基于專利分析的純電動汽車線控轉向技術研究

葉曉雪 王亮亮 王軍雷 王靜 張海楠

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

隨著電動化、智能化、輕量化以及各類前沿技術的進步，新能源汽車進入了新時代，徹底顛覆了傳統(tǒng)車輛的底盤架構，這些顛覆性的底盤技術不僅體現(xiàn)在底盤結構布局的變化上，還涉及到材料的創(chuàng)新型應用、軟件控制的轉變等。底盤系統(tǒng)包含了懸架、制動、轉向等子系統(tǒng)，影響著整車的舒適性、安全性與操控性。

汽車轉向系統(tǒng)能夠維持車輛在轉向盤轉動時的穩(wěn)定性，隨著電子技術的發(fā)展，線控轉向（Steering-By-Wire，SBW）控制技術成為汽車轉向系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。線控轉向系統(tǒng)取消了轉向盤與轉向執(zhí)行機構之間的機械連接部分[1]，由電能來實現(xiàn)轉向，通過電信號傳遞駕駛員的轉向意圖，并及時做出路面信息反饋。線控轉向具有安全性能高、駕駛穩(wěn)定性高、駕駛空間大、轉向比可變性強及系統(tǒng)適配性好等優(yōu)勢[2]。該技術極大推進了汽車的集成化、輕量化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化，是車輛智能化、無人駕駛系統(tǒng)等新型熱門領域發(fā)展的關鍵技術，獲得了行業(yè)的廣泛關注。目前海外廠商在線控轉向技術上具有先發(fā)優(yōu)勢，國內(nèi)企業(yè)對于該技術也有大規(guī)模研發(fā)投入，總體上，該技術距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

本文采用專利分析方法，分析純電動汽車線控轉向技術的專利布局情況和重點研發(fā)方向，尤其梳理了線控轉向在路感反饋控制、故障診斷控制、轉向控制裝置及轉向冗余等關鍵技術點的技術內(nèi)容及技術發(fā)展路線，旨在通過分析純電動汽車線控轉向技術專利，為國內(nèi)研發(fā)單位、企業(yè)在線控轉向技術的研發(fā)及戰(zhàn)略規(guī)劃方面提供有益的參考。

1 純電動汽車線控轉向技術專利分析

1.1 數(shù)據(jù)采集范圍及相關說明

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫為中國汽車技術研究中心自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫。通過對該數(shù)據(jù)庫中全球汽車領域重要企業(yè)的專利按照技術領域、技術效果、技術手段3個維度進行人工標引。在數(shù)據(jù)庫的技術領域模塊選取純電動汽車節(jié)點，并用線控、轉向、策略、電子助力轉向系統(tǒng)（Electrical Power Steering，EPS）、SBW、路感反饋等關鍵詞進行檢索，截至2022年8月30日，得到純電動汽車線控轉向技術領域的相關專利。由于專利公開時間的滯后，2021—2022年的數(shù)據(jù)僅供參考。

1.2 專利公開趨勢分析

國內(nèi)線控轉向技術專利公開趨勢如圖1 所示，我國純電動汽車線控轉向技術發(fā)展勢頭強勁，2012 年之前發(fā)展緩慢，公開量不足50 件，受新能源汽車技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃影響，2012 年專利公開量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，并從2016 年開始專利公開量呈穩(wěn)步快速增長趨勢，進入快速發(fā)展期，專利公開量總體不大。

圖1 線控轉向系統(tǒng)領域專利公開趨勢

結合專利增長勢頭與公開量級可以推測，純電動汽車線控轉向技術具有充分的探索布局空間。隨著電子技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，未來線控轉向系統(tǒng)被要求承擔更多的功能，以進一步增強車輛操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性。

純電動汽車線控轉向技術領域技術來源國中，中國申請人以60%占比位居第一，緊隨其后的是日本，其申請人占比為24%，其他國家的專利僅占所有專利的1/4，可見在該領域的專利以中國和日本的申請為主，本土專利保護的力度較強（圖2）。

