新能源汽車智能線控底盤

摘 要：在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，新能源汽車全球滲透率預(yù)計(jì)在2025年突破30%（IEA數(shù)據(jù)），其智能化是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵，在此背景下對(duì)底盤系統(tǒng)提出革命性需求。智能線控底盤技術(shù)目前是行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，其包括線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)、線控驅(qū)動(dòng)以及線控懸掛四個(gè)模塊。文章聚焦智能線控底盤技術(shù)，首先對(duì)四個(gè)模塊的組成以及基本控制原理進(jìn)行介紹，接著介紹了基于域控制器的協(xié)同控制的原理，最后分析了智能線控地盤當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為未來(lái)線控底盤技術(shù)的應(yīng)用提供支持。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 智能線控底盤 協(xié)同控制

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)于汽車性能、安全性和舒適性的要求不斷提高。智能線控底盤技術(shù)作為一種創(chuàng)新的底盤技術(shù)，是新能源汽車智能駕駛的必然選擇[1]。它能夠?qū)崿F(xiàn)底盤系統(tǒng)的精確控制，提高車輛的操控性、安全性和舒適性，并且與新能源汽車的電動(dòng)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)相契合。

1 智能線控底盤

汽車線控底盤技術(shù)是指通過(guò)線控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛底盤的操控。線控系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)電信號(hào)或電子信號(hào)傳遞指令，以完成對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和懸掛等操作。相比傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式，線控底盤不僅可以省去了傳統(tǒng)的機(jī)械連接件，而且具有更高的響應(yīng)速度和更高的控制精度，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的駕駛環(huán)境[2-3]。

線控底盤中由各種傳感器負(fù)責(zé)采集車輛各種狀態(tài)信息，如加速度、輪速和轉(zhuǎn)向角度等，并通過(guò)CAN線將其發(fā)送給控制器，控制器接收到這些信息后，進(jìn)行分析處理并制定相應(yīng)的控制策略，發(fā)送控制指令給執(zhí)行器。執(zhí)行器收到控制指令后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，完成車輛的控制。

2 智能線控底盤關(guān)鍵技術(shù)

2.1 線控轉(zhuǎn)向

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于取消了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)軸，使方向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間僅通過(guò)電線連接。這種系統(tǒng)完全依賴于電信號(hào)來(lái)傳輸控制指令，從而實(shí)現(xiàn)了駕駛員與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間的非直接物理力矩傳輸[4]。在這種系統(tǒng)中，駕駛員操作方向盤的指令完全通過(guò)電子信號(hào)傳遞給電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），ECU分析指令后傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)完成操作。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤模塊、主控制器、執(zhí)行模塊、故障處理系統(tǒng)，電源等部分組成。其中方向盤模塊、主控制器、執(zhí)行模塊是線控轉(zhuǎn)向的3個(gè)主要部分，其他模塊屬于輔助部分。其結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

方向盤模塊是轉(zhuǎn)向意圖的輸入模塊方向盤模塊通過(guò)測(cè)量方向盤的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩，將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳遞給主控制器；同時(shí)，方向盤模塊接收主控制器反饋的力矩信號(hào)，產(chǎn)生方向盤的回正力矩，為駕駛員提供對(duì)應(yīng)的路感。主控制器作用是分析和處理各路信號(hào)，判斷轉(zhuǎn)向意圖和汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的控制指令。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的作用是實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，它由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器、車輪轉(zhuǎn)向組件以及車輪轉(zhuǎn)角傳感器組成。執(zhí)行模塊接受主控制器的指令，通過(guò)轉(zhuǎn)向電機(jī)及其控制器，控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于取消了轉(zhuǎn)向柱等機(jī)械結(jié)構(gòu)，給車內(nèi)節(jié)省了更多的空間，同時(shí)避免了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱對(duì)駕駛員的傷害；轉(zhuǎn)向更靈活，基于車速、牽引力控制以及其他相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)向比率（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角的比值）不斷變化，如在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向比率變大，獲得更好的直線行駛條件，此外可以顯著降低汽車的重量，并因此減少耗油量或耗電量。同時(shí)，取消這些機(jī)械連接，也降低了汽車的零件生產(chǎn)成本。

2.2 線控制動(dòng)

線控制動(dòng)是一種先進(jìn)的汽車制動(dòng)技術(shù)，它通過(guò)電子控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)操作，而不是傳統(tǒng)的機(jī)械或液壓連接。這種技術(shù)的核心在于將制動(dòng)踏板與制動(dòng)器之間的動(dòng)力傳遞分離開來(lái)，取而代之的是電線連接。制動(dòng)踏板的移動(dòng)被傳遞給ECU，ECU根據(jù)踏板的位置和其他傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)命令電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。由于這些電機(jī)是相互獨(dú)立的，它們可以對(duì)每個(gè)輪胎施加不同的壓力。

