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    2. 線控轉向改裝與EPS

      對于自動駕駛汽車的控制人們常有很多疑問。比如轉向,具體跟車輛的交互,是傳入轉向角度還是力度?剎車制動是由 IPC 告訴硬件多少力度呢,還是智能到具體的制動百分比就可以?

      要實現這些控制指令,首先與參考車輛的底盤組組件有很大的關系,要了解與車輛底盤的各個組件交互,就要先了解這些控制組件。

      線控執行

      簡單地說,線控執行主要包括線控制動、轉向和油門。某些高級車上,懸架也是可以線控的。線控執行中制動是最難的部分。

      線控油門

      線控油門相當簡單,且已經大量應用,也就是電子油門,凡具備定速巡航的車輛都配備有電子油門。電子油門通過用線束(導線)來代替拉索或者拉桿,在節氣門那邊裝一只微型電動機,用電動機來驅動節氣門開度。

      一般而言,增減油門就是指通過油門踏板改變發動機節氣門開度,從而控制可燃混合氣的流量,改變發動機的轉速和功率,以適應汽車行駛的需要。傳統發動機節氣門操縱機構是通過拉索或者拉桿,一端聯接油門踏板,另一端聯接節氣門連動板而工作。

      但這種傳統油門應用范疇受到限制并缺乏精確性。電子油門的主要功能是把駕駛員踩下油門踏板的角度轉換成與其成正比的電壓信號,同時把油門踏板的各種特殊位置制成接觸開關,把怠速、高負荷、加減速等發動機工況變成電脈沖信號輸送給電控發動機的控制器 ECU,以達到供油、噴油與變速等的優化自動控制。

      電子油門控制系統主要由油門踏板、踏板位移傳感器、ECU(電控單元)、數據總線、伺服電動機和節氣門執行機構組成。

      博世智能電子油門踏板

      位移傳感器安裝在油門踏板內部,隨時監測油門踏板的位置。當監測到油門踏板高度位置有變化,會瞬間將此信息送往 ECU,ECU 對該信息和其它系統傳來的數據信息進行運算處理,計算出一個控制信號,通過線路送到伺服電動機繼電器,伺服電動機驅動節氣門執行機構,數據總線則是負責系統 ECU 與其它 ECU 之間的通訊。

      在自適應巡航中,則由 ESP(ESC)中的 ECU 來控制電機,進而控制進氣門開合幅度,最終控制車速。

      線控轉向

       

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      日產旗下的英菲尼迪 Q50 是首批使用線控轉向的量產車輛

      線控轉向也已經得到實際應用,這就是日產旗下的英菲尼迪 Q50。實際目前的電子助力轉向(EPS)非常接近線控轉向了。

      EPS與線控轉向之間的主要差異就是線控轉向取消了方向盤與車輪之間的機械連接,用傳感器獲得方向盤的轉角數據,然后 ECU 將其折算為具體的驅動力數據,用電機推動轉向機轉動車輪。而 EPS則根據駕駛員的轉角來增加轉向力。

      線控轉向的缺點是需要模擬一個方向盤的力回饋,因為方向盤沒有和機械部分連接,駕駛者感覺不到路面傳導來的阻力,會失去路感,不過在無人車上,就無需考慮這個了。在Q50L 上線控轉向還保留機械裝置,保證即使電子系統全部失效,依然可以正常轉向。

      線控制動

       

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      線控制動是最關鍵的也是難度最高的。要了解線控制動,首先要了解汽車的剎車原理。輕型車通常采用液壓制動。

       

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      傳統制動系統主要由真空助力器、主缸、儲液壺、輪缸、制動鼓或制動碟構成。當踩下剎車踏板時,儲液壺中的剎車油進入主缸,然后進入輪缸。

      輪缸兩端的活塞推動制動蹄向外運動進而使得摩擦片與剎車鼓發生摩擦,從而產生制動力。

      當駕駛者踩下制動踏板時,機構會通過液壓把駕駛人腳上的力量傳遞給車輪。但實際上要想讓車停下來必須要一個很大的力量,這要比人腿的力量大很多。所以制動系統必須能夠放大腿部的力量,要做到這一點有兩個辦法:一是杠桿作用;二是利用帕斯卡定律,用液力放大。制動系統把力量傳遞給車輪,給車輪一個摩擦力,然后車輪也相應的給地面一個摩擦力。

      在我們討論制動系統構成原理之前,讓我們了解三個原理:

