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博世推新一代高可靠性動(dòng)力總成系統(tǒng)

2019-12-11 20:35:58·  來源：汽車與新動(dòng)力  
　
據(jù)博世公司預(yù)測(cè)，至2020年針對(duì)自動(dòng)駕駛的往返班車和出租車的需求會(huì)有所增長。該公司為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，開發(fā)了一種可縮放且具有較高可靠性的動(dòng)力總成系統(tǒng)方案。本
據(jù)博世公司預(yù)測(cè)，至2020年針對(duì)自動(dòng)駕駛的往返班車和出租車的需求會(huì)有所增長。該公司為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，開發(fā)了一種可縮放且具有較高可靠性的動(dòng)力總成系統(tǒng)方案。本文介紹了該類動(dòng)力總成系統(tǒng)及其后續(xù)備份部件的開發(fā)流程。
 
1 初始狀況
 
不斷增長的交通運(yùn)輸需求以及城市化的發(fā)展需要全新的機(jī)動(dòng)化方案。羅伯特·博世公司以未來機(jī)動(dòng)化場景為題的內(nèi)部市場分析表明，直至2030年市內(nèi)自動(dòng)駕駛往返班車（UAS）和市內(nèi)自動(dòng)駕駛出租車（UAT）的保有量將顯著增長（圖1和圖2）。同樣，根據(jù)Roland Berger公司的研究預(yù)測(cè)，至2030年私人轎車的行駛里程所占比重將降低約28%，而UAT的行駛里程份額將增加約27%，因此在未來機(jī)動(dòng)化場景中全自動(dòng)駕駛車輛將充當(dāng)關(guān)鍵的角色。
圖1 UAS班車和UAT出租車
圖2 市內(nèi)全自動(dòng)駕駛往返班車和出租車的市場分析
由此產(chǎn)生的新型車輛方案需滿足不斷增長的可靠性和可用性要求，還可能由此出現(xiàn)全新的運(yùn)行特征，在此類情況下容許通過故障系統(tǒng)和部件以替代駕駛員實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。博世公司開發(fā)了滿足相應(yīng)要求的可縮放且容許發(fā)生故障的驅(qū)動(dòng)方案，并將其用于全自動(dòng)駕駛車輛。本文簡要介紹了這種方案，并對(duì)具體實(shí)例作了說明。首先考察了調(diào)整車輛的相關(guān)需求，這些需求引領(lǐng)著未來對(duì)這種驅(qū)動(dòng)裝置提出的技術(shù)要求。
 
2 法規(guī)要求
 
鑒于當(dāng)今駕駛員的職責(zé)，在車輛失靈的情況下需保護(hù)車輛及其乘客和周圍交通環(huán)境，同時(shí)容許車輛停留在機(jī)動(dòng)車道上。優(yōu)秀的駕駛員通常能意識(shí)到潛在危險(xiǎn)，并能針對(duì)整個(gè)交通環(huán)境狀況選擇當(dāng)前最適宜的操控行為，同時(shí)按照其主觀判斷盡可能快地將車輛駛離繁忙的交通區(qū)域。遵照德國和已在許多其他國家生效的道路交通法規(guī)（StVO），駕駛員在此類情況下有義務(wù)適當(dāng)確保車輛的安全，同時(shí)將其他隨車人員面臨的危險(xiǎn)降低到最低程度。
但是，SAE 5級(jí)全自動(dòng)駕駛車輛的行駛過程無需依賴駕駛員，因此在發(fā)生故障的情況下車輛需自行進(jìn)入以確保乘客和其他車輛的安全狀態(tài)。
 
進(jìn)一步的法規(guī)要求還需考慮到容許的偏差規(guī)定。目前尚不存在可用于UAT和專用低速行駛（最高車速 25 km/h）往返班車（受限制的市內(nèi)自動(dòng)行駛班車，UAS-R）的規(guī)章。后一類車輛尚難以歸入歐共體（EG）車輛類型中，因此其技術(shù)規(guī)格無法直接從車型許可規(guī)程中推導(dǎo)出來，不得不作出相應(yīng)的假設(shè)。
 
