基于專利分析的純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)研究

葉曉雪 王亮亮 王軍雷 王靜 張海楠

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

隨著電動(dòng)化、智能化、輕量化以及各類前沿技術(shù)的進(jìn)步，新能源汽車進(jìn)入了新時(shí)代，徹底顛覆了傳統(tǒng)車輛的底盤(pán)架構(gòu)，這些顛覆性的底盤(pán)技術(shù)不僅體現(xiàn)在底盤(pán)結(jié)構(gòu)布局的變化上，還涉及到材料的創(chuàng)新型應(yīng)用、軟件控制的轉(zhuǎn)變等。底盤(pán)系統(tǒng)包含了懸架、制動(dòng)、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠維持車輛在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向（Steering-By-Wire，SBW）控制技術(shù)成為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的機(jī)械連接部分[1]，由電能來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，通過(guò)電信號(hào)傳遞駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并及時(shí)做出路面信息反饋。線控轉(zhuǎn)向具有安全性能高、駕駛穩(wěn)定性高、駕駛空間大、轉(zhuǎn)向比可變性強(qiáng)及系統(tǒng)適配性好等優(yōu)勢(shì)[2]。該技術(shù)極大推進(jìn)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(wú)人駕駛系統(tǒng)等新型熱門(mén)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，獲得了行業(yè)的廣泛關(guān)注。目前海外廠商在線控轉(zhuǎn)向技術(shù)上具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于該技術(shù)也有大規(guī)模研發(fā)投入，總體上，該技術(shù)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(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的專利布局情況和重點(diǎn)研發(fā)方向，尤其梳理了線控轉(zhuǎn)向在路感反饋控制、故障診斷控制、轉(zhuǎn)向控制裝置及轉(zhuǎn)向冗余等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)發(fā)展路線，旨在通過(guò)分析純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)專利，為國(guó)內(nèi)研發(fā)單位、企業(yè)在線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的研發(fā)及戰(zhàn)略規(guī)劃方面提供有益的參考。

1 純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)專利分析

1.1 數(shù)據(jù)采集范圍及相關(guān)說(shuō)明

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫(kù)為中國(guó)汽車技術(shù)研究中心自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)中全球汽車領(lǐng)域重要企業(yè)的專利按照技術(shù)領(lǐng)域、技術(shù)效果、技術(shù)手段3個(gè)維度進(jìn)行人工標(biāo)引。在數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)領(lǐng)域模塊選取純電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)，并用線控、轉(zhuǎn)向、策略、電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrical Power Steering，EPS）、SBW、路感反饋等關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，截至2022年8月30日，得到純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)專利。由于專利公開(kāi)時(shí)間的滯后，2021—2022年的數(shù)據(jù)僅供參考。

1.2 專利公開(kāi)趨勢(shì)分析

國(guó)內(nèi)線控轉(zhuǎn)向技術(shù)專利公開(kāi)趨勢(shì)如圖1 所示，我國(guó)純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，2012 年之前發(fā)展緩慢，公開(kāi)量不足50 件，受新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃影響，2012 年專利公開(kāi)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，并從2016 年開(kāi)始專利公開(kāi)量呈穩(wěn)步快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，進(jìn)入快速發(fā)展期，專利公開(kāi)量總體不大。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠_(kāi)趨勢(shì)

結(jié)合專利增長(zhǎng)勢(shì)頭與公開(kāi)量級(jí)可以推測(cè)，純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)具有充分的探索布局空間。隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被要求承擔(dān)更多的功能，以進(jìn)一步增強(qiáng)車輛操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性。

純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)來(lái)源國(guó)中，中國(guó)申請(qǐng)人以60%占比位居第一，緊隨其后的是日本，其申請(qǐng)人占比為24%，其他國(guó)家的專利僅占所有專利的1/4，可見(jiàn)在該領(lǐng)域的專利以中國(guó)和日本的申請(qǐng)為主，本土專利保護(hù)的力度較強(qiáng)（圖2）。

圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)來(lái)源國(guó)分布

純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域共公開(kāi)專利1 695件，其中發(fā)明專利1 250 件，實(shí)用新型445 件。發(fā)明專利占比74%，相對(duì)較多，一方面是由于部分專利涉及轉(zhuǎn)向策略/軟件，只能申請(qǐng)發(fā)明專利，另一方面也是由于各個(gè)車企、高校在轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入大，對(duì)于轉(zhuǎn)向技術(shù)的專利穩(wěn)定性需求高。已公開(kāi)數(shù)據(jù)的法律狀態(tài)中，有429 件發(fā)明和247 件實(shí)用新型處于授權(quán)有效狀態(tài)，駁回專利僅占4%，可見(jiàn)純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)質(zhì)量之高，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)是純電動(dòng)汽車未來(lái)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和創(chuàng)新突破點(diǎn)（表1）。

表1 線控轉(zhuǎn)向技術(shù)專利類型及法律狀態(tài)件

1.3 專利申請(qǐng)人分析

純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)相關(guān)專利中，日本企業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，國(guó)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(qǐng)人中，日本企業(yè)占據(jù)四席，德國(guó)企業(yè)占據(jù)兩席，株式會(huì)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(kāi)量差距較大。就前十位申請(qǐng)人來(lái)看，零部件供應(yīng)商有7家，整車企業(yè)有1家，高校有2 家，零部件供應(yīng)商在此領(lǐng)域有相對(duì)較大的研發(fā)投入。在前十位申請(qǐng)人中僅有2家國(guó)內(nèi)高校，說(shuō)明我國(guó)純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)儲(chǔ)備雖與日美等發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距，但高校及企業(yè)正在積極開(kāi)展針對(duì)此領(lǐng)域的研究，特別是模型搭建、算法設(shè)計(jì)等方面發(fā)展較快。

圖3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域頭部申請(qǐng)人分布

1.4 專利技術(shù)構(gòu)成及發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向領(lǐng)域的專利內(nèi)容分布在轉(zhuǎn)向策略及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成上，轉(zhuǎn)向策略領(lǐng)域?qū)＠急?5%，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成領(lǐng)域?qū)＠急?5%（圖4）。

圖4 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠植记闆r

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成方面，專利公開(kāi)量在2018年之前穩(wěn)步增加，2018年之后略有下降趨勢(shì)。轉(zhuǎn)向策略專利公開(kāi)量近年來(lái)穩(wěn)步上升，這與新能源汽車大量的相關(guān)政策扶持有關(guān)，該領(lǐng)域?qū)＠_(kāi)量2020年開(kāi)始略有下降，但始終保持在一個(gè)較高的水平。

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

表2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠?xì)分情況

1.5 關(guān)鍵技術(shù)分析

在轉(zhuǎn)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(xiàng)技術(shù)面臨了更多的挑戰(zhàn)，有較大的研究空間。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成方面，車企更為關(guān)注轉(zhuǎn)向控制、轉(zhuǎn)向冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此本文將重點(diǎn)研究路感反饋控制、故障診斷控制、轉(zhuǎn)向控制裝置及轉(zhuǎn)向冗余4個(gè)方面的相關(guān)專利，分析專利文獻(xiàn)，梳理上述各技術(shù)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(zhuǎn)向技術(shù)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(guò)路感模擬電機(jī)產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向阻力矩為駕駛員提供路感反饋。轉(zhuǎn)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(guān)系，而前輪受力狀態(tài)又和車輛實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及路面附著系數(shù)直接相關(guān)。因此，路感反饋主要構(gòu)成因素包括：路面與車輪間的相互作用力與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自身動(dòng)力學(xué)特性，前者是駕駛員感知路面信息的主要來(lái)源，后者則對(duì)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(zhuǎn)向拉桿，最終以外部齒條力的形式加載到線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)上。

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

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

同濟(jì)大學(xué)在專利CN113335374A[5]中提出了一種適用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感反饋方法，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角執(zhí)行機(jī)構(gòu)采集車輛前輪轉(zhuǎn)角和電機(jī)電流信息，發(fā)送至轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器，控制器根據(jù)接收到的前輪信息，通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)前輪所受回正力矩，并對(duì)回正力矩進(jìn)行濾波和力矩?fù)Q算處理后，與車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Executive Scheduling Program，ESP）助力共同構(gòu)成路感反饋主力矩。當(dāng)車輛前輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角之差位于額定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)生成正常的路感反饋力；當(dāng)車輛前輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角之差超過(guò)額定范圍，如前輪卡死時(shí)，控制器則額外生成一個(gè)等效剛度力矩，使駕駛員感知到前輪轉(zhuǎn)向受阻，及時(shí)調(diào)整駕駛操作；當(dāng)駕駛員將轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置時(shí)，對(duì)駕駛員進(jìn)行限位提示，通過(guò)路感電機(jī)施加限位力矩阻止駕駛員的過(guò)轉(zhuǎn)向行為，該方法解決了虛擬路感的提供不能準(zhǔn)確將車輛前輪實(shí)時(shí)受力反饋至駕駛員且拉壓力傳感器布置不便的問(wèn)題。