圖2 線控轉向系統(tǒng)領域技術來源國分布

純電動汽車線控轉向技術領域共公開專利1 695件，其中發(fā)明專利1 250 件，實用新型445 件。發(fā)明專利占比74%，相對較多，一方面是由于部分專利涉及轉向策略/軟件，只能申請發(fā)明專利，另一方面也是由于各個車企、高校在轉向技術領域的研發(fā)投入大，對于轉向技術的專利穩(wěn)定性需求高。已公開數(shù)據(jù)的法律狀態(tài)中，有429 件發(fā)明和247 件實用新型處于授權有效狀態(tài)，駁回專利僅占4%，可見純電動汽車線控轉向技術領域專利申請質量之高，線控轉向技術是純電動汽車未來發(fā)展的研究熱點和創(chuàng)新突破點（表1）。

表1 線控轉向技術專利類型及法律狀態(tài)件

1.3 專利申請人分析

純電動汽車線控轉向技術相關專利中，日本企業(yè)優(yōu)勢明顯，國內(nèi)高校、企業(yè)正加快專利布局。如圖3所示，排名前十位申請人中，日本企業(yè)占據(jù)四席，德國企業(yè)占據(jù)兩席，株式會社捷太格特以264 件專利名列第一，緊隨其后的蒂森克虜伯以181件專利位列第二，第三位日立與前2名專利公開量差距較大。就前十位申請人來看，零部件供應商有7家，整車企業(yè)有1家，高校有2 家，零部件供應商在此領域有相對較大的研發(fā)投入。在前十位申請人中僅有2家國內(nèi)高校，說明我國純電動汽車線控轉向技術儲備雖與日美等發(fā)達國家還有一定差距，但高校及企業(yè)正在積極開展針對此領域的研究，特別是模型搭建、算法設計等方面發(fā)展較快。

圖3 線控轉向系統(tǒng)領域頭部申請人分布

1.4 專利技術構成及發(fā)展態(tài)勢分析

純電動汽車線控轉向領域的專利內(nèi)容分布在轉向策略及轉向系統(tǒng)集成上，轉向策略領域專利占比55%，轉向系統(tǒng)集成領域專利占比45%（圖4）。

圖4 線控轉向系統(tǒng)領域專利分布情況

在轉向系統(tǒng)集成方面，專利公開量在2018年之前穩(wěn)步增加，2018年之后略有下降趨勢。轉向策略專利公開量近年來穩(wěn)步上升，這與新能源汽車大量的相關政策扶持有關，該領域專利公開量2020年開始略有下降，但始終保持在一個較高的水平。

轉向策略主要包括路感反饋控制方法、轉向執(zhí)行控制方法以及故障診斷與容錯控制方法；而轉向系統(tǒng)集成則主要包括轉向控制裝置、轉向裝置、集成系統(tǒng)及轉向冗余系統(tǒng)。轉向策略和轉向系統(tǒng)集成專利具體分布情況如表2 所示。轉向策略領域中，轉向執(zhí)行控制方法相關專利占比較大，而在線控轉向系統(tǒng)集成領域中，集成系統(tǒng)相關專利數(shù)量最多，轉向控制裝置和轉向裝置相關專利數(shù)量基本一致，轉向冗余系統(tǒng)相關專利占比相對較少。企業(yè)在開展線控轉向研究時，首先進行結構方面的研究，進而開展策略方面的研究，因此專利布局也適應性的在轉向體系集成方面的布局比轉向策略方面多。而路感反饋控制方法、故障診斷與容錯控制方法屬于技術空白點，相關研究較少，車企對于這兩方面的研究屬于起步階段，因此它們是線控轉向領域未來的研究重點。轉向系統(tǒng)集成方面，雖然轉向冗余系統(tǒng)相關專利較少，但是由于線控轉向的安全性十分重要，而高級別智能駕駛要求線控轉向具備電子冗余，因此預測未來轉向冗余系統(tǒng)相關專利申請量會有進一步增長。