      杠桿作用;

      液壓作用;

      摩擦力作用。

      杠桿作用已經無需贅言,大家想必已經爛熟于心,在杠桿的左邊施加一個力 F,杠桿左邊的長度(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。

      剎車踏板就是個杠桿??紤]到踏板的傾斜度,一般踏板的設計行程不超過 18 厘米。液壓原理需要特別說明,液體是無法被壓縮的,密閉容器里的液體的壓力有個特點:不論是液體內部、還是壓向容器壁的力,到處都一樣大。——即:如果一平方米上有一噸的力量,那么在所有的地方,一平方米上的力都是一噸。這叫帕斯卡定理。

      由于液體無法壓縮,所以這種方式傳遞力矩的效率非常高,幾乎100% 的力傳。液壓傳力系統最大的好處就是可以以任何長度,或者曲折成各種形狀繞過其他部件來連接兩個圓桶型的液壓缸。還有一個好處就是液壓管可以分支,這樣一個主缸可以被分成多個副缸。液壓的另一個作用就是放大力矩。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力,就會在輪缸上放大 9 倍。不過主缸的活塞推動 9 厘米,輪缸的活塞推動距離只有 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,有不同的鋸齒結構;舉例來說:橡皮與橡皮之間就比鋼與鋼之間更難滑動。材料的類型決定了摩擦系數。所以摩擦力與物體接觸面上的正壓力成正比。例如:如果摩擦系數為 0.1,一個物體重 100 磅,另一個物體重 400 磅,那么如果要推動他們就必須給 100 磅的物體施加一個 10 磅的力,給 400 磅的物體施加一個 40 磅的力才能克服摩擦力前進。

      ABS

      說完了這些,讓我們來說說 ABS。

       

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      ESP 與 ABS 非常接近,與 ABS 最大的不同在于 ESP 可以在沒有踩剎車踏板的情況下向輪缸輸出制動壓力,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和柱塞泵, 與ABS 比多了 4 個柱塞泵,4 個電磁閥,也就是 VLV 和 USV。

       

      q15q15

       

      博世第九代 ESP 增加了兩個特殊功能,一個是 ACC,自適應巡航,ESP 可以部分控制電子節氣門。另一個是 AEB,ESP 可以部分控制剎車系統。

      有些認為 ESP 既可以控制油門又可以控制剎車,是個很好的線控系統,非也。博世對國內廠家一般只開放 ACC 和 ESP 量產接口協議,剎車力度最大大約為 0.5g,標準的剎車力度在 0.8g 以上,0.5g 遠不夠用。

      再次,在設計之初,ESP 控制剎車系統只是在少數緊急情況下使用,可能 1 年用不了 2 次,一般泵的容量只有3 毫升,每一次使用,柱塞泵都要承受高溫高壓,頻繁使用,會導致柱塞泵發熱嚴重,精密度下滑,導致 ESP 壽命急劇下滑,常規剎車系統 1 小時就可能使用數次,如果用 ESP 做常規剎車系統,可能 1 個月就報廢了。

      最后即便是不計壽命問題,ESP 的泵油功率有限,且缺乏真空助力,反應速度較慢。如果 ESP 真的可以做常規制動,那么博世也無需開發 Ibooster,日立無需開發 EACT,大陸無需開發 MK C1,天合無需開發 IBC。

      如何做到常規的線控制動,這得從真空助力器說起。

       

      q16

       

      如果膜片兩邊有即使很小的壓力差,由于膜片的面積很大,仍可以產生很大的推力推動膜片向壓力小的一端運動。真空助力系統,是在制動的時,也同時控制進入助力器的真空,使膜片移動,并通過聯運裝置利用膜片上的推桿協助人力去踩動和推動制動踏板。需要注意推力來自壓力差,而非真空。電動車和混合動力車不能依賴內燃機取得真空,需要用電子真空泵。真空助力器會減少一部分發動機效率,所以近來有些油車上也使用電子真空助力器,用電機制造真空。

      線控制動正是從真空助力器延伸開來,用一個電機來代替真空助力器推動主缸活塞。由于汽車底盤空間狹小,電機的體積必須很小,同時要有一套高效的減速裝置,將電機的扭矩轉換為強大的直線推力。這其中的關鍵因素就是電機主軸,日本是此領域的霸主。

