五部門關(guān)于開(kāi)展2024年新能源汽車下鄉(xiāng)活動(dòng)的通知
干貨!分析汽車線控技術(shù)
干貨!分析汽車線控技術(shù)對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車的控制人們常有很多疑問(wèn)。比如轉(zhuǎn)向,具體跟車輛的交互,是傳入轉(zhuǎn)向角度還是力度?剎車制動(dòng)是由 IPC 告訴硬件多少力度呢,還是智能到具體的制動(dòng)百分
日產(chǎn)旗下的英菲尼迪 Q50 是首批使用線控轉(zhuǎn)向的量產(chǎn)車輛線控轉(zhuǎn)向也已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用,這就是日產(chǎn)旗下的英菲尼迪 Q50。實(shí)際目前的電子助力轉(zhuǎn)向(EPS)非常接近線控轉(zhuǎn)向了。EPS與線控轉(zhuǎn)向之間的主要差異就是線控轉(zhuǎn)向取消了方向盤與車輪之間的機(jī)械連接,用傳感器獲得方向盤的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),然后 ECU 將其折算為具體的驅(qū)動(dòng)力數(shù)據(jù),用電機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)車輪。而 EPS則根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)角來(lái)增加轉(zhuǎn)向力。線控轉(zhuǎn)向的缺點(diǎn)是需要模擬一個(gè)方向盤的力回饋,因?yàn)榉较虮P沒(méi)有和機(jī)械部分連接,駕駛者感覺(jué)不到路面?zhèn)鲗?dǎo)來(lái)的阻力,會(huì)失去路感,不過(guò)在無(wú)人車上,就無(wú)需考慮這個(gè)了。在Q50L 上線控轉(zhuǎn)向還保留機(jī)械裝置,保證即使電子系統(tǒng)全部失效,依然可以正常轉(zhuǎn)向。
線控制動(dòng)
線控制動(dòng)是關(guān)鍵的也是難度的。要了解線控制動(dòng),首先要了解汽車的剎車原理。輕型車通常采用液壓制動(dòng)。
傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)主要由真空助力器、主缸、儲(chǔ)液壺、輪缸、制動(dòng)鼓或制動(dòng)碟構(gòu)成。當(dāng)踩下剎車踏板時(shí),儲(chǔ)液壺中的剎車油進(jìn)入主缸,然后進(jìn)入輪缸。輪缸兩端的活塞推動(dòng)制動(dòng)蹄向外運(yùn)動(dòng)進(jìn)而使得摩擦片與剎車鼓發(fā)生摩擦,從而產(chǎn)生制動(dòng)力。當(dāng)駕駛者踩下制動(dòng)踏板時(shí),機(jī)構(gòu)會(huì)通過(guò)液壓把駕駛?cè)四_上的力量傳遞給車輪。但實(shí)際上要想讓車停下來(lái)必須要一個(gè)很大的力量,這要比人腿的力量大很多。所以制動(dòng)系統(tǒng)必須能夠放大腿部的力量,要做到這一點(diǎn)有兩個(gè)辦法:一是杠桿作用;二是利用帕斯卡定律,用液力放大。制動(dòng)系統(tǒng)把力量傳遞給車輪,給車輪一個(gè)摩擦力,然后車輪也相應(yīng)的給地面一個(gè)摩擦力。在我們討論制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成原理之前,讓我們了解三個(gè)原理:杠桿作用;液壓作用;摩擦力作用。杠桿作用已經(jīng)無(wú)需贅言,大家想必已經(jīng)爛熟于心,在杠桿的左邊施加一個(gè)力 F,杠桿左邊的長(zhǎng)度(2X)是右邊(X)的兩倍。因此在杠桿右端可以得到左端兩倍的力 2F,但是它的行程 Y 只有左端行程2Y 的一半。剎車踏板就是個(gè)杠桿??紤]到踏板的傾斜度,一般踏板的設(shè)計(jì)行程不超過(guò) 18 厘米。