表2 線控轉向系統(tǒng)領域專利細分情況

1.5 關鍵技術分析

在轉向策略中，路感反饋控制以及故障診斷控制方面專利布局較少，這兩項技術面臨了更多的挑戰(zhàn)，有較大的研究空間。在轉向系統(tǒng)集成方面，車企更為關注轉向控制、轉向冗余結構設計，因此本文將重點研究路感反饋控制、故障診斷控制、轉向控制裝置及轉向冗余4個方面的相關專利，分析專利文獻，梳理上述各技術的發(fā)展路線。

1.5.1 路感反饋控制核心專利解讀

在線控轉向技術中，路感信息不能直接被反饋到駕駛員，因此需要基于路感反饋控制方法，通過路感模擬電機產(chǎn)生作用于轉向盤的轉向阻力矩為駕駛員提供路感反饋。轉向阻力矩主要包含：回正力矩和摩擦力矩，回正力矩與車輛前輪的受力狀態(tài)存在直接關系，而前輪受力狀態(tài)又和車輛實時的運動狀態(tài)及路面附著系數(shù)直接相關。因此，路感反饋主要構成因素包括：路面與車輪間的相互作用力與轉向系統(tǒng)自身動力學特性，前者是駕駛員感知路面信息的主要來源，后者則對駕駛員操縱感有較大影響。多變的路面狀況與輪胎產(chǎn)生交互作用，輪胎產(chǎn)生回正力矩經(jīng)轉向拉桿，最終以外部齒條力的形式加載到線控轉向執(zhí)行系統(tǒng)上。

博世華域轉向系統(tǒng)有限公司在專利CN11504285 8A[3]中提出了一種基于動態(tài)齒條力的轉向系統(tǒng)駕駛員路感反饋調整方法。通過控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network, CAN）總線的方式傳輸?shù)铰犯心M模塊；通過參數(shù)的標定，確定不同車速下的目標手力；通過比例-積分-微分（Proportional、Integral、Derivative,PID）控制，與實際的轉向盤手力作閉環(huán)控制，結合回正功能和阻尼功能，提供給駕駛員真實的路感反饋，解決了對于不同類型的路面以及顛簸路面，無法做到精確的路感反饋或采用傳感器進行路面負載力矩計算且對于傳感器精度要求較高的問題。

株式會社萬都在專利CN113928408A[4]中提出了SBW 轉向系統(tǒng)及其轉向盤反作用扭矩信號生成方法，裝置在向線控轉向系統(tǒng)的轉向盤提供反作用扭矩時，可以根據(jù)車輪的轉速確定目標頻率，生成從齒條力信號中排除了包含目標頻率的截止頻帶的經(jīng)濾波的齒條力信號，基于經(jīng)濾波的齒條力信號生成目標反作用扭矩信號，并基于目標反作用扭矩信號生成反作用扭矩，通過為轉向盤提供反作用扭矩，來改善SBW 轉向系統(tǒng)的轉向感，這里的反作用扭矩在生成過程中被去除了諸如擺振和顫振之類的不必要振動分量。

同濟大學在專利CN113335374A[5]中提出了一種適用于線控轉向系統(tǒng)的路感反饋方法，線控轉向系統(tǒng)轉角執(zhí)行機構采集車輛前輪轉角和電機電流信息，發(fā)送至轉向系統(tǒng)控制器，控制器根據(jù)接收到的前輪信息，通過擴張狀態(tài)觀測器估計前輪所受回正力矩，并對回正力矩進行濾波和力矩換算處理后，與車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Executive Scheduling Program，ESP）助力共同構成路感反饋主力矩。當車輛前輪與轉向盤轉角之差位于額定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)生成正常的路感反饋力；當車輛前輪與轉向盤轉角之差超過額定范圍，如前輪卡死時，控制器則額外生成一個等效剛度力矩，使駕駛員感知到前輪轉向受阻，及時調整駕駛操作；當駕駛員將轉向盤轉動到極限位置時，對駕駛員進行限位提示，通過路感電機施加限位力矩阻止駕駛員的過轉向行為，該方法解決了虛擬路感的提供不能準確將車輛前輪實時受力反饋至駕駛員且拉壓力傳感器布置不便的問題。

