2.3 线控底盘

自20世纪70年代以来，各种汽车底盘动态电子控制系统逐渐发展起来，如防抱死制动系统（Anti-lock Braking System, ABS）、驱动防滑控制系统（Traction Control System, TCS）、电动助力转向系统（Electric Power Steering, EPS）、电子稳定控制系统（Electric Stability Controller, ESC）等，大大提高了车辆的操纵稳定性和行驶安全性。这些系统的发展都是在传统底盘结构的基础上，受机械系统结构限制，稳定性和灵活性难以进一步提高。线控技术将驾驶员的控制输入转换为电信号，通过线控或电信号传递指令，不需要机械连接装置即可控制车辆。其灵活的控制方式和快速准确的响应特性高度满足了现代电动汽车和智能汽车的发展需求。

2.3.1 线控驱动

线控驱动的核心是实现车辆的速度控制。传统的驱动控制是驾驶员通过控制加速踏板实现对汽车的速度控制。而智能汽车的驱动控制则是通过加速踏板的自动控制实现电子节气门开度的自动调整，调节进气量大小，从而实现控制车速的目的。

（1）节气门

传统节气门：通过机械结构连接，响应延迟大；针对复杂道路下的各种工况，油耗和排放都不能得到很好的控制。

电子节气门：取消了加速踏板和节气门之间的机械结构，而是通过加速踏板位置传感器去检测加速踏板的位移，这个位移就代表了驾驶员的驾驶意图。该信号被传递给ECU，ECU根据其他传感器反馈回来的信息进行分析和计算，得到最佳的节气门开度，然后驱动节气门控制电机，节气门位置传感器检测节气门的实际开度，把该信号反馈给ECU，实现整个节气门开度的闭环控制。

（2）传统汽车线控驱动

对于传统内燃车而言，只需要能够实现加速踏板的自动控制就能够实现线控驱动。

方式一：在加速踏板的位置增加一套执行机构，以模拟驾驶员控制动作。同时还要增加一套控制系统，输入是目标车速信号，实际车速作为反馈。通过控制系统计算来控制执行机构。

方式二：接管节气门控制单元加速踏板的位置信号，只需要增加一套控制系统，输入目标车速信号，把实际的车速作为反馈，最后控制系统计算输出加速踏板位置信号给节气门控制单元。

（3）电动车线控驱动

VCU（整车控制单元）的主要功能是实现转矩需求的计算以及转矩分配。VCU接收车速信号，加速、制动踏板信号，电池电压及SOC的信息，以及驱动电机的状态信息，然后在VCU内部进行计算，发送转矩指令给电机控制单元；电机控制单元接收到VCU的转矩需求后进行电机转矩的控制，从而实时响应VCU的转矩需求，因此只需要VCU开放速度控制接口就能实现线控驱动。

2.3.2 线控制动

线控制动的核心也是速度控制，目的是为了使车辆减速或者维持一定的速度。

（1）制动控制

根据功能的不同，车上通常会有两套制动系统。

1）行车制动（脚刹）：通过制动踏板来实现车辆的减速。

2）驻车制动（手刹）：保持车辆停止状态的制动。

（2）ABS（制动防抱死系统）

1）ABS如今已经成为现在乘用车的标配，其基本原理如图2-5所示。

其中轮速传感器用于检测车轮的速度，这个速度信号会输入ABS ECU；ABS ECU接收轮速信号及其他信号，计算车轮的滑移率、车轮的加速度、减速度等信号，判断车轮是否有抱死的趋势从而输出控制指令给液压控制单元；制动分泵相当于执行器，接收电子控制单元的命令，执行压力调节的任务。

2）ABS可分为电子式和机械式。电子式ABS根据不同车型设计，需做大量标定试验；机械式通用性强。电子式ABS在车轮锁死时刻开始作用，每秒作用12～16次，机械式ABS在驾驶员踩制动踏板时即开始动作，根据不同车速，每秒作用60～120次。

机械式ABS的最大缺点是只能在预定条件下起作用，缺乏对道路环境的应变性，安全性远低于电子式ABS，因此如今已经基本被电子式ABS所取代。

车辆在湿滑的路面起步会出现打滑现象，这是ABS解决不了的。出现上述打滑现象时，牵引力控制系统（TCS）会干预发动机和制动系统，避免车轮打滑发生。

（3）ESP（电子稳定程序）

ESP系统是在ABS和TCS的基础上发展而来的，其工作原理如图2-6所示。ESP系统可以实现车辆纵向动力学和横向动力学的稳定性控制，通过转向盘转角控制器、制动主缸压力传感器用来判断驾驶员的驾驶意图；横摆角速度传感器、横向加速度传感器用来确定车辆实际的运行轨迹，用来计算车辆质心侧偏角。

