引言

在當(dāng)今這個(gè)由科技驅(qū)動(dòng)的時(shí)代，汽車電動(dòng)化、智能化已成為汽車行業(yè)的熱門話題。特斯拉的自動(dòng)駕駛功能、蔚來(lái)的換電模式、以及比亞迪的刀片電池技術(shù)，這些創(chuàng)新不僅引領(lǐng)著市場(chǎng)趨勢(shì)，也推動(dòng)著消費(fèi)者對(duì)智能、環(huán)保出行方式的期待。

在這樣的背景下，線控技術(shù)（x-by-wire）作為智能汽車的核心技術(shù)之一，正迅速成為市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)最初在航空領(lǐng)域大放異彩，如今在汽車行業(yè)同樣展現(xiàn)出其革命性的潛力，為智能駕駛和電動(dòng)汽車提供了前所未有的控制精度和響應(yīng)速度。

線控技術(shù)的核心在于通過(guò)電子信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械或液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的精確控制。這種技術(shù)不僅極大提升了車輛的操控性能，更為實(shí)現(xiàn)全面智能化和自動(dòng)化駕駛鋪平了道路。

線控底盤，作為汽車線控技術(shù)的承載，涵蓋了驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架等多個(gè)系統(tǒng)，它們共同構(gòu)成了自動(dòng)駕駛的”基石“。

本文將深入探討線控底盤的縱向和橫向控制，從線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度控制，到線控制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力精確施加，再到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的敏捷響應(yīng)，我們將一一解析這些系統(tǒng)是如何提升汽車性能，增強(qiáng)駕駛體驗(yàn)，并為未來(lái)的自動(dòng)駕駛奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，我們也將審視線控技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向，以期為讀者提供一個(gè)全面的視角。

01  什么是線控底盤？

線控技術(shù)（x-by-wire），這一源自航空領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新，最初應(yīng)用于飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)（fly-by-wire）。

它的工作原理十分直觀：通過(guò)傳感器捕捉飛行員的操作動(dòng)作，這些動(dòng)作隨即被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子控制單元（ECU）的精確處理，最終傳遞至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的精準(zhǔn)控制。

這種技術(shù)，也被稱為電控技術(shù)，它利用精確的電子傳感器和執(zhí)行元件，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械或液壓系統(tǒng)。

應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)的汽車底盤系統(tǒng)，我們稱之為線控底盤。

在智能駕駛的場(chǎng)景中，車輛的感知模塊負(fù)責(zé)收集周圍環(huán)境的信息，決策規(guī)劃模塊根據(jù)這些信息做出任務(wù)決策，并規(guī)劃出車輛的最佳行駛軌跡。隨后，控制模塊便負(fù)責(zé)確保車輛嚴(yán)格遵循這一規(guī)劃軌跡行駛。

車輛執(zhí)行控制模塊發(fā)出的指令，主要涉及哪些方面呢？

圖1 線控底盤基本控制原理圖

答案包括加速、剎車、轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵操作，這些操作在車輛上體現(xiàn)為對(duì)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)的精確控制。為了進(jìn)一步提升車輛在行駛中的平順性和操控穩(wěn)定性，懸架系統(tǒng)的控制同樣不可或缺。

概括來(lái)說(shuō)，線控底盤的核心任務(wù)是對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。對(duì)于以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車，線控底盤還包括對(duì)檔位的控制。

線控底盤系統(tǒng)將傳統(tǒng)的機(jī)械操作轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，不僅提升了車輛的響應(yīng)速度和操控精度，也為智能駕駛和自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

接下來(lái)，我們將從汽車行駛縱向和橫向控制來(lái)對(duì)線控底盤系統(tǒng)的子系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

02  線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力汽車還是電動(dòng)汽車，線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心任務(wù)都是精確控制車輛的速度。而對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)而言，則是要控制輸出的功率。