多種力可能導致車輛加速/減速或轉彎，這些力可能來自輪胎-道路結合面，縱向和/或橫向輪胎滑動在輪胎與道路之間產(chǎn)生輪胎力，通常道路摩擦因數(shù)是影響最大輪胎力的主要因素。

操縱技術IP 控股公司CN114572301A[6]中提出了一種用于生成扭矩輔助的方法，基于交通工具速度、轉向角度和道路摩擦因數(shù)值來確定模型偏航率值，以及使用模型偏航率值與交通工具偏航率值之間的差值來確定差分偏航率值，至少使用差分偏航率值來確定更新的道路摩擦因數(shù)值，基于更新的道路摩擦因數(shù)值和模型齒條力值來生成扭矩輔助值，該方法解決了摩擦因數(shù)會對路感產(chǎn)生影響的問題。

從上述技術路線來看，路感反饋控制一般包括對齒條力的改進、對摩擦因數(shù)的改進和對目標扭矩的直接改進，對上述參數(shù)的調整，一般基于車輛狀態(tài)：電機電流、扭矩請求狀態(tài)、轉向盤轉角、轉向盤轉速、轉向盤扭矩、車速、輪速、橫擺角速度、側向加速度、車輛縱向速度、車輛垂向載荷等。摩擦因數(shù)、摩擦力矩的計算相關專利申請較少，可以考慮在該領域進行研究布局。雖然在基于動態(tài)模型獲取反饋力矩的專利所占比例相對較多，但由于路感反饋控制概念較新，因此，對于反饋力矩的建模依然是當前研究的熱點，建議加大對于基于神經(jīng)網(wǎng)絡建立目標扭矩的研究投入，也可以考慮在建立動力模型的同時結合參數(shù)曲線擬合以進行路感模擬。

1.5.2 故障診斷與容錯控制核心專利解讀

容錯控制可以使系統(tǒng)在發(fā)生故障的情況下，能夠自動補償故障產(chǎn)生的影響以維護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠盡可能地恢復系統(tǒng)故障前的性能，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。故障診斷技術是容錯控制的重要支撐技術之一，是對系統(tǒng)故障的特征進行描述，并利用故障特征去檢測和隔離系統(tǒng)的故障。為了取得好的容錯效果，純電動汽車迫切需要高效的故障診斷機構在線提供比較準確的故障信息來完成系統(tǒng)的容錯控制。

南京航空航天大學在專利CN111497867A[7]中提出了一種考慮駕駛員轉向特性的線控轉向系統(tǒng)容錯策略。該策略基于線控轉向系統(tǒng)，針對3 種不同駕駛員提出了個性化的容錯控制策略。線控轉向系統(tǒng)由1個故障檢測和診斷控制器和1 個性化容錯控制器組成。故障檢測和診斷控制器由干擾觀測器和遺忘因子遞推最小二乘算法組成，實時檢測并估算執(zhí)行器的狀態(tài)和參數(shù)，并將與電機有關的狀態(tài)或部分損壞的程度反饋給電子控制器單元（Electronic Control Unit,ECU）。ECU 發(fā)出容錯命令后，將打開個性化容錯控制器，以處理故障電機對不同駕駛員的影響。個性化容錯控制策略可以在轉向電機發(fā)生故障時，輔助駕駛員較好的跟蹤參考路徑，大大降低電機故障給駕駛員帶來的生理和心理負擔。