ESP控制单元接收到驾驶员的输入信号之后，通过汽车的动力学模型估计车辆的运动状态和车辆实际运行状态，进行比较得到相应的控制指令（制动控制指令或者发动机的转矩需求控制指令），最后再由具体的执行器完成车辆的控制。

（4）主流线控制动系统介绍

1）iBooster线控制动系统：早在1999年，德国大众汽车集团就设想采用电动机直接推动主缸的设计，但是由于当时的电动机无法满足要求，于是采用了高压蓄能器与之配合使用。博世公司于2013年不再使用高压蓄能器，直接采用电动机推动主缸，这就是iBooster线控制动技术（图2-7）。工作原理：当驾驶员踩下制动踏板时，输入杆会推动阀体移动，位于下方的踏板行程传感器会把踏板行程信息传递给电子控制单元，电子控制单元将踏板行程信息处理之后得到合适的制动力矩，并把制动信号传递给直流无刷电动机，电动机转动将制动力矩通过二级齿轮单元放大后推动助力器阀体，最终推动制动缸实现制动。iBooster可根据具体的行车工况，提供最合适的辅助制动力矩；另外对于新能源汽车，尤其是纯电动汽车，实现真空助力需要另行设计，成本也比较高，iBooster为此提供了较为理想的解决方案。

2）线控制动的实现：和线控驱动实现的方式一样，加装一套执行机构和控制系统，控制系统可以和线控驱动的控制系统结合起来，比较目标车速和实际车速，然后控制加速踏板或者制动踏板（图2-8）。

如果ABS的控制接口开放，可对ABS ECU进行接管控制，比如ABS ECU接收期望制动压力信号，直接驱动ABS HCU（图2-9）。

2.3.3 线控转向

世界著名的整车及零部件厂家如宝马、奔驰、ZF、德尔福和日本光洋精工等都对线控转向进行了比较深入的研究，很多汽车公司都推出了搭载线控转向的概念车。最早将线控转向技术应用到量产车型的是英菲尼迪Q50。

（1）机械转向系统基本结构

机械转向系统基本结构如图2-10所示。其中转向器总成负责把转向盘的转动转为齿条的直线运动。转向器拉杆总成把齿条的直线运动转为轮胎的转动，这样就实现了车辆的转向。

（2）HPS（液压转向系统）

1）在机械转向结构的基础上再加上转向油泵、转向控制阀、转向动力缸、储油罐、油管就构成了HPS，如图2-11所示。

2）工作原理：在车辆直线行驶时，助力缸中不产生高压油；当转动转向盘时，阀芯就会转动。油泵中的高压油就会通过阀芯和阀套之间的间隙流向助力缸的一侧，最终实现助力转向，其工作原理如图2-12所示。

3）优点：①动力转向可以减小作用在转向盘上的力，提高转向轻便性。②液压系统的阻尼作用可以衰减道路冲击，提高行驶安全性。

4）缺点：①很难协调低速转向轻便性和高速沉稳的需求。HPS的油泵由发动机来驱动，车辆低速行驶时希望能获得大的助力，而发动机在低速时转速比较低。因此，为了转向轻便，可能使用大排量的油泵。但车辆高速行驶时，希望能获得小的助力，而发动机在高速时转速比较高，油泵的流量会比较大，因此高速时通常会有转向过轻的感觉。②即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能耗。③存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。④低温工作性能较差。

（3）电动液压转向系统（EHPS）

电动液压转向系统结构及工作特性如图2-13所示。其特点包括：

1）将HPS中由发动机驱动油泵转为电动机驱动油泵。这样一来，转向的助力特性随着车速的变化而变化，只需要根据车速去控制电机的转速就可以实现。

2）优点：①电控液压动力转向是在原液压式动力转向系统上发展起来的，原来的系统都可以利用，不需要更改布置。②低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感提高车辆行驶稳定性。③采用电动机驱动油泵时可以节省能量。

3）缺点：①依然存在渗油隐患。②零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测。③原有液压系统的基础上又增加了电子系统，使系统更加复杂，成本增加。④低温工作性能没有改善。