如果我們駕駛的是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的汽車，我們希望控制車輛加速，是通過(guò)油門踏板將加速的意圖傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU。如果駕駛的是電動(dòng)汽車，則是通過(guò)加速踏板將信息傳遞給VCU。這里的“油門”踏板和“加速”踏板，其本質(zhì)都是傳感器，采集的是駕駛員的駕駛意圖，而踏板的開度和開度的變化率就分別對(duì)應(yīng)到“想要獲得什么樣的速度”和“期望多長(zhǎng)時(shí)間能夠達(dá)到這個(gè)速度”。

我們先看內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的汽車，線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是如何工作的。

1.傳統(tǒng)油門

在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車中，油門踏板通過(guò)一根鋼索或連桿與節(jié)氣門相連。當(dāng)駕駛員踩下油門，節(jié)氣門開度隨之變化，而安裝在節(jié)氣門上的空氣流量計(jì)檢測(cè)到進(jìn)氣量并傳遞給ECU。ECU根據(jù)進(jìn)氣量和車速等信息，計(jì)算出所需的噴油量，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。

圖2 傳統(tǒng)油門結(jié)構(gòu)示意圖（圖源網(wǎng)絡(luò)）

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，能夠快速響應(yīng)駕駛員的意圖。然而，它的缺點(diǎn)在于節(jié)氣門的開度完全由駕駛員主觀控制，沒有考慮到車輛的實(shí)際工況、道路條件或天氣因素，這可能導(dǎo)致油耗增加和排放污染。

2.電子節(jié)氣門

為了解決這個(gè)問(wèn)題，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

圖3 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)原理示意圖（圖源網(wǎng)絡(luò)）

電子節(jié)氣門取消了油門踏板和節(jié)氣門之間的機(jī)械連接，轉(zhuǎn)而采用位置傳感器來(lái)傳遞踏板位移信息給ECU。ECU再結(jié)合其他傳感器的信息，計(jì)算出最佳的節(jié)氣門開度，并驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制。這個(gè)過(guò)程形成了一個(gè)閉環(huán)控制，確保發(fā)動(dòng)機(jī)以最高效的方式運(yùn)行，同時(shí)減少了油耗和排放。

圖4 電子節(jié)氣門控制原理示意圖

電子節(jié)氣門技術(shù)已經(jīng)非常成熟，幾乎完全取代了傳統(tǒng)油門系統(tǒng)，市場(chǎng)占有率達(dá)到了99%以上。

3.加速踏板

在電動(dòng)汽車上，加速控制本質(zhì)上就是“線控”。當(dāng)駕駛員踩下加速踏板，整車控制器根據(jù)各傳感器輸入信號(hào)判斷車輛當(dāng)前工況并決策驅(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（MCU），電機(jī)控制器根據(jù)接收到指令對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

圖5 加速踏板工作原理示意圖

線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)被認(rèn)為是線控底盤技術(shù)中最成熟的技術(shù)之一，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。隨著電氣化水平的提升，線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)預(yù)計(jì)將由集中式驅(qū)動(dòng)向分布式驅(qū)動(dòng)發(fā)展，以滿足未來(lái)智能汽車的需求。

03 線控制動(dòng)系統(tǒng)

線控制動(dòng)的核心也是對(duì)車輛的速度控制，通過(guò)控制施加在車輪上的制動(dòng)力來(lái)控制車輪轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制車速的目的。

那么施加在車輪上的制動(dòng)力又是從何而來(lái)呢？

1.機(jī)械液壓制動(dòng)到電子液壓助力的演進(jìn)

最原始的制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)力幾乎完全來(lái)自于“人力”——駕駛員操縱一組簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置向制動(dòng)器直接施加作用力。但隨著汽車越來(lái)越重，單純依賴“人力”的機(jī)械制動(dòng)已經(jīng)無(wú)法滿足基礎(chǔ)制動(dòng)需求，人們希望能在制動(dòng)的時(shí)候施加一些“助力”。