3 未來安全性等級(jí)的衡量方法
 
為了能更好地推導(dǎo)出未來車輛層面安全性的要求，博世公司已開發(fā)出一種被稱為安全停車等級(jí)（SSL）的全新衡量方法。這種等級(jí)定義一方面可為車輛盡力爭取安全的停車地點(diǎn)，另一方面是其具有額外的特性參數(shù)例如故障情況下必需的車輛性能（例如最低車速或最小加速度）。圖3示出了通過所定義的SSL以衡量全新的安全性目標(biāo)。
圖3 借助于SSL衡量新的安全性目標(biāo)
 
基于相關(guān)層面上最重要的區(qū)分標(biāo)志是預(yù)設(shè)的安全停車地點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前的安全目標(biāo)開始采取緊急制動(dòng)（SSL G），直至最初選擇的行駛目標(biāo)（SSL A）。除了停車位置之外，圖2還通過圖示說明了參與車輛運(yùn)動(dòng)所必需的驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)3個(gè)行車子系統(tǒng)的功能，同時(shí)還通過示意圖表示了當(dāng)前每個(gè)層面所必需的能量。在緊急制動(dòng)（SSL G）情況下利用了容許發(fā)生故障的制動(dòng)系統(tǒng)，以此使車輛進(jìn)入停車狀態(tài)，而為了達(dá)到行駛目的地（SSL A）則必須有足夠的剩余能量以及具有高可靠性的驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)子系統(tǒng)可供使用。
 
首次發(fā)生故障時(shí)仍需使車輛順利行駛至安全地點(diǎn)，這是當(dāng)前所重點(diǎn)研討的論題。為了能滿足高于SSLE的安全停車等級(jí)，需開發(fā)具有較高可靠性的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和部件。
 
4 對(duì)高可靠性動(dòng)力總成系統(tǒng)的要求
 
為了設(shè)計(jì)出一種合適的汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)方案，通常需為提高可靠性而采取各種不同的措施（圖4），這些措施通常包括工藝措施，以排除開發(fā)和生產(chǎn)差錯(cuò)以提高可靠性。因?yàn)樵谑褂脡勖趦?nèi)部分具有磨損特性的部件呈現(xiàn)出相對(duì)較低的可靠性，因此例如基于預(yù)防性而更換零件的維護(hù)保養(yǎng)措施也是該方案的重要組成部分。一些外部措施，例如專用的相互作用系統(tǒng)或預(yù)警系統(tǒng)在發(fā)生車輛事故情況下可通過路旁電子顯示屏而臨時(shí)關(guān)閉高速公路車道，也會(huì)以此明顯影響未來的技術(shù)要求。諸如針對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的超耐熱設(shè)計(jì)等其他方面的措施都會(huì)引起更高的部件成本、尺寸質(zhì)量以及更高的結(jié)構(gòu)空間需求，為此應(yīng)盡量避免。本文重點(diǎn)關(guān)注了“系統(tǒng)備份”和“部件備份”兩方面的處理方法。
圖4 提高可靠性可能采取的措施
 
5 高可靠性動(dòng)力總成系統(tǒng)的布局
 
從各種不同的使用情況、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備制造商（OEM）和市場中推斷出相關(guān)技術(shù)要求。為了滿足上述要求，可選用多種不同的技術(shù)手段，由此足以獲得整個(gè)備份系統(tǒng)的布局，從而使成本降至最低，這類布局建立在備份部件的基礎(chǔ)上。借助于形態(tài)學(xué)可實(shí)現(xiàn)多種多樣的潛在方案，圖5示范性地示出了3種備選方案。
圖5 3種高可靠性的動(dòng)力總成系統(tǒng)示范性布局方案
 