多種力可能導(dǎo)致車輛加速/減速或轉(zhuǎn)彎，這些力可能來(lái)自輪胎-道路結(jié)合面，縱向和/或橫向輪胎滑動(dòng)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(shù)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(zhuǎn)向角度和道路摩擦因數(shù)值來(lái)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(lái)確定差分偏航率值，至少使用差分偏航率值來(lái)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(lái)生成扭矩輔助值，該方法解決了摩擦因數(shù)會(huì)對(duì)路感產(chǎn)生影響的問(wèn)題。

從上述技術(shù)路線來(lái)看，路感反饋控制一般包括對(duì)齒條力的改進(jìn)、對(duì)摩擦因數(shù)的改進(jìn)和對(duì)目標(biāo)扭矩的直接改進(jìn)，對(duì)上述參數(shù)的調(diào)整，一般基于車輛狀態(tài)：電機(jī)電流、扭矩請(qǐng)求狀態(tài)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向盤(pán)扭矩、車速、輪速、橫擺角速度、側(cè)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(jì)算相關(guān)專利申請(qǐng)較少，可以考慮在該領(lǐng)域進(jìn)行研究布局。雖然在基于動(dòng)態(tài)模型獲取反饋力矩的專利所占比例相對(duì)較多，但由于路感反饋控制概念較新，因此，對(duì)于反饋力矩的建模依然是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，建議加大對(duì)于基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立目標(biāo)扭矩的研究投入，也可以考慮在建立動(dòng)力模型的同時(shí)結(jié)合參數(shù)曲線擬合以進(jìn)行路感模擬。

1.5.2 故障診斷與容錯(cuò)控制核心專利解讀

容錯(cuò)控制可以使系統(tǒng)在發(fā)生故障的情況下，能夠自動(dòng)補(bǔ)償故障產(chǎn)生的影響以維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠盡可能地恢復(fù)系統(tǒng)故障前的性能，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。故障診斷技術(shù)是容錯(cuò)控制的重要支撐技術(shù)之一，是對(duì)系統(tǒng)故障的特征進(jìn)行描述，并利用故障特征去檢測(cè)和隔離系統(tǒng)的故障。為了取得好的容錯(cuò)效果，純電動(dòng)汽車迫切需要高效的故障診斷機(jī)構(gòu)在線提供比較準(zhǔn)確的故障信息來(lái)完成系統(tǒng)的容錯(cuò)控制。

南京航空航天大學(xué)在專利CN111497867A[7]中提出了一種考慮駕駛員轉(zhuǎn)向特性的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯(cuò)策略。該策略基于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，針對(duì)3 種不同駕駛員提出了個(gè)性化的容錯(cuò)控制策略。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由1個(gè)故障檢測(cè)和診斷控制器和1 個(gè)性化容錯(cuò)控制器組成。故障檢測(cè)和診斷控制器由干擾觀測(cè)器和遺忘因子遞推最小二乘算法組成，實(shí)時(shí)檢測(cè)并估算執(zhí)行器的狀態(tài)和參數(shù)，并將與電機(jī)有關(guān)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(cuò)命令后，將打開(kāi)個(gè)性化容錯(cuò)控制器，以處理故障電機(jī)對(duì)不同駕駛員的影響。個(gè)性化容錯(cuò)控制策略可以在轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，輔助駕駛員較好的跟蹤參考路徑，大大降低電機(jī)故障給駕駛員帶來(lái)的生理和心理負(fù)擔(dān)。