早期的助力是采用真空助力的方式，整個(gè)系統(tǒng)包括真空助力器+液壓制動(dòng)系統(tǒng)，即機(jī)械液壓制動(dòng)。駕駛員踩下制動(dòng)踏板，通過(guò)杠桿作用，踏板力經(jīng)過(guò)第一級(jí)放大傳遞到真空助力器；真空助力器經(jīng)第二級(jí)放大，將制動(dòng)力傳遞到主缸；主缸的制動(dòng)液被推入輪缸，并在壓強(qiáng)的作用下產(chǎn)生更大的制動(dòng)力。制動(dòng)力推動(dòng)輪端卡鉗加緊制動(dòng)盤阻礙剎車盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的制動(dòng)。

圖6 傳統(tǒng)燃油車制動(dòng)系統(tǒng)能量傳輸示意圖

在這一時(shí)期，隨著對(duì)制動(dòng)性能、安全性要求的提高，基于液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合電子控制技術(shù)，出現(xiàn)了一系列電子輔助制動(dòng)系統(tǒng)，包括有解決制動(dòng)時(shí)車輪抱死問(wèn)題的ABS、解決驅(qū)動(dòng)工況下穩(wěn)定性問(wèn)題的TCS、解決車輛側(cè)向穩(wěn)定性問(wèn)題的VDC。

ESP是由博世推出的集成了ABS、TCS和VDC功能的產(chǎn)品，在1995年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)及首次應(yīng)用。隨后其他廠家也陸續(xù)推出類似的產(chǎn)品，統(tǒng)稱為電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)ESC。當(dāng)前市場(chǎng)上的ESC系統(tǒng)除了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性控制功能外，還提供一系列輔助駕駛功能，下表為ESC包含的部分功能。

圖7 傳統(tǒng)燃油車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（圖源網(wǎng)絡(luò)）

總而言之，汽車制動(dòng)系統(tǒng)到此演進(jìn)為“真空助力+ESP”的方案。

2.電機(jī)助力eBooster的突破

傳統(tǒng)的機(jī)械液壓制動(dòng)系統(tǒng)真空助力器的真空源來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)。

而在電動(dòng)汽車或者是增程式混動(dòng)汽車上，一方面，由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)不持續(xù)工作，依賴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生真空源的真空助力器的使用受到了限制。另一方面，由于動(dòng)力電池的存在以及節(jié)能的需求，新能源汽車需要通過(guò)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

傳統(tǒng)的依賴發(fā)動(dòng)機(jī)真空源的助力器已很難滿足工作要求。

因此出現(xiàn)了兩種解決方案：

電子真空助力

第一種方案是采用電子真空泵來(lái)保證真空助力器的真空環(huán)境。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是維持真空+液壓為主體的結(jié)構(gòu)，技術(shù)成熟且成本較低；能夠采用12V的車載電源，現(xiàn)有的車輛電路系統(tǒng)滿足要求。缺點(diǎn)是性能相對(duì)較差，噪音大，并且故障率高。同時(shí)這種方案依然是機(jī)械傳動(dòng)，而非線控系統(tǒng)，不能滿足汽車智能駕駛輔助功能如ADAS等的需求。

電機(jī)助力

第二種方案是采用電機(jī)助力的方式，完全放棄了真空助力，而采用電機(jī)+減速器替代了真空泵和真空助力器。

最早的電機(jī)助力的產(chǎn)品是由博世推出的，命名為iBooster。

在博世以后，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上又涌現(xiàn)了出了電動(dòng)助力器產(chǎn)品，各個(gè)廠家對(duì)其命名各異，但統(tǒng)稱eBooster。

iBooster利用傳感器感知駕駛者踩下制動(dòng)踏板的力度和速度，并將信號(hào)處理之后傳給電控單元，電控單元計(jì)算出所需的制動(dòng)力，并將信號(hào)傳遞至伺服電機(jī)，伺服電機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的扭矩，并在機(jī)電放大機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，推動(dòng)制動(dòng)主缸內(nèi)的制動(dòng)液，從而形成制動(dòng)力達(dá)到制動(dòng)效果。

