自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)之四：線控技術(shù)

1、自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)之四：線控技術(shù)線控執(zhí)行簡(jiǎn)單地說(shuō)，線控執(zhí)行主要包括線控制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和油門(mén)。某些高級(jí)車上，懸掛也是可以線控的。線控執(zhí)行中制動(dòng)是最難的部分。線控油門(mén)相當(dāng)簡(jiǎn)單，且已經(jīng)大量應(yīng)用，也就是電子油門(mén)，凡具備定速巡航的車輛都配備有電子油門(mén)。電子油門(mén)通過(guò)用線束（導(dǎo)線）來(lái)代替拉索或者拉桿，在節(jié)氣門(mén)那邊裝一只微型電動(dòng)機(jī)，用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。一般而言，增減油門(mén)就是指通過(guò)油門(mén)踏板改變發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，從而控制可燃混合氣的流量，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，以適應(yīng)汽車行駛的需要。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)操縱機(jī)構(gòu)是通過(guò)拉索或者拉桿，一端聯(lián)接油門(mén)踏板，另一端聯(lián)接節(jié)氣門(mén)連動(dòng)板而工作。但這種傳統(tǒng)油門(mén)應(yīng)用范疇受到限制并缺乏精

2、確性。電子油門(mén)的主要功能是把駕駛員踩下油門(mén)踏板的角度轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓信號(hào)，同時(shí)把油門(mén)踏板的各種特殊位置制成接觸開(kāi)關(guān)，把怠速、高負(fù)荷、加減速等發(fā)動(dòng)機(jī)工況變成電脈沖信號(hào)輸送給電控發(fā)動(dòng)機(jī)的控制器 ECU ，以達(dá)到供油、噴油與變速等的優(yōu)化自動(dòng)控制。電子油門(mén)控制系統(tǒng)主要由油門(mén)踏板、踏板位移傳感器、 ECU （電控單元）、數(shù)據(jù)總線、伺服電動(dòng)機(jī)和節(jié)氣門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。位移傳感器安裝在油門(mén)踏板內(nèi)部，隨時(shí)監(jiān)測(cè)油門(mén)踏板的位置。當(dāng)監(jiān)測(cè)到油門(mén)踏板高度位置有變化，會(huì)瞬間將此信息送往ECU ，ECU對(duì)該信息和其它系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出一個(gè)控制信號(hào)，通過(guò)線路送到伺服電動(dòng)機(jī)繼電器，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)執(zhí)行

3、機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線則是負(fù)責(zé)系統(tǒng) ECU 與其它 ECU 之間的通訊。在自適應(yīng)巡航中，則由 ESP（ ESC）中的 ECU 來(lái)控制電機(jī)，進(jìn)而控制進(jìn)氣門(mén)開(kāi)合幅度，最終控制車速。博世和大陸都有全套的電子油門(mén)系統(tǒng)出售。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(pán)與車輪之間的機(jī)械連接，用傳感器獲得方向盤(pán)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(pán)的力回饋，因?yàn)榉较虮P(pán)沒(méi)有和

4、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)是最關(guān)鍵的也是難度最高的。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

5、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：· 杠桿作用· 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

6、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。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(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)最大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

7、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)。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 最大的不同在于ESP 可以在沒(méi)有踩

8、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(mén)。 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(mén)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，剎車力度最大大約為 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

9、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，每一次使用，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。 最后即便是不計(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。最后如果 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。單單踏板的杠桿并不足以推動(dòng)主缸活塞較

10、大的行程，因?yàn)閯x車油是非常黏性的液體，與主缸缸壁之間的摩擦力很大，需要的推力很大，為此人類使用了真空助力器，真空助力器一般位于制動(dòng)踏板與制動(dòng)主缸之間，為便于安裝，通常與主缸合成一個(gè)組件，主缸的一部分深入到真空助力器殼體內(nèi)。真空助力器是一個(gè)直徑較大的腔體，內(nèi)部有一個(gè)中部裝有推桿的膜片（或活塞） ，將腔體隔成兩部份，一部份與大氣相通，另一部份通過(guò)管道與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管相連。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)吸入空氣這一原理，造成助力器的一側(cè)真空，相對(duì)于另一側(cè)正?？諝鈮毫Φ膲毫Σ?，利用這壓力差來(lái)加強(qiáng)制動(dòng)推力。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

11、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(pán)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

12、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

13、時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的噪音，最重要，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(pán)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(pán)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)，最典型的就是日產(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)