      在電機技術不夠先進的 1999 年前,人們只得放棄這種直接推動主缸的思路。轉而使用高壓蓄能器。這就是奔馳的 SBC、豐田的 EBC 系統、天合的SCB,這套系統利用電機建立液壓,然后將高壓剎車油儲存在高壓蓄能器中,需要剎車時釋放。這套系統結構復雜,液壓管路眾多,成本高昂,可靠性不高。奔馳曾經大規模召回過 SBC 系統,豐田也曾經召回過 EBC 系統,奔馳今天已經幾乎不用 SBC 系統。而豐田從 2000 年一直用到現在。通用和福特的混動車上則全部使用天合的 SCB。

      由于成本過高,從 2007 年起,EVP 電子真空泵開始在電動車或混動車上取代這種高壓蓄能器設計,EVP 極為簡單,就是將油車的真空助力換位電子真空泵獲得真空,缺點非常明顯,首先它幾乎沒有任何能量回收,其次,剎車時會發出刺耳的噪音,最重要,它必須人力首先踩下制動踏板,也就是說它并非線控制動,而是機械制動。優點也很明顯,首先是成本很低,再者是設計異常簡單,油車的底盤幾乎不做絲毫改動就可以用來做混動車,這對中國企業來說非常重要,中國企業缺乏自主設計底盤能力。

      隨著電機技術的發展,日立旗下的東機特工在 2009 年首次推出電液線控制動系統 E-ACT。除豐田外,大部分日系混動或純電車都采用這種設計,最典型的就是日產 Leaf。說起來很簡單,用直流無刷超高速電機配合滾珠絲杠直接推動主缸活塞達到電液線控制動,這套方案對滾珠絲杠的加工精度要求很高。傳統的液壓制動系統反應時間大約 400-600 毫秒,電液線控制動大約為 120-150 毫秒,安全性能大幅度提高。百公里時速剎車大約最少可縮短 9 米以上的距離。同時用在混動和電動車上,可以回收幾乎 99% 的剎車摩擦能量。是目前公認最好的制動方式,為了保證系統的可靠性,這套制動系統一般都需要加入 ESP(ESC)做系統備份。

      早在 1999 年大眾在開發純電動車過程當中也很想使用這種電機直接推動主缸的設計,但是德國的電機工業當時沒有能力滿足大眾的需求,大眾采取了妥協的設計。既然電機的能量達不到,那就繼續用高壓蓄能器配合,但是推動主缸的是電機,大眾稱之為 eBKV,2009 年的大眾 E-UP上首次使用

       

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      博世從 e-UP 中獲得靈感,加上博世是電機大師,經過博世的努力,最終在 2013 年去掉了高壓蓄能器,單用電機推動主缸,這就是 iBooster。

       

      q18

       

      博世的 iBooster 于 2013 年初推出,并且應用大眾(包括奧迪品牌,大眾持有 ibooster 的部分專利)全系列電動與混動車上,其他客戶還有特斯拉和即將上市的卡迪拉克 CT6。

      大陸和天合(ZF)則在此基礎上將 ESC 也集成進來,大陸的 MK C1 早在 2011 年就已經推出,在 2017 年版的阿爾法羅密歐 Giulia 上使用。TRW 的則于2012 年推出 IBC,通用的 K2XX 平臺上將全線使用。順便說下 TRW 的 IBC 技術并非自己原創,是收購自一家小公司,不過博世的 ABS 技術也不是自己原創的。

      這些線控制動都不是純粹的線控制動,仍然需要液壓系統放大制動能量。液壓系統結構復雜,專利門檻很高。為了突破大廠的封鎖,也為了簡化制動系統,純粹的線控制動(EMB)近年來是個火熱的研究領域。EMB 取消液壓系統,直接用電機驅動機械活塞制動。

      優點一:安全優勢極為突出,大幅度縮短剎車距離。EMB 的反應時間大約 90 毫秒,比 iBooster 的120 毫秒更快速;

      優點二:沒有液壓系統,不會有液體泄露。對電動車來說尤其重要,液體泄露可能導致短路或元件失效,進而導致災難。同時成本和維護費用也降低不少。

      缺點一:沒有備份系統,對可靠性要求極高。特別是電源系統,要絕對保證穩定,其次是總線通信系統的容錯能力,系統中每一個節點的串行通信都必須具備容錯能力。同時系統需要至少兩個 CPU 來保證可靠性。