圖8 電機(jī)助力制動(dòng)系統(tǒng)能量傳遞示意圖

在這個(gè)方案中，通過(guò)對(duì)電機(jī)的線控，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)力的精準(zhǔn)輸出。

圖9 博世第二代iBooster

3.電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)之Two-box與One-box

由于制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)依然是采用的液壓傳動(dòng)的方式，這類電機(jī)助力制動(dòng)系統(tǒng)被稱為電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)EHB（electro hydraulic brake system）。

根據(jù)助力系統(tǒng)與ESP的集成部不同，EHB又有Two-box和One-box兩種方案。

Two-box方案

 圖10 Two-box系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Two-box方案中，iBooster與ESP是兩個(gè)獨(dú)立的模塊，兩種協(xié)同工作，其原理如下：

 iBooster與ESP共用一套液壓系統(tǒng)，包括制動(dòng)主缸、制動(dòng)管路、制動(dòng)油壺等。

 iBooster的助力電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞運(yùn)動(dòng)，使油壺中的制動(dòng)液流入主缸管路并進(jìn)入ESP進(jìn)液閥，經(jīng)ESP流入四個(gè)輪缸，從而建立制動(dòng)力。

當(dāng)iBooster不工作時(shí)，ESP也可以獨(dú)立控制制動(dòng)液從主缸流入輪缸，從而建立制動(dòng)力。

 iBooster建壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比ESP主動(dòng)建壓快，且NVH表現(xiàn)更好，因此在這個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)方案中，iBooster使主執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

從上述Two box的工作原理可以看出，Two box方案除了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)助力和穩(wěn)定性控制外，iBooster與ESP互為冗余，一旦iBooster失效，ESP系統(tǒng)將接管并提供制動(dòng)助力；即便是在在兩者都失效的情況下，駕駛員仍然可以通過(guò)純液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)。

另外，iBooster與ESP還能在實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的同時(shí)協(xié)調(diào)配合，保證在電制動(dòng)和液制動(dòng)的切換中實(shí)現(xiàn)駕駛員的踏板感一致。

圖11 兩級(jí)失效保護(hù)

但，由于iBooster的助力器與制動(dòng)踏板沒有完全解耦，機(jī)械上還是直接連接的，當(dāng)智能駕駛系統(tǒng)請(qǐng)求制動(dòng)控制時(shí)，在駕駛員無(wú)干預(yù)的情況下，制動(dòng)踏板會(huì)根據(jù)減速度大小而動(dòng)態(tài)升降，這樣有可能會(huì)出現(xiàn)夾腳的問(wèn)題。

另外，踏板感的調(diào)教需要在項(xiàng)目開發(fā)前期考慮制動(dòng)器的需液量、主缸大小、踏板的杠桿比、助力器的助力比、起始力等，相關(guān)機(jī)械件一旦確定后，踏板感就無(wú)法更改。并且，不同車輛需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，費(fèi)錢費(fèi)力。

同時(shí)，L2及以下的智能輔助駕駛系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)沒有冗余需求，對(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)的需要主要是高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及制動(dòng)能量回收功能，在這種情況下，two box方案的成本與體積都不具優(yōu)勢(shì)。

One-box方案

在此背景下，博世將iBooster與ESC集成為一體，推出智能集成制動(dòng)系統(tǒng)IPB（integrated power brake），這就是業(yè)內(nèi)常說(shuō)的EHB的另一個(gè)方案——One box方案。

 

圖12 One-box系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

One box方案與Two box方案相比，制動(dòng)助力都是由電機(jī)提供，主要的差異在于one box中制動(dòng)踏板與助力器完全解耦。

以博世的IPB為例，IPB制動(dòng)系統(tǒng)主要由以下部分組成：制動(dòng)踏板、制動(dòng)主缸、踏板模擬器，建壓部分以及壓力調(diào)節(jié)部分。