液壓原理需要特別說(shuō)明,液體是無(wú)法被壓縮的,密閉容器里的液體的壓力有個(gè)特點(diǎn):不論是液體內(nèi)部、還是壓向容器壁的力,到處都一樣大?!矗喝绻黄椒矫咨嫌幸粐嵉牧α浚敲丛谒械牡胤?,一平方米上的力都是一噸。這叫帕斯卡定理。由于液體無(wú)法壓縮,所以這種方式傳遞力矩的效率非常高,幾乎100% 的力傳。液壓傳力系統(tǒng)的好處就是可以以任何長(zhǎng)度,或者曲折成各種形狀繞過(guò)其他部件來(lái)連接兩個(gè)圓桶型的液壓缸。還有一個(gè)好處就是液壓管可以分支,這樣一個(gè)主缸可以被分成多個(gè)副缸。液壓的另一個(gè)作用就是放大力矩。如果主缸的直徑是1寸,輪缸的直徑是 3 寸,那么給主缸上面施加任何一個(gè)力,就會(huì)在輪缸上放大 9 倍。不過(guò)主缸的活塞推動(dòng) 9 厘米,輪缸的活塞推動(dòng)距離只有 1 厘米,能量守恒。通常轎車的主缸直徑是 22 毫米,前輪缸直徑是 32 毫米,后輪缸直徑是 28 毫米。不同的材料表面,有不同的鋸齒結(jié)構(gòu);舉例來(lái)說(shuō):橡皮與橡皮之間就比鋼與鋼之間更難滑動(dòng)。材料的類型決定了摩擦系數(shù)。所以摩擦力與物體接觸面上的正壓力成正比。例如:如果摩擦系數(shù)為 0.1,一個(gè)物體重 100 磅,另一個(gè)物體重 400 磅,那么如果要推動(dòng)他們就必須給 100 磅的物體施加一個(gè) 10 磅的力,給 400 磅的物體施加一個(gè) 40 磅的力才能克服摩擦力前進(jìn)。ABS說(shuō)完了這些,讓我們來(lái)說(shuō)說(shuō) ABS。
ESP 與 ABS 非常接近,與 ABS 的不同在于 ESP 可以在沒(méi)有踩剎車踏板的情況下向輪缸輸出制動(dòng)壓力,ABS 只能在踩下剎車踏板后從主缸向輪缸輸出壓力。壓力生成器就是電機(jī)和柱塞泵, 與ABS 比多了 4 個(gè)柱塞泵,4 個(gè)電磁閥,也就是 VLV 和 USV。
博世第九代 ESP 增加了兩個(gè)特殊功能,一個(gè)是 ACC,自適應(yīng)巡航,ESP 可以部分控制電子節(jié)氣門。另一個(gè)是 AEB,ESP 可以部分控制剎車系統(tǒng)。有些認(rèn)為 ESP 既可以控制油門又可以控制剎車,是個(gè)很好的線控系統(tǒng),非也。博世對(duì)國(guó)內(nèi)廠家一般只開(kāi)放 ACC 和 ESP 量產(chǎn)接口協(xié)議,剎車力度大約為 0.5g,標(biāo)準(zhǔn)的剎車力度在 0.8g 以上,0.5g 遠(yuǎn)不夠用。再次,在設(shè)計(jì)之初,ESP 控制剎車系統(tǒng)只是在少數(shù)緊急情況下使用,可能 1 年用不了 2 次,一般泵的容量只有3 毫升,每使用,柱塞泵都要承受高溫高壓,頻繁使用,會(huì)導(dǎo)致柱塞泵發(fā)熱嚴(yán)重,精密度下滑,導(dǎo)致 ESP 壽命急劇下滑,常規(guī)剎車系統(tǒng) 1 小時(shí)就可能使用數(shù)次,如果用 ESP 做常規(guī)剎車系統(tǒng),可能 1 個(gè)月就報(bào)廢了。即便是不計(jì)壽命問(wèn)題,ESP 的泵油功率有限,且缺乏真空助力,反應(yīng)速度較慢。如果 ESP 真的可以做常規(guī)制動(dòng),那么博世也無(wú)需開(kāi)發(fā) Ibooster,日立無(wú)需開(kāi)發(fā) EACT,大陸無(wú)需開(kāi)發(fā) MK C1,天合無(wú)需開(kāi)發(fā) IBC。如何做到常規(guī)的線控制動(dòng),這得從真空助力器說(shuō)起。