（4）电动助力转向系统（EPS）

EPS组成结构如图2-14所示。EPS的出现很好地解决了EHPS的问题，也是实现线控转向的基础。

EPS的工作过程：驾驶员转动转向盘，转矩传感器检测到有转矩的信号，ECU接收该信号同时也接收车速等信号，并且实时计算助力电机需要的助力转矩的大小和方向，然后驱动助力电机转动，从而辅助驾驶员转向。EPS的工作原理如图2-15所示。

现在EPS采用的助力电机通常包括永磁直流电机（用在前轴载荷不太大的车型上）和永磁同步电机（用在前轴载荷比较大的车型上）。EPS因为是助力系统，所以控制的是电机的输出转矩而不是转角，线控转向是实现转向盘转角的控制。因此要实现转向控制，就需要在EPS控制模式中增加转角闭环控制模式。现在的转向盘自动转向也是这样实现的。

EPS系统工作在助力模式时，接收转向盘转角矩阵信号和车速信号，进行电机助力转矩控制；而EPS切换到转角闭环模式时，接收转向盘目标转角指令，通过检测转向盘实际转角信号构成闭环系统。因此，要想实现EPS的转角闭环控制，就必须增加转向盘的转角传感器。

（5）线控转向系统（SBW）

线控转向系统取消了转向盘和转向器之间的机械连接，直接通过电信号控制转向电机来控制汽车转向，主要由转向盘总成、转向执行总成和主控制器（ECU）三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成，如图2-16所示。

转向盘总成包括转向盘、转向盘转角传感器、力矩传感器、路感电机；该总成将驾驶员的转向意图通过测量转向盘转角转换成数字信号，然后，传递给主控制器，同时接收主控制器送来的力矩信号从而产生转向盘回正力矩，给驾驶员提供相应的路感信息。

转向执行总成包括转向电机、前轮转角传感器、转向器和转向拉杆等部件，其功能是快速响应主控制器传来的转角信号，完成车辆的转向。

主控制器会对采集的信号进行分析处理，判明汽车的运动状态，然后向路感电机和转向电机发送指令控制两个电机的工作，保证在各种工况下都具有理想的车辆响应，从而减轻驾驶员的负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行判别，判断在当前状态下驾驶员的操作是否合理。

自动防故障系统包括一系列的监控和实施算法，能够针对不同的故障形式和等级作出相应的处理，从而最大限度地保持汽车正常行驶。

电源系统承担着控制器、两个执行电机以及其他车用电机的供电任务。其中仅仅是前轮转角执行电机的功率就有500～800W，加上汽车上的其他电子设备，电源的负担就已经相当沉重了。所以要保证整车电气系统在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要了。

SBW的优点包括：容易实现主动转向的功能；获得比EPS更快的响应速度；滤掉路面上的激振信号；消除撞车事故中转向柱后移伤害驾驶员的可能性；去掉了转向系功能模块间的机械连接，布置方式灵活，可以获得更大的驾驶员腿部空间。

（6）线控转向系统技术综述

线控转向系统作为线控底盘系统的关键组成部分，一直是国内外汽车厂商及学术界研究的热点，也率先开启了线控底盘技术的商业化应用。根据中国《智能网联汽车技术路线图2.0》规划，将在2025年实现智能线控底盘系统产业化推广应用。线控转向系统通过线控化、智能化技术，可以实现个性驾驶、辅助驾驶、无人驾驶等目标，是智能网联汽车落地的关键技术。

现有的线控转向系统主要可以分为前轮线控转向系统及分布式线控转向系统两类。前轮线控转向系统是由传统前轮机械转向系统发展而来，主要结构包含两个部分：转向盘及转向管柱集成部分、转向执行机构与前轮集成部分。依据转向执行机构的不同，前轮线控转向系统又可分为线控电动转向系统和线控电液复合转向系统，如图2-17a所示。

分布式线控转向系统的执行机构有两种形式：第一种为前后轴独立转向，结构布置如图2-17b所示，其前后轴各有1个转向执行机构带动左右侧车轮同时转动3；第二种为四轮独立转向，结构布置如图2-17c所示，其4个车轮各有1套转向执行机构，分别带动每个车轮转动。

线控转向的转向盘及转向管柱集成部分在不同结构的线控转向系统中结构组成基本一致，如图2-17d所示，主要由转向盘、转向管柱、转角/转矩传感器、路感模拟机构（路感电机、减速器、阻尼元件等）、电控单元等组成。其工作原理为将驾驶员的转向意图（转向盘转角的大小和方向）传输给主控制器；同时主控制器采集车速、横摆角速度、质心侧偏角等传感器信号，通过预先设置的路感规划策略进行辨识，由路感电机产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。