IPB的工作原理分兩種情況，一種是正常工作狀態(tài)，另一種是助力失效狀態(tài)。

正常工作狀態(tài)

正常工作時(shí)，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，推桿推動(dòng)IPB內(nèi)部的主缸主腔活塞，制動(dòng)液進(jìn)入踏板模擬器模塊，此時(shí)主缸主腔和副腔通向輪端的電磁閥關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)解耦。與此同時(shí)，IPB的ECU通過(guò)檢測(cè)到推桿處的踏板位移信號(hào)，按照預(yù)先標(biāo)定好的踏板位移-制動(dòng)系統(tǒng)壓力曲線控制內(nèi)部電機(jī)建壓，從而產(chǎn)生車輛減速度。

圖13 IPB工作原理示意圖（圖源：Integrated Power Brake – modular set extension for highly automated driving）

助力失效狀態(tài)

當(dāng)斷電等情況造成助力失效時(shí)，IPB進(jìn)入機(jī)械backup模式，通往踏板模擬器的電磁閥1關(guān)閉，電機(jī)通往輪端的電磁閥4、5也關(guān)閉，主缸主腔和副腔通往輪端的電磁閥2、3打開。駕駛員踩踏板建立的壓力直接進(jìn)入輪缸從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速，根據(jù)法規(guī)要求，當(dāng)駕駛員輸入500Nm的踏板力時(shí)，IPB系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生≥2.44m/s2的制動(dòng)減速度。

根據(jù)GB/T 40429-2021《汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)》文件可知，在L3及之前，制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障后進(jìn)入back-up模式，要求駕駛員接管車輛。而在里L(fēng)4和L5，制動(dòng)系統(tǒng)失效后的車輛狀態(tài)由車輛控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)，這就意味著，原本由駕駛員接管并完成的動(dòng)作，需要全部由系統(tǒng)來(lái)完成。這就需要L4、L5智能駕駛汽車的制動(dòng)系統(tǒng)需要有冗余備份控制單元。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，博世提出了一個(gè)冗余制動(dòng)單元RBU（redundant brake unit）作為IPB的補(bǔ)充，即IPB作為主要的制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行正常情況下的制動(dòng)請(qǐng)求，RBU作為IPB失效情況下的冗余制動(dòng)，代替駕駛員操作。

圖14 RBU工作原理示意圖（圖源：Integrated Power Brake – modular set extension for highly automated driving）

無(wú)論是Two box方案還是One box 方案，都是對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸入端進(jìn)行的線控改進(jìn)，而制動(dòng)執(zhí)行單元仍然保留液壓系統(tǒng)，所以這兩類方案被統(tǒng)稱為電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)EHB（electro-hydraulic brake）。

另外根據(jù)法規(guī)要求，乘用車在電子助力失效的情況下，機(jī)械部件仍然要保證駕駛員在用500Nm踩制動(dòng)踏板時(shí)能產(chǎn)生2.44m/s2的減速度，因此當(dāng)前的EHB系統(tǒng)都保留了機(jī)械備份。這使得EHB系統(tǒng)被認(rèn)為并非“完全“的線控系統(tǒng)。

4.電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)EMB（elecro-mechanical brake）

EMB與EHB最大的區(qū)別在于取消了制動(dòng)液壓系統(tǒng)，制動(dòng)力矩完全是由四個(gè)輪端電機(jī)驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)卡鉗產(chǎn)生，并且制動(dòng)踏板與制動(dòng)系統(tǒng)之間也實(shí)現(xiàn)機(jī)械解耦，所有信號(hào)都通過(guò)電信號(hào)來(lái)傳遞，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“線控“制動(dòng)。