如果膜片兩邊有即使很小的壓力差,由于膜片的面積很大,仍可以產(chǎn)生很大的推力推動(dòng)膜片向壓力小的一端運(yùn)動(dòng)。真空助力系統(tǒng),是在制動(dòng)的時(shí),也同時(shí)控制進(jìn)入助力器的真空,使膜片移動(dòng),并通過(guò)聯(lián)運(yùn)裝置利用膜片上的推桿協(xié)助人力去踩動(dòng)和推動(dòng)制動(dòng)踏板。需要注意推力來(lái)自壓力差,而非真空。電動(dòng)車和混合動(dòng)力車不能依賴內(nèi)燃機(jī)取得真空,需要用電子真空泵。真空助力器會(huì)減少一部分發(fā)動(dòng)機(jī)效率,所以近來(lái)有些油車上也使用電子真空助力器,用電機(jī)制造真空。線控制動(dòng)正是從真空助力器延伸開(kāi)來(lái),用一個(gè)電機(jī)來(lái)代替真空助力器推動(dòng)主缸活塞。由于汽車底盤空間狹小,電機(jī)的體積必須很小,同時(shí)要有一套高效的減速裝置,將電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換為強(qiáng)大的直線推力。這其中的關(guān)鍵因素就是電機(jī)主軸,日本是此領(lǐng)域的霸主。在電機(jī)技術(shù)不夠先進(jìn)的 1999 年前,人們只得放棄這種直接推動(dòng)主缸的思路。轉(zhuǎn)而使用高壓蓄能器。這就是奔馳的 SBC、豐田的 EBC 系統(tǒng)、天合的SCB,這套系統(tǒng)利用電機(jī)建立液壓,然后將高壓剎車油儲(chǔ)存在高壓蓄能器中,需要?jiǎng)x車時(shí)釋放。這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,液壓管路眾多,成本高昂,可靠性不高。奔馳曾經(jīng)大規(guī)模召回過(guò) SBC 系統(tǒng),豐田也曾經(jīng)召回過(guò) EBC 系統(tǒng),奔馳今天已經(jīng)幾乎不用 SBC 系統(tǒng)。而豐田從 2000 年一直用到現(xiàn)在。通用和福特的混動(dòng)車上則全部使用天合的 SCB。由于成本過(guò)高,從 2007 年起,EVP 電子真空泵開(kāi)始在電動(dòng)車或混動(dòng)車上取代這種高壓蓄能器設(shè)計(jì),EVP 極為簡(jiǎn)單,就是將油車的真空助力換位電子真空泵獲得真空,缺點(diǎn)非常明顯,首先它幾乎沒(méi)有任何能量回收,其次,剎車時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的噪音,重要,它必須人力首先踩下制動(dòng)踏板,也就是說(shuō)它并非線控制動(dòng),而是機(jī)械制動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)也很明顯,首先是成本很低,再者是設(shè)計(jì)異常簡(jiǎn)單,油車的底盤幾乎不做絲毫改動(dòng)就可以用來(lái)做混動(dòng)車,這對(duì)中國(guó)企業(yè)來(lái)說(shuō)非常重要,中國(guó)企業(yè)缺乏自主設(shè)計(jì)底盤能力。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,日立旗下的東機(jī)特工在 2009 年首次推出電液線控制動(dòng)系統(tǒng) E-ACT。除豐田外,大部分日系混動(dòng)或純電車都采用這種設(shè)計(jì),典型的就是日產(chǎn) Leaf。說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單,用直流無(wú)刷超高速電機(jī)配合滾珠絲杠直接推動(dòng)主缸活塞達(dá)到電液線控制動(dòng),這套方案對(duì)滾珠絲杠的加工精度要求很高。傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間大約 400-600 毫秒,電液線控制動(dòng)大約為 120-150 毫秒,安全性能大幅度提高。百公里時(shí)速剎車大約少可縮短 9 米以上的距離。同時(shí)用在混動(dòng)和電動(dòng)車上,可以回收幾乎 99% 的剎車摩擦能量。是目前公認(rèn)的制動(dòng)方式,為了保證系統(tǒng)的可靠性,這套制動(dòng)系統(tǒng)一般都需要加入 ESP(ESC)做系統(tǒng)備份。