江蘇大學在專利CN112519873A[8]中提出了一種四輪獨立線控轉向電動汽車執(zhí)行機構主動容錯控制算法，包括：建立四輪獨立轉向汽車的車輛二自由度動力學模型、車輛參考模型、執(zhí)行機構故障模型和設計間接自適應主動容錯控制器；以車輛參考模型為跟蹤目標進行自適應主動容錯控制器的設計，根據(jù)執(zhí)行機構故障模型推導出帶有故障形式的主動容錯控制器表達式，再根據(jù)李亞普諾夫函數(shù)（Lyapunov）推導出最終的主動容錯控制器，實現(xiàn)對車輛參考模型的零質心側偏角和修正橫擺角速度的跟蹤。該算法能夠通過主動調節(jié)控制器的參數(shù)，在不增加硬件冗余的前提下，實現(xiàn)四輪獨立線控轉向電動汽車轉向執(zhí)行機構在部分失效、中斷及卡死故障情況下的容錯控制，保證執(zhí)行器故障模式下汽車對理想?yún)⒖寄Ｐ偷牧阗|心側偏角和修正橫擺角速度進行跟蹤，提高轉向過程中的操縱穩(wěn)定性。

從故障診斷與容錯控制領域技術發(fā)展路徑來看，容錯控制策略方面多為主動容錯控制?；谀Ｐ偷墓收显\斷技術專利，尤其是通過卡爾曼濾波方法對故障進行判斷的相關專利布局較多。建議在基于信號處理的故障診斷方面進行布局，如利用系統(tǒng)時域和頻域中較深層次的多種特征向量與系統(tǒng)故障源之間的聯(lián)系，對系統(tǒng)信號進行分析和處理，從而判斷故障源位置。

1.5.3 轉向控制裝置核心專利解讀

轉向控制裝置在執(zhí)行相應控制方法時，上層部分根據(jù)當前車輛的狀態(tài)和駕駛員的輸入，在盡量滿足控制目標和約束條件的情況下，計算出期望的前輪轉角；而下層部分則是由轉向控制器控制轉向電機執(zhí)行該指令，快速、準確地達到該目標轉角。線控轉向系統(tǒng)十分靈活，衍生出很多控制算法。

株式會社捷太格特在專利CN103303362A[9]中提出了一種車輛用轉向控制的裝置，將由轉向轉矩傳感器檢測出的轉向轉矩T 的絕對值與規(guī)定的閾值Tsh進行比較判斷，當上述檢測出的轉向轉矩值的絕對值小于上述閾值Tsh時，則基于轉向轉矩值對轉向反力進行控制，當上述檢測出的轉向轉矩值的絕對值在上述閾值Tsh以上時，則以檢測出的反力電機電流值為基準值I_keep對轉向反力進行控制，解決了轉向轉矩傳感器的檢測范圍擴大時轉向轉矩較小的范圍內(nèi)傳感器的檢測分辨率降低的問題。

吉林大學在專利CN107150718A[10]中提出了一種多模式汽車線控轉向系統(tǒng)，該線控轉向系統(tǒng)具有電機助力模式與電機全動力模式2 種工作模式。2 種模式優(yōu)點分別為：在電機助力模式下，駕駛員可以在轉向時節(jié)省電能，經(jīng)濟性較好，并通過轉向盤獲得實時的真實路面反饋信息；在電機全動力模式下，駕駛員在轉向時可以節(jié)省體力，并通過轉向盤獲得路感模擬。該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有線控轉向技術中的轉向動力源單一、轉向系統(tǒng)斷電失效時安全性差、轉向路感模擬不夠逼真與轉向精度不高的問題。

ZF 汽車德國有限公司在專利CN112977601A[11]中提出了一種用于車輛的線控轉向系統(tǒng)，該轉向系統(tǒng)具有車橋致動器，車橋致動器包括車橋電動馬達和車橋控制單元，并且連接至車輛的車橋。線控轉向轉向系統(tǒng)包括等效電路，等效電路被設計成測量由轉向盤電動馬達感應的電流，并且根據(jù)感應電流來給車橋控制單元提供至少一個測量值，以用于控制車橋電動馬達。該系統(tǒng)解決了轉向系統(tǒng)的可靠性低，控制電子器件完全或部分失效的情況下，不能繼續(xù)確保駕駛員的轉向運動可以被檢測并實施的問題。