圖15 EMB結(jié)構(gòu)示意圖

相比EHB，EMB完全取消液壓制動(dòng)裝置，降低主機(jī)廠的裝配成本，且支持軟硬件解耦。

簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，使得EMB的體積更小，也能為整車節(jié)省安裝布置空間及減少10%的重量。

EMB通過(guò)電信號(hào)可直接控制輪端電驅(qū)制動(dòng)器，將汽車制動(dòng)響應(yīng)速度從150毫秒左右，縮減至80毫秒，大幅提升汽車行駛安全性。

雖然EMB有很多優(yōu)勢(shì)，但高度線控化也對(duì)EMB的可靠性提出了更高的要求，例如：

制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輪端集成了電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、減速模塊、傳感器等，車輛運(yùn)行時(shí)車輪的震動(dòng)、制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高溫、以及雨水灰塵的腐蝕都對(duì)相關(guān)元器件的性能提出更高要求。

輪端制動(dòng)需要更大的制動(dòng)力，需要制動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生足夠的功率，而輪側(cè)空間有限，這就需要電機(jī)以較小的體積產(chǎn)生較大的功率，同時(shí)需要48V或更高電壓來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

EMB沒有機(jī)械冗余，當(dāng)系統(tǒng)線路短路或電源故障，如何滿足失效備份的法規(guī)要求。

目前EMB系統(tǒng)尚未成熟，其量產(chǎn)應(yīng)用面臨著技術(shù)和工程上的諸多難題。根據(jù)高工智能汽車調(diào)研，預(yù)計(jì)最快在2026年實(shí)現(xiàn)在高端車型上的小批量量產(chǎn)。

04 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)控制車輛橫向運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，直接影響車輛的操作穩(wěn)定性與安全性，在駕駛過(guò)程中至關(guān)重要。

與汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)一樣，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也經(jīng)歷了由純機(jī)械轉(zhuǎn)向到機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向、電子液壓助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、線控轉(zhuǎn)向的歷程。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向是當(dāng)前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，線控轉(zhuǎn)向是未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。

機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理很好理解，由包括方向盤、轉(zhuǎn)向管柱的轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橫拉桿等）三大部分。

圖16 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（圖源網(wǎng)絡(luò)）

駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，通過(guò)轉(zhuǎn)向管柱傳遞到轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器將轉(zhuǎn)向力放大后，再通過(guò)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞，推動(dòng)車輪偏轉(zhuǎn)，從而改變汽車行駛方向。

顯然這個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)費(fèi)人力，穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和安全性都無(wú)法保證。

于是，人們想到給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)添加”助力“。

1.機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向（HPS）

最早出現(xiàn)的助力方式是機(jī)械液壓助力（HPS），在原來(lái)的系統(tǒng)上增加了轉(zhuǎn)向助力泵、三通轉(zhuǎn)向控制閥、可左右移動(dòng)的液壓缸、儲(chǔ)油罐等。

 圖17 機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向HPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)向助力泵由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向助力泵維持運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，方向盤帶動(dòng)三通轉(zhuǎn)向控制閥的開閉，控制液壓油的流動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于助力泵是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)，那么只要發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，助力泵將一直工作，持續(xù)消耗能量。并且方向盤到前輪的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比固定不變，無(wú)法兼顧車輛在低速和高速時(shí)的轉(zhuǎn)向特性。

2.電子液壓助力轉(zhuǎn)向（EHPS）

EHPS系統(tǒng)是在HPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，將轉(zhuǎn)向助力泵的動(dòng)力來(lái)源由發(fā)動(dòng)機(jī)改為電動(dòng)機(jī)，同時(shí)增加車速傳感器、方向盤扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向助力 ECU等。

圖18 電子液壓助力轉(zhuǎn)向EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

EHPS的助力原理與HPS基本相同，通過(guò)引入車速傳感器等信號(hào)判斷車輛行駛速度，借助電磁閥控制轉(zhuǎn)向助力大小，使之可以根據(jù)車速變化，這在一定程度上滿足了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速時(shí)的操作靈活性要求，又提高了高速時(shí)的穩(wěn)定性。