線控制動(dòng)系統(tǒng)主要分為電子液壓制動(dòng)（Electro-Hydraulic Braking，EHB）和電子機(jī)械制動(dòng)（Electro-Mechanical Braking，EMB）兩大類。EHB系統(tǒng)以液壓制動(dòng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力源的電控化，而EMB系統(tǒng)則進(jìn)一步簡(jiǎn)化，取消了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)主缸和液壓管路，將電機(jī)直接集成在制動(dòng)器上方，是真正的線控制動(dòng)系統(tǒng)。EMB根據(jù)是否和電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Electronic Stability Control System，ESC）系統(tǒng)集成可分為Two-box和One-box兩種形式。Two-Box方案中，ESC和電子助力器相互獨(dú)立、互為冗余；One-box方案集成真空助力器、主缸、電子真空泵、ESC等。

由于EMB制動(dòng)系統(tǒng)取消了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用電子信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，相比于EHB制動(dòng)系統(tǒng)，其響應(yīng)速度更快，制動(dòng)距離更短，車輛能有更好穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)控制以及更舒適精準(zhǔn)的制動(dòng)操作，但EMB制動(dòng)系統(tǒng)沒有備份系統(tǒng)，對(duì)可靠性要求極高，所以目前沒有大規(guī)模應(yīng)用，EHB制動(dòng)目前仍然是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。

2.3 線控驅(qū)動(dòng)

線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指通過(guò)電子控制單元對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛速度、方向等的控制。新能源汽車線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括ECU、功率轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)輪以及能源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)等組成，其組成結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

線控驅(qū)動(dòng)的工作原理，當(dāng)駕駛員踩下踏板，傳感器會(huì)感知到踏板的位移信號(hào)，并將其通過(guò)電纜傳遞給 ECU，新能源車的ECU為整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU），VCU各傳感器輸入信號(hào)判斷車輛所處的工況并決策各工況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，然后通過(guò)CAN總線將目標(biāo)值發(fā)送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)接收到的命令對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

新能源汽車的線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置方式又可分為集中式驅(qū)動(dòng)、分布式驅(qū)動(dòng)以及中央橋式驅(qū)動(dòng)。集中式驅(qū)動(dòng)只有一個(gè)動(dòng)力源，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力分配至各驅(qū)動(dòng)輪，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，底盤改動(dòng)較小且成本低，缺點(diǎn)是仍然保留機(jī)械差速器等機(jī)構(gòu)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求較高，須具備較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大的后備功率；分布式驅(qū)動(dòng)整車動(dòng)力需求由多個(gè)電機(jī)共同滿足，且每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)單個(gè)車輪進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。主要可分為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型，其優(yōu)點(diǎn)是取消了機(jī)械差速器等傳動(dòng)裝置，節(jié)省出更多的底盤空間且能更精確地調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力輸出，更容易實(shí)現(xiàn)汽車底盤集成控制，缺點(diǎn)是該方案成本較高，且對(duì)整車控制策略的要求很高。中央橋式驅(qū)動(dòng)方案介于分布式驅(qū)動(dòng)和集中式驅(qū)動(dòng)方案之間，將動(dòng)力系統(tǒng)集成在車輛中央通過(guò)一個(gè)中央驅(qū)動(dòng)橋連接至前后輪，這種驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)點(diǎn)是相比于分布式驅(qū)動(dòng)其成本低，控制策略要求并沒有那么高，其占用空間比集中式驅(qū)動(dòng)更低。

目前隨著新能源汽車的崛起，整個(gè)線控驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)也在快速增長(zhǎng)，線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)正由集中式驅(qū)動(dòng)向分布式驅(qū)動(dòng)不斷發(fā)展。未來(lái)，以輪邊和輪轂電機(jī)為代表的分布式驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案將得到大量應(yīng)用。

2.4 線控懸掛

線控懸掛系統(tǒng)是一種采用電子控制技術(shù)替代傳統(tǒng)機(jī)械和液壓連接的汽車懸掛系統(tǒng)。與傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)通過(guò)彈簧、減震器以及機(jī)械連接件共同作用來(lái)吸收路面不平的沖擊不同，線控懸掛可以通過(guò)電子信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)懸掛的硬度、行程等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更加智能、精確的懸掛控制，進(jìn)而優(yōu)化駕駛體驗(yàn)和車輛的操控性能。

線控懸架系統(tǒng)主要由ECU、傳感器、執(zhí)行器等組成。傳感器主要包括車速傳感器、車身高度傳感器以及車身姿態(tài)傳感器等，這些傳感器共同采集車輛行駛過(guò)程中各種信息，并將采集到信息通過(guò)CAN總線傳給ECU。ECU接收到信號(hào)后，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法進(jìn)行計(jì)算和分析，得出最優(yōu)的懸架調(diào)節(jié)參數(shù)，然后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架系統(tǒng)的精確控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)到ECU傳遞過(guò)來(lái)信息，調(diào)整懸掛的高度、剛度和阻尼。