14、大約為 120-150毫秒，安全性能大幅度提高。百公里時(shí)速剎車大約最少可縮短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)最好的制動(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 ，是德文Elektromechanischer.Bremskraftverst?rker 的縮寫(xiě)， 20

15、09 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，最終在2013 年去掉了高壓蓄能器，單用電機(jī)推動(dòng)主缸，這就是iBooster 博世的 iBooster 于 2013 年初推出，并且應(yīng)用大眾（包括奧迪品牌，大眾持有ibooster 的部分專利）全系列電動(dòng)與混動(dòng)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(chǔ)上將ESC 也集成進(jìn)來(lái)，大陸的MK C1 早在 2011 年就已經(jīng)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(tái)上將全線使

16、用。順便說(shuō)下TRW 的 IBC 技術(shù)并非自己原創(chuàng)，是收購(gòu)自一家小公司，不過(guò)博世的 ABS 技術(shù)也不是自己原創(chuàng)的。 這些線控制動(dòng)都不是純粹的線控制動(dòng)，仍然需要液壓系統(tǒng)放大制動(dòng)能量。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專利門(mén)檻很高。為了突破大廠的封鎖，也為了簡(jiǎn)化制動(dòng)系統(tǒng)，純粹的線控制動(dòng)（EMB) 近年來(lái)是個(gè)火熱的研究領(lǐng)域。 EMB 取消液壓系統(tǒng)， 直接用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械活塞制動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)一、安全優(yōu)勢(shì)極為突出， 大幅度縮短剎車距離， EMB 的反應(yīng)時(shí)間大約 90 毫秒，比 iBooster 的 120 毫秒更快速。 優(yōu)點(diǎn)二、沒(méi)有液壓系統(tǒng)，不會(huì)有液體泄露，對(duì)電動(dòng)車來(lái)說(shuō)尤其重要，液體泄露可能導(dǎo)致短路或元件失效，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難。同時(shí)

17、成本和維護(hù)費(fèi)用也降低不少。缺點(diǎn)一：沒(méi)有備份系統(tǒng)，對(duì)可靠性要求極高。特別是電源系統(tǒng)，要絕對(duì)保證穩(wěn)定，其次是總線通信系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，系統(tǒng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的串行通信都必須具備容錯(cuò)能力。 同時(shí)系統(tǒng)需要至少兩個(gè) CPU 來(lái)保證可靠性。缺點(diǎn)二：剎車力不足。 EMB 系統(tǒng)必須在輪轂中，輪轂的體積決定了電機(jī)大小，進(jìn)而決定了電機(jī)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(jī)無(wú)法達(dá)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(diǎn)三：工作環(huán)境惡劣，特別是溫度高。剎車片附近的溫度高達(dá)數(shù)百度，而電機(jī)體積又決定只能使用永磁電機(jī)，而永磁在高溫下會(huì)消磁。同時(shí)EMB 有部分半導(dǎo)體元件需要工作在

18、剎車片附近，沒(méi)有半導(dǎo)體元件可以承受如此高的溫度，而受體積限制，無(wú)法添加冷卻系統(tǒng)。同時(shí)這是簧下元件，震動(dòng)劇烈，永磁體無(wú)論是燒結(jié)還是粘結(jié)都很難承受強(qiáng)烈震動(dòng)。對(duì)半導(dǎo)體元件也是個(gè)考驗(yàn)。 需要一個(gè)高強(qiáng)度防護(hù)殼，然而輪轂內(nèi)體積非常有限，恐怕難以做到。缺點(diǎn)四、需要針對(duì)底盤(pán)開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)，難以模塊化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)成本極高。我們認(rèn)為除非永磁材料有重大突破，居里溫度點(diǎn)大幅度提高到 1000 攝氏度，否則EMB 無(wú)法商業(yè)化。順便說(shuō)一句，輪轂電機(jī)也是如此，不解決材料問(wèn)題，輪轂電機(jī)商業(yè)化不大可能。不過(guò)這種材料從理論上來(lái)說(shuō)是不可能出現(xiàn)的，磁性越強(qiáng)，其居里溫度點(diǎn)就越低，高溫下原子的劇烈熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的排列必然從整齊劃一到混亂無(wú)序，這是物理特性，無(wú)法改變。比如最好的磁王釹鐵硼，一般使用N35 牌號(hào)，其居里溫度點(diǎn)為 310 攝氏度，但其工作溫度上限只有 80 攝氏度，超過(guò) 80 度，