3.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了液壓系統(tǒng)，而是采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。主要部件有電控單元、車速傳感器、扭矩傳感器、電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、離合器、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

 

圖19 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

EPS的工作原理比較好理解，通過(guò)車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量、電機(jī)位置等傳感器信號(hào)，電子控制單元（ECU）可以做出更加優(yōu)化的決策，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向以及工作電流，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向助力的大小和方向。這進(jìn)一步保證了車輛在低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，高速時(shí)，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定、路感明確。

根據(jù)助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的布置位置，EPS又分轉(zhuǎn)向管柱助力式（C-EPS）、齒輪助力式（PE-EPS）、雙齒輪助力式（DP-EPS）、齒條助力式（R-EPS）等。

值得一提的是，EPS通過(guò)電機(jī)已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)智能駕駛系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向的精準(zhǔn)控制，所以雖然有機(jī)械連接，但業(yè)內(nèi)也認(rèn)為EPS已經(jīng)是一定程度上的線控產(chǎn)品。并且，由于駕駛員輸入端與執(zhí)行端的機(jī)械連接，當(dāng)電動(dòng)助力失效時(shí)，仍然可以通過(guò)人力來(lái)控制方向，提供安全備份。

那為什么還會(huì)有發(fā)展SBW的需求呢？

汽車智能化的發(fā)展要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠不依賴人力，根據(jù)算法獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)要求響應(yīng)時(shí)間更短，轉(zhuǎn)向更加精準(zhǔn)。

雖然EPS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分的線控，但是其本質(zhì)上依然是助力系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向信號(hào)是來(lái)自于人力。另外受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致安裝空間、力傳遞特性、角傳遞特性等因素，EPS是難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛所要求的特性。

4.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（steering by wire）

與EPS相比，SBW最顯著的特征是去掉了從方向盤到轉(zhuǎn)向執(zhí)行器之間的機(jī)械連接，完全由信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的信息傳遞和控制。

圖20 SBW原理示意圖（圖源網(wǎng)絡(luò)）

SBW通常由路感反饋總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、控制器以及相關(guān)傳感器組成。

圖21 線控轉(zhuǎn)向組成結(jié)構(gòu)示意圖

路感反饋總成：由方向盤、扭矩轉(zhuǎn)角傳感器、路感電機(jī)、減速器等組成。路感反饋總成通過(guò)檢測(cè)方向盤的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩，將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并傳遞給線控轉(zhuǎn)向控制器；同時(shí)，路感反饋總成接收線控轉(zhuǎn)向控制器反饋的力矩信號(hào)，產(chǎn)生方向盤的回正力矩，為駕駛員提供合適的路感。

線控轉(zhuǎn)向控制器：是線控轉(zhuǎn)向的核心，主要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。這里的控制指令包括路感反饋控制指令與轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制指令。

轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成：轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的作用是實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，由轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向ECU、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、車輪轉(zhuǎn)向組件等組成。轉(zhuǎn)向ECU接收到SBW控制器的指令，通過(guò)轉(zhuǎn)向電機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

由于方向盤與轉(zhuǎn)向執(zhí)行器之間完全機(jī)械解耦，轉(zhuǎn)向執(zhí)行器接收到的轉(zhuǎn)向信號(hào)是來(lái)源于SBW控制器的控制算法，而SBW控制器輸出的轉(zhuǎn)向信號(hào)是依據(jù)輸入的駕駛意圖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是通過(guò)方向盤扭矩轉(zhuǎn)角信號(hào)獲得的駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向需求，也可以是脫離方向盤的智能駕駛系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向要求。