轉向控制裝置方面，對于多模式轉向系統(tǒng)的控制方法的布局較多。博世、萬都、捷太格特、采埃孚等零部件供應商在轉向控制方面具備一定實力。

1.5.4 轉向冗余系統(tǒng)核心專利解讀

通過增加系統(tǒng)檢測設備的方法稱之為硬件冗余，線控轉向系統(tǒng)的硬件冗余架構可以涉及傳感器冗余、底盤域控制器冗余、轉向執(zhí)行冗余、供電冗余和通訊冗余等多個方面，通過冗余系統(tǒng)的設置能夠進一步提升線控轉向系統(tǒng)的可靠性。

福特全球技術公司在專利CN114348106A[12]中提出了一種具有多個控制器的轉向系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：（1）轉向系統(tǒng)電動機；（2）第一ECU 和第二ECU：第一ECU 和第二ECU 各自與轉向系統(tǒng)電動機連接；（3）通信線路：通信線路分別與第一ECU和第二ECU直接通信；（4）網(wǎng)關模塊：網(wǎng)關模塊將第一ECU 連接到CAN總線并保證二者可以通信，同時網(wǎng)關模塊將第二ECU連接到CAN 總線并保證二者可以通信。第一ECU 被編程為在檢測到故障時，經(jīng)由通信線路并經(jīng)由網(wǎng)關模塊將故障代碼傳輸?shù)降诙﨓CU。第二ECU 被編程為在檢測到故障時，經(jīng)由通信線路并經(jīng)由網(wǎng)關模塊將故障代碼傳輸?shù)降谝籈CU，以此解決線控轉向系統(tǒng)單一控制器出故障無法及時補救的問題，保證行車的安全和穩(wěn)定。

南京航空航天大學在專利CN114524019A[13]中提出了一種商用車雙繞組雙電機線控轉向系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：轉向盤模塊、雙繞組雙電機助力模塊、循環(huán)球液壓助力模塊、機械傳動模塊及轉向控制單元；電機、繞組雙重硬件冗余功能避免了任何一個單轉向電機或者單個繞組故障而造成轉向指令執(zhí)行的失效，進一步提高了線控轉向系統(tǒng)的可靠性，增強了車輛安全性；此外，融合了雙繞組電機的優(yōu)點，相比單繞組電機能夠輸出更大的轉矩，保證了現(xiàn)有商用車線控轉向系統(tǒng)所需的轉矩要求，解決了能耗較大且響應速度慢的問題。

轉向冗余系統(tǒng)方面的相關專利申請主要集中在近幾年，以提升轉向可靠性方面的專利為主。汽車自動駕駛從技術本身來看，除了搭載足夠豐富的自動駕駛技術，還必須保證系統(tǒng)始終處于運行狀態(tài)，確保自動駕駛系統(tǒng)的安全性和持續(xù)性。因此，冗余成為了必不可少的一環(huán)，也是未來線控轉向領域的重點。

2 結束語

本文從專利申請態(tài)勢、專利技術構成、關鍵技術點等方面剖析了純電動汽車線控轉向技術的專利布局和技術發(fā)展路線。線控轉向是純電動汽車領域的核心技術，該技術發(fā)展起步較晚，國外供應商對于線控轉向的研究處于領先地位，采埃孚、博世對于線控轉向的研究在未來幾年會從概念模型轉向量產(chǎn)，而國內(nèi)對于線控轉向的研究，以高校為主，且取得了一定進展，車企在該領域的研究不多，我國純電動汽車線控轉向相關專利還沒做好落地準備。線控轉向尚存在技術難點需要突破，專利申請量會持續(xù)走高。未來在路感反饋控制方面的研究，可以考慮在建立動力模型的同時結合參數(shù)曲線擬合以進行路感模擬。摩擦因數(shù)、摩擦力矩的計算相關專利申請較少，可以考慮在該領域進行研究布局。在故障診斷和容錯控制方面的研究，建議進一步提升軟件容錯算法的可靠性，結合硬件冗余，改善轉向系統(tǒng)的性能，預計隨著線控轉向策略研究的不斷深入。未來10年，線控轉向技術成熟度會進一步提高，其在純電動汽車領域的應用會更加廣泛。