（EM=電機(jī)； INV=換流器； DIF=差速器； HV=高電壓）
 
一種備選方案是以具有內(nèi)部備份的電機(jī)（雙重三相方案）和一個(gè)具有高可靠性的換流器為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)（圖5布局 1）。例如，如果在蓄電池先發(fā)生故障的情況下還應(yīng)具有在故障狀態(tài)下運(yùn)行的能力，由此可使用圖4中的布局 2。另一種可在故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行的方式是使用系統(tǒng)層面上完整的備份部件（圖4布局 3），此時(shí)兩套驅(qū)動(dòng)裝置可使用相同的部件（相同備份），或者應(yīng)用不同技術(shù)或不同設(shè)計(jì)方法的部件（不同備份）。圖5中的布局 3也可滿足較高的實(shí)用性要求，圖6中示出了一種基于此條件的替代方案（布局 4），其是以具有高可靠性的電機(jī)為基礎(chǔ)的。汽車電路中的每套動(dòng)力牽引裝置具有獨(dú)立的能源和功率電子器件，并且通過六相中的三相為一個(gè)帶有傳統(tǒng)逆變器的異步電機(jī)或同步電機(jī)供電。為了避免單點(diǎn)故障，兩套備份系統(tǒng)不應(yīng)共用部件，這就意味著每個(gè)逆變器和每個(gè)蓄電池都應(yīng)具有其自身的電控單元，兩套分開的電系統(tǒng)中的每一套系統(tǒng)都應(yīng)為降級(jí)運(yùn)行而具備必要的扭矩和功率，由此某套子系統(tǒng)若發(fā)生故障就會(huì)被切斷。與布局 3相比，可省去第二個(gè)變速器，動(dòng)力總成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就會(huì)更為簡易。
圖6 具有高可靠性的動(dòng)力總成系統(tǒng)布局建議方案（縮寫同圖4）
 
6 用于班車的高可靠性動(dòng)力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
一個(gè)具體的解決方案是可縮放的模塊化48 V動(dòng)力總成系統(tǒng)，該系統(tǒng)一方面可用于在空間受限制的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低速行駛的UAS-R型班車，另一方面可用于以較高速度行駛的小型簡易UAT出租車。
 
這種動(dòng)力總成系統(tǒng)最多由兩個(gè)電動(dòng)車橋組成，其又各自配裝1～2個(gè)電機(jī)（圖7左圖）。這種方案的主要特點(diǎn)是變速器方案靈活高效，并在差速器后可選用行星齒輪組，因此從700 kg直至更大質(zhì)量以及在最高車速20～120 km/h的車型都能采用相同的中央主變速器驅(qū)動(dòng)，以便在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)尺寸縮放效果。
圖7 用于UAS-R和簡易UAT的高可靠性動(dòng)力總成系統(tǒng)的可縮放模塊化方案
 
根據(jù)使用情況可相應(yīng)采用1～2個(gè)電動(dòng)車橋，而每個(gè)車橋最多使用2個(gè)電機(jī)，這就能確保安裝功率具有足夠的縮放性以及不同電機(jī)的靈活性。
在一個(gè)研究項(xiàng)目框架中已開發(fā)并制造出了一種具體車型，同時(shí)為UAS-R班車使用場合配備了2個(gè)對(duì)稱的車橋，其各自安裝了2個(gè)相同的電機(jī)，這種車橋設(shè)計(jì)示于圖7右圖。除了電機(jī)和帶有附加行星齒輪組之外，其還在電機(jī)與變速器之間配備了離合器和失效保護(hù)制動(dòng)器。
 
7 結(jié)論
隨著全自動(dòng)車輛技術(shù)的突飛猛進(jìn)，對(duì)車輛每個(gè)系統(tǒng)和部件的可靠性和實(shí)用性提出了新要求，而上述系統(tǒng)和部件是在發(fā)生故障時(shí)可使車輛成功過渡到安全狀態(tài)，本文據(jù)此討論了對(duì)未來車輛動(dòng)力總成系統(tǒng)的要求。
 
本文討論了不同的高可靠性動(dòng)力總成系統(tǒng)布局以及在發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)所面臨的各類現(xiàn)象。為了在低速行駛的UAS-R班車上使用，已開發(fā)出了一種可縮放的電動(dòng)車橋。通過其縮放性，相關(guān)系統(tǒng)可有效適用于不同等級(jí)和使用情況的自動(dòng)化車輛，例如UAT出租車和UAS-R班車。以此能降低小批量生產(chǎn)的成本，其能將相同的部件應(yīng)用于不同的用途。
 
【德】 A.KILIC等
【翻譯】范明強(qiáng)
【編輯】伍賽特
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