      缺點二:剎車力不足。EMB 系統必須在輪轂中,輪轂的體積決定了電機大小,進而決定了電機功率不可能太大,而普通轎車需要1-2KW 的剎車功率,這是目前小體積電機無法達到的高度,必須大幅度提高輸入電壓,即便如此也非常困難。

      缺點三:工作環境惡劣,特別是溫度高。剎車片附近的溫度高達數百度,而電機體積又決定只能使用永磁電機,而永磁在高溫下會消磁。同時 EMB 有部分半導體元件需要工作在剎車片附近,沒有半導體元件可以承受如此高的溫度,而受體積限制,無法添加冷卻系統。同時這是簧下元件,震動劇烈,永磁體無論是燒結還是粘結都很難承受強烈震動。對半導體元件也是個考驗。需要一個高強度防護殼,然而輪轂內體積非常有限,恐怕難以做到。

      缺點四:需要針對底盤開發對應的系統,難以模塊化設計,導致開發成本極高。

      我們認為除非永磁材料有重大突破,居里溫度點大幅度提高到1000 攝氏度,否則 EMB 無法商業化。順便說一句,輪轂電機也是如此,不解決材料問題,輪轂電機商業化不大可能。不過這種材料從理論上來說是不可能出現的,磁性越強,其居里溫度點就越低,高溫下原子的劇烈熱運動,原子磁矩的排列必然從整齊劃一到混亂無序,這是物理特性,無法改變。

      比如最好的磁王釹鐵硼,一般使用 N35 牌號,其居里溫度點為 310 攝氏度,但其工作溫度上限只有 80 攝氏度,超過 80 度,磁性能就開始下降,到 310 度,磁性完全消失。而夏天汽車剎車盤的溫度輕松超過 100 度,工作時溫度輕松超過 300 度。所以未來十年內,電液線控系統會是唯一的選擇。

      人們對制動性能要求的不斷提高,傳統的液壓或者空氣制動系統在加人了大量的電子控制系統如 ABS、ESP 等后,結構和管路布置越發復雜,液壓(空氣)回路泄露的隱患也加大,同時裝配和維修的難度也隨之提高。

      制動控制是自動駕駛執行系統的重要部分,目前 ADAS 與制動系統高度關聯的功能模塊包括 ESP(車身穩定系統)/AP(自動泊車)/ACC(自適應巡航)/AEB(自動緊急制動)等。

       

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      線控液壓制動器(EHB)

      EHB(Electro-HydraulicBrake)即線控液壓制動器,是在傳統的液壓制動器基礎上發展而來的。EHB 用一個綜合的制動模塊來取代傳統制動器中的壓力調節器和 ABS 模塊等,這個綜合制動模塊就包含了電機、泵、蓄電池等等部件,它可以產生并儲存制動壓力,并可分別對 4 個輪胎的制動力矩進行單獨調節。

      比傳統的液壓制動器, EHB 有了顯著的進步,其結構緊湊、改善了制動效能、控制方便可靠、制動噪聲顯著減小、不需要真空裝置、有效減輕了制動踏板的打腳、提供了更好的踏板感覺。由于模塊化程度的提高,在車輛設計過程中又提高了設計的靈活性、減少了制動系統的零部件數量、節省了車內制動系統的布置、空間??梢娤啾葌鹘y的液壓制動器,EHB 有了很大的改善。但是 EHB 還是有其局限性,那就是整個系統仍然需要液壓部件,其基本的還是離不開制動液。

      電子機械制動(EMB)

      如果把 EHB 稱為「濕」式 brake-by-wire 制動系統的話,那么EMB就是「干」式 brake-by-wire 制動系統。

      EMB 全稱Electro Mechanical Brake,和 EHB 的最大區別就在于它不再需要制動液和液壓部件,制動力矩完全是通過安裝在 4 個輪胎上的由電機驅動的執行機構產生。因此相應的取消了制動主缸、液壓管路等等,可以大大簡化制動系統的結構、便于布置、裝配和維修,更為顯著的是隨著制動液的取消,對于環境的污染大大降低了。

       

      q20

       

      西門子 VDO 的 EMB 示意圖

      因此結構相對簡單、功能集成可靠的電子機械制動系統越來越受到青睞,可以預見EMB將最終取代傳統的液壓(空氣)制動器,成為未來車輛的發展方向。

      總結一下制動組件的發展里程:

       

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      文章來源:綜合自佐思產研、智車科技、百度Apollo

      2019年4月23日 22:40
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      人c交zoozooxx

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