

4 智能座艙的線控?fù)Q擋器

隨著消費(fèi)者需求層次的不斷提升，其對汽車的需求亦從單一的出行工具逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樯钪械摹暗谌臻g”。

智能座艙發(fā)展大致有4個(gè)階段：(1)電子座艙階段。車載人機(jī)交互系統(tǒng)逐步整合，構(gòu)成“電子座艙”。(2)智能助理階段。觸屏、語音、手勢等多模交互技術(shù)應(yīng)用[4]，推動交互方式升級，生物識別技術(shù)應(yīng)用，催生駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)迭代，增強(qiáng)車輛感知能力。(3)人機(jī)共駕階段。語音控制和手勢控制技術(shù)取得突破，基于多模感知手段的融合，使感知更精準(zhǔn)和主動。(4)第三生活空間階段。與其他“空間”不同，車輛自帶可移動的屬性，可以通過網(wǎng)聯(lián)功能輕松實(shí)現(xiàn)線上與線下體驗(yàn)的無縫連接，基于車輛位置信息，融合信息、娛樂、餐飲、互聯(lián)等功能為消費(fèi)者提供加倍的便捷體驗(yàn)。

隨著觸摸、語音、手勢等多模交互技術(shù)的突破，GSM傳統(tǒng)的懷擋、擋桿、按鍵或旋鈕等機(jī)械操縱結(jié)構(gòu)將消失，其重點(diǎn)將是利用多模交互技術(shù)準(zhǔn)確采集換擋交互動作，GSM體積將進(jìn)一步縮減，可布置在任意方便使用的位置。中央處理器集成GSM的換擋動作識別軟件包、換擋邏輯處理軟件包和擋位請求發(fā)送功能，將ACM取消后，SCU集成在變速箱中并由TCU驅(qū)動。廣汽ENO.146概念車座艙如圖4所示。

圖4 廣汽ENO.146概念車座艙

5 結(jié)束語

在當(dāng)前嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)形勢和市場環(huán)境下，當(dāng)務(wù)之急是練好基本功，做好線控?fù)Q擋器的可靠性設(shè)計(jì)和成本管理。隨著汽車朝著智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化及共享化的不斷發(fā)展，需要及早做好布局和預(yù)研，保持對用戶潛在需求的關(guān)注，只有這樣，才能在未來汽車行業(yè)發(fā)生巨變時(shí)從容應(yīng)對。