早在 1999 年大眾在開(kāi)發(fā)純電動(dòng)車過(guò)程當(dāng)中也很想使用這種電機(jī)直接推動(dòng)主缸的設(shè)計(jì),但是德國(guó)的電機(jī)工業(yè)當(dāng)時(shí)沒(méi)有能力滿足大眾的需求,大眾采取了妥協(xié)的設(shè)計(jì)。既然電機(jī)的能量達(dá)不到,那就繼續(xù)用高壓蓄能器配合,但是推動(dòng)主缸的是電機(jī),大眾稱之為 eBKV,2009 年的大眾 E-UP上首次使用。博世從 e-UP 中獲得靈感,加上博世是電機(jī)大師,經(jīng)過(guò)博世的努力,終在 2013 年去掉了高壓蓄能器,單用電機(jī)推動(dòng)主缸,這就是 iBooster。
線控液壓制動(dòng)器(EHB)EHB(Electro-HydraulicBrake)即線控液壓制動(dòng)器,是在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。EHB 用一個(gè)綜合的制動(dòng)模塊來(lái)取代傳統(tǒng)制動(dòng)器中的壓力調(diào)節(jié)器和 ABS 模塊等,這個(gè)綜合制動(dòng)模塊就包含了電機(jī)、泵、蓄電池等等部件,它可以產(chǎn)生并儲(chǔ)存制動(dòng)壓力,并可分別對(duì) 4 個(gè)輪胎的制動(dòng)力矩進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。比傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器, EHB 有了顯著的進(jìn)步,其結(jié)構(gòu)緊湊、改善了制動(dòng)效能、控制方便可靠、制動(dòng)噪聲顯著減小、不需要真空裝置、有效減輕了制動(dòng)踏板的打腳、提供了更好的踏板感覺(jué)。由于模塊化程度的提高,在車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中又提高了設(shè)計(jì)的靈活性、減少了制動(dòng)系統(tǒng)的零部件數(shù)量、節(jié)省了車內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)的布置、空間??梢?jiàn)相比傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器,EHB 有了很大的改善。但是 EHB 還是有其局限性,那就是整個(gè)系統(tǒng)仍然需要液壓部件,其基本的還是離不開(kāi)制動(dòng)液。電子機(jī)械制動(dòng)(EMB)如果把 EHB 稱為「濕」式 brake-by-wire 制動(dòng)系統(tǒng)的話,那么EMB就是「干」式 brake-by-wire 制動(dòng)系統(tǒng)。EMB 全稱Electro Mechanical Brake,和 EHB 的區(qū)別就在于它不再需要制動(dòng)液和液壓部件,制動(dòng)力矩完全是通過(guò)安裝在 4 個(gè)輪胎上的由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。因此相應(yīng)的取消了制動(dòng)主缸、液壓管路等等,可以大大簡(jiǎn)化制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、便于布置、裝配和維修,更為顯著的是隨著制動(dòng)液的取消,對(duì)于環(huán)境的污染大大降低了。
因此結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功能集成可靠的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)越來(lái)越受到青睞,可以預(yù)見(jiàn)EMB將終取代傳統(tǒng)的液壓(空氣)制動(dòng)器,成為未來(lái)車輛的發(fā)展方向??偨Y(jié)一下制動(dòng)組件的發(fā)展里程:
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