相比于當(dāng)前主流的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，線控轉(zhuǎn)向具有響應(yīng)靈敏度更好、智駕功能拓展性更高等優(yōu)勢(shì)；線控轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)了駕駛員操作與車輛運(yùn)動(dòng)的解耦，可提高緊急轉(zhuǎn)向操作的正確性和安全性；另外，方向盤與執(zhí)行器的機(jī)械解耦意味著可以釋放更多的前排腿部空間，傳統(tǒng)機(jī)械式方向盤可以靈活的物理伸縮，以滿足從手動(dòng)到自動(dòng)駕駛的空間轉(zhuǎn)換。

與線控制動(dòng)技術(shù)類似，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的大批量推廣還有一些問(wèn)題需要解決。

首先是可靠性與安全性問(wèn)題，所有的控制都通過(guò)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)，那么如何確保電子部件發(fā)生故障后，系統(tǒng)仍然具備基本轉(zhuǎn)向功能。

其次，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)地模擬路感，以便駕駛員感知實(shí)際行駛狀況和路面狀況，這對(duì)算法性能提出了較高的要求。

此外，線控轉(zhuǎn)向?qū)D(zhuǎn)向電機(jī)的功率、對(duì)傳感器的精度要求高，如何平衡成本也是需要解決的問(wèn)題之一。

根據(jù)高工智能其次研究院監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2022年1-8月中國(guó)市場(chǎng)乘用車EPS前裝搭載率為98.71%。而線控轉(zhuǎn)向產(chǎn)品仍處于研發(fā)或小批量應(yīng)用階段。最早的量產(chǎn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是2015年英菲尼迪Q50搭載的DAS線控轉(zhuǎn)向，DAS線控轉(zhuǎn)向?qū)儆跈C(jī)械冗余線控路線。

2022年豐田推出的純電動(dòng)車bZ4X搭載了One Motion Grip線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，無(wú)機(jī)械備份，方向盤通過(guò)電線和電子系統(tǒng)連接到前輪。豐田的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括方向盤位置的轉(zhuǎn)向扭矩執(zhí)行器和轉(zhuǎn)向軸位置的轉(zhuǎn)向控制執(zhí)行器組成。一方面方向盤扭矩和方向盤角度信號(hào)作為轉(zhuǎn)向控制的核心輸入量，與可變轉(zhuǎn)向齒比功能結(jié)合計(jì)算出目標(biāo)前輪角度控制變量，送入轉(zhuǎn)向控制執(zhí)行器當(dāng)中的角度反饋控制器，基于前輪角度和電機(jī)電流進(jìn)行精準(zhǔn)控制。另一方面，前輪角度和電機(jī)電流又作為路面信息送回方向盤執(zhí)行器產(chǎn)生轉(zhuǎn)向反饋力。

同時(shí)為了確保安全性，這套線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又一個(gè)完整的備用控制器和線路。在一套系統(tǒng)故障失去功能的情況下，另一套系統(tǒng)可有效接管并執(zhí)行必要的轉(zhuǎn)向操作。

圖22 豐田One Motion Grip線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

05 總結(jié)

線控技術(shù)在底盤上各子系統(tǒng)的應(yīng)用成熟度和滲透率存在很大差異。

線控驅(qū)動(dòng)/油門技術(shù)已相對(duì)成熟并廣泛應(yīng)用。

線控制動(dòng)技術(shù)中的EHB的One-box方案也趨于成熟，預(yù)計(jì)到2025年one-box在EHB搭載量中的占比將達(dá)到90%。而適用于高級(jí)別自動(dòng)駕駛的EMB產(chǎn)品還未見大批量量產(chǎn)產(chǎn)品，因此也稱為國(guó)內(nèi)外企業(yè)競(jìng)相布局的熱門領(lǐng)域。

線控轉(zhuǎn)向領(lǐng)域的EPS已達(dá)到98.71%的前裝搭載率，隨著底盤智能化需求的驅(qū)動(dòng)和政策端的刺激，SBW的普及速度正在加快。在線控轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)部分廠商已經(jīng)有一定的積累。