江蘇大學(xué)在專利CN112519873A[8]中提出了一種四輪獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車執(zhí)行機(jī)構(gòu)主動(dòng)容錯(cuò)控制算法，包括：建立四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向汽車的車輛二自由度動(dòng)力學(xué)模型、車輛參考模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障模型和設(shè)計(jì)間接自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)控制器；以車輛參考模型為跟蹤目標(biāo)進(jìn)行自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障模型推導(dǎo)出帶有故障形式的主動(dòng)容錯(cuò)控制器表達(dá)式，再根據(jù)李亞普諾夫函數(shù)（Lyapunov）推導(dǎo)出最終的主動(dòng)容錯(cuò)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛參考模型的零質(zhì)心側(cè)偏角和修正橫擺角速度的跟蹤。該算法能夠通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，在不增加硬件冗余的前提下，實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)在部分失效、中斷及卡死故障情況下的容錯(cuò)控制，保證執(zhí)行器故障模式下汽車對(duì)理想?yún)⒖寄Ｐ偷牧阗|(zhì)心側(cè)偏角和修正橫擺角速度進(jìn)行跟蹤，提高轉(zhuǎn)向過(guò)程中的操縱穩(wěn)定性。

從故障診斷與容錯(cuò)控制領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路徑來(lái)看，容錯(cuò)控制策略方面多為主動(dòng)容錯(cuò)控制。基于模型的故障診斷技術(shù)專利，尤其是通過(guò)卡爾曼濾波方法對(duì)故障進(jìn)行判斷的相關(guān)專利布局較多。建議在基于信號(hào)處理的故障診斷方面進(jìn)行布局，如利用系統(tǒng)時(shí)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(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，從而判斷故障源位置。

1.5.3 轉(zhuǎn)向控制裝置核心專利解讀

轉(zhuǎn)向控制裝置在執(zhí)行相應(yīng)控制方法時(shí)，上層部分根據(jù)當(dāng)前車輛的狀態(tài)和駕駛員的輸入，在盡量滿足控制目標(biāo)和約束條件的情況下，計(jì)算出期望的前輪轉(zhuǎn)角；而下層部分則是由轉(zhuǎn)向控制器控制轉(zhuǎn)向電機(jī)執(zhí)行該指令，快速、準(zhǔn)確地達(dá)到該目標(biāo)轉(zhuǎn)角。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)十分靈活，衍生出很多控制算法。

株式會(huì)社捷太格特在專利CN103303362A[9]中提出了一種車輛用轉(zhuǎn)向控制的裝置，將由轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)出的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩T 的絕對(duì)值與規(guī)定的閾值Tsh進(jìn)行比較判斷，當(dāng)上述檢測(cè)出的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩值的絕對(duì)值小于上述閾值Tsh時(shí)，則基于轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩值對(duì)轉(zhuǎn)向反力進(jìn)行控制，當(dāng)上述檢測(cè)出的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩值的絕對(duì)值在上述閾值Tsh以上時(shí)，則以檢測(cè)出的反力電機(jī)電流值為基準(zhǔn)值I_keep對(duì)轉(zhuǎn)向反力進(jìn)行控制，解決了轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)范圍擴(kuò)大時(shí)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩較小的范圍內(nèi)傳感器的檢測(cè)分辨率降低的問(wèn)題。

吉林大學(xué)在專利CN107150718A[10]中提出了一種多模式汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有電機(jī)助力模式與電機(jī)全動(dòng)力模式2 種工作模式。2 種模式優(yōu)點(diǎn)分別為：在電機(jī)助力模式下，駕駛員可以在轉(zhuǎn)向時(shí)節(jié)省電能，經(jīng)濟(jì)性較好，并通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)獲得實(shí)時(shí)的真實(shí)路面反饋信息；在電機(jī)全動(dòng)力模式下，駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)可以節(jié)省體力，并通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)獲得路感模擬。該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有線控轉(zhuǎn)向技術(shù)中的轉(zhuǎn)向動(dòng)力源單一、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)斷電失效時(shí)安全性差、轉(zhuǎn)向路感模擬不夠逼真與轉(zhuǎn)向精度不高的問(wèn)題。