當(dāng)前線控懸架技術(shù)已經(jīng)基本成熟，但由于其高昂的成本，過(guò)去主要應(yīng)用在高端豪華乘用車上。近年來(lái)我國(guó)自主車企高端化發(fā)展進(jìn)一步擴(kuò)大了國(guó)內(nèi)中高端市場(chǎng)的規(guī)模，目前小鵬和蔚來(lái)等造車新勢(shì)力均將線控懸架作為產(chǎn)品賣點(diǎn)之一。

2.5 底盤域控

底盤域控制器是汽車電子電氣架構(gòu)中的一個(gè)核心控制單元，主要負(fù)責(zé)車輛底盤相關(guān)系統(tǒng)的集成控制，包括傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等。它是實(shí)現(xiàn)線控底盤運(yùn)算集成化的必要構(gòu)件，能夠?qū)崿F(xiàn)底盤傳感系統(tǒng)整合與信號(hào)融合，優(yōu)化整車功能安全等級(jí)與駕乘體驗(yàn)。底盤域控制器利用CAN網(wǎng)絡(luò)接收駕駛員的操縱指令或智能駕駛指令，以及同汽車動(dòng)態(tài)特征有關(guān)的所有傳感器的信息，同時(shí)同本域內(nèi)所有的執(zhí)行ECU通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，底盤域控制器運(yùn)行底盤最高層的控制策略和控制邏輯，包括駕駛員意圖識(shí)別，XYZ控制，故障診斷與降級(jí)處理等。底盤域控制可以進(jìn)行跨域融合，如和智駕域控制器融合，底盤域?qū)⑹占叫畔⑦M(jìn)行處理得到車輛狀態(tài)并上報(bào)給智駕域控制器，智駕域控制器做出控制決策，通過(guò)底盤域去控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如懸掛轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)，其原理如下圖3所示。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，隨著新能源汽車的普及，線控底盤技術(shù)也不斷普及，國(guó)內(nèi)很多主機(jī)廠都推出了自己線控底盤產(chǎn)品，如上汽智己車型上的靈蜥底盤、華為智界上的途靈底盤等。但是其普及仍面臨許多的困難與挑戰(zhàn)，如下。

冗余設(shè)計(jì)復(fù)雜，由于直接關(guān)系著車輛的駕駛安全，線控底盤需在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵環(huán)節(jié)部署多重冗余（如雙電源、雙傳感器系統(tǒng)），但冗余設(shè)計(jì)顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

高溫性能穩(wěn)定性，例如EMB依賴電機(jī)直接控制制動(dòng)器，但在高溫、高負(fù)荷工況下易出現(xiàn)性能衰減，影響制動(dòng)可靠性。

制造成本高，線控底盤部分零件其精度要求高，國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈尚未完全成熟，導(dǎo)致初期量產(chǎn)成本居高不下，所以目前只是高端車型上應(yīng)用。

集成度不足，各子系統(tǒng)（線控制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架）的協(xié)同控制需高度集成化，但現(xiàn)有解決方案仍存在軟硬件解耦不徹底、跨域協(xié)同效率低等問題，影響整車開發(fā)速度

法律法規(guī)的缺失，目前對(duì)線控底盤缺乏相應(yīng)的法律標(biāo)準(zhǔn)，例如，國(guó)內(nèi)乘用車線控轉(zhuǎn)向法規(guī)仍在討論中，預(yù)計(jì)2026年才能初步明確，制約了技術(shù)規(guī)?；涞?。

同時(shí)線控底盤技術(shù)是未來(lái)智能汽車和自動(dòng)駕駛技術(shù)的核心之一。隨著汽車行業(yè)向智能化、電動(dòng)化和自動(dòng)化方向發(fā)展，線控底盤的發(fā)展方向如下。

與自動(dòng)駕駛等進(jìn)行整合，線控底盤能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛提供必要的精確控制和高響應(yīng)速度以及更好的舒適性和安全性，未來(lái)更加緊密地整合，以實(shí)現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的自動(dòng)化操控。

更高的集成度，目前各子系統(tǒng)的集成度不夠，各模塊的協(xié)同控制比較困難，未來(lái)整個(gè)線控底盤將實(shí)現(xiàn)更高的集成度

智能化與云端連接，線控底盤系統(tǒng)未來(lái)可能會(huì)與車載智能系統(tǒng)及云端平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)信息的協(xié)同共享。

未來(lái)隨著智能汽車技術(shù)的不斷革新和應(yīng)用，線控底盤技術(shù)將會(huì)得到更多發(fā)展，同時(shí)也將會(huì)與智能駕駛技術(shù)深度融合，進(jìn)一步提升車的智能化水平和安全性能[5-6]。

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