ZF 汽車德國(guó)有限公司在專利CN112977601A[11]中提出了一種用于車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有車橋致動(dòng)器，車橋致動(dòng)器包括車橋電動(dòng)馬達(dá)和車橋控制單元，并且連接至車輛的車橋。線控轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括等效電路，等效電路被設(shè)計(jì)成測(cè)量由轉(zhuǎn)向盤(pán)電動(dòng)馬達(dá)感應(yīng)的電流，并且根據(jù)感應(yīng)電流來(lái)給車橋控制單元提供至少一個(gè)測(cè)量值，以用于控制車橋電動(dòng)馬達(dá)。該系統(tǒng)解決了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)可以被檢測(cè)并實(shí)施的問(wèn)題。

轉(zhuǎn)向控制裝置方面，對(duì)于多模式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法的布局較多。博世、萬(wàn)都、捷太格特、采埃孚等零部件供應(yīng)商在轉(zhuǎn)向控制方面具備一定實(shí)力。

1.5.4 轉(zhuǎn)向冗余系統(tǒng)核心專利解讀

通過(guò)增加系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備的方法稱之為硬件冗余，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件冗余架構(gòu)可以涉及傳感器冗余、底盤(pán)域控制器冗余、轉(zhuǎn)向執(zhí)行冗余、供電冗余和通訊冗余等多個(gè)方面，通過(guò)冗余系統(tǒng)的設(shè)置能夠進(jìn)一步提升線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性。

福特全球技術(shù)公司在專利CN114348106A[12]中提出了一種具有多個(gè)控制器的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：（1）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)；（2）第一ECU 和第二ECU：第一ECU 和第二ECU 各自與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)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(guān)模塊：網(wǎng)關(guān)模塊將第一ECU 連接到CAN總線并保證二者可以通信，同時(shí)網(wǎng)關(guān)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(cè)到故障時(shí)，經(jīng)由通信線路并經(jīng)由網(wǎng)關(guān)模塊將故障代碼傳輸?shù)降诙﨓CU。第二ECU 被編程為在檢測(cè)到故障時(shí)，經(jīng)由通信線路并經(jīng)由網(wǎng)關(guān)模塊將故障代碼傳輸?shù)降谝籈CU，以此解決線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)單一控制器出故障無(wú)法及時(shí)補(bǔ)救的問(wèn)題，保證行車的安全和穩(wěn)定。

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

轉(zhuǎn)向冗余系統(tǒng)方面的相關(guān)專利申請(qǐng)主要集中在近幾年，以提升轉(zhuǎn)向可靠性方面的專利為主。汽車自動(dòng)駕駛從技術(shù)本身來(lái)看，除了搭載足夠豐富的自動(dòng)駕駛技術(shù)，還必須保證系統(tǒng)始終處于運(yùn)行狀態(tài)，確保自動(dòng)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(lái)線控轉(zhuǎn)向領(lǐng)域的重點(diǎn)。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文從專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)、專利技術(shù)構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)等方面剖析了純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的專利布局和技術(shù)發(fā)展路線。線控轉(zhuǎn)向是純電動(dòng)汽車領(lǐng)域的核心技術(shù)，該技術(shù)發(fā)展起步較晚，國(guó)外供應(yīng)商對(duì)于線控轉(zhuǎn)向的研究處于領(lǐng)先地位，采埃孚、博世對(duì)于線控轉(zhuǎn)向的研究在未來(lái)幾年會(huì)從概念模型轉(zhuǎn)向量產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)對(duì)于線控轉(zhuǎn)向的研究，以高校為主，且取得了一定進(jìn)展，車企在該領(lǐng)域的研究不多，我國(guó)純電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向相關(guān)專利還沒(méi)做好落地準(zhǔn)備。線控轉(zhuǎn)向尚存在技術(shù)難點(diǎn)需要突破，專利申請(qǐng)量會(huì)持續(xù)走高。未來(lái)在路感反饋控制方面的研究，可以考慮在建立動(dòng)力模型的同時(shí)結(jié)合參數(shù)曲線擬合以進(jìn)行路感模擬。摩擦因數(shù)、摩擦力矩的計(jì)算相關(guān)專利申請(qǐng)較少，可以考慮在該領(lǐng)域進(jìn)行研究布局。在故障診斷和容錯(cuò)控制方面的研究，建議進(jìn)一步提升軟件容錯(cuò)算法的可靠性，結(jié)合硬件冗余，改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，預(yù)計(jì)隨著線控轉(zhuǎn)向策略研究的不斷深入。未來(lái)10年，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)成熟度會(huì)進(jìn)一步提高，其在純電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。