解读底盘线控的关键技术

作者 | Z

出品 | 焉知 

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随着智能驾驶的发展和各路玩家的入局，作为执行层的核心技术，底盘线控化已经成为必然趋势，自动驾驶的实现也必须基于线控化的底盘来实现。

图1 线控底盘示意图

但是要把线控的所有功能完全发挥，开发出纯线控的底盘，还存在一些重点和难点问题，需要相关技术的支撑。本文我们将解读当前线控底盘的关键技术和瓶颈所在。

故障诊断与容错控制

汽车线控系统具有传统机械或液压系统所不具备的技术优势。但它是一种复杂的高级电子系统，目前还没有达到机械或液压部件同等可靠的程度，并且故障失效模式也与传统系统不一样。那么如何在新的故障模式下进行有效的故障诊断，并保证在某些电子部件或软件失效的情况下，系统具有容错功能，能保证系统的转向、制动等基本功能，是实现线控底盘的全面应用所必须解决的问题。

线控系统要能够及时检测到系统故障，确定故障源，并做出相应的容错控制动作。容错控制的含义是：当有一些部件出现故障或者失效的时候，他们在系统中的功能可以用系统中的其他部分来代替，使系统能继续保持规定的性能，或者不丧失基本的功能，进一步实现故障系统的性能最优。

容错控制的设计方法主要有硬件冗余方法和解析冗余方法两种，硬件冗余方法就是通过对重要部件或者容易发生故障的部件提供备份，解析冗余方法主要是通过设计控制器的软件来提高整个系统的冗余度。

在线控系统中，相对于ECU来说，传感器和执行器更加容易发生故障，所以很多传感器和执行机构之间都存在冗余备份。不过，虽然ECU的可靠度比较高，但ECU一旦出现故障，后果更加严重。因为传感器和执行器故障后，系统还可能保持部分工作，而一旦ECU出现故障，系统就会处于完全瘫痪状态，失去所有功能。

但是，硬件冗余存在成本高的问题，这也是线控技术目前发展的一大瓶颈。考虑到成本问题，更多地利用解析冗余方法来提高容错性，是一个重要的发展方向。

信息获取与传输

信息获取与传输技术分别对应传感器技术和总线技术。

线控底盘完成转向、制动等控制动作的前提，是传感器不断将驾驶员的指令信息和车辆的状态信息及时反馈给控制器，然后控制器才能够根据控制策略，对执行机构进行控制。

传感器的精度和分辨率直接影响着控制系统的精度和性能，所以研制出成本低、可靠性好、精度高、体积小的传感器，也是发展线控系统的关键技术之一。

总线技术对信息的传输起着决定性的作用。线控技术的全面应用意味着汽车由机械系统到电子系统的转变，线控技术要求用于线控的网络数据传输速度很快，时间特性很好，可靠性高。

传统的CAN总线无法为线控系统提供所需要的容错功能和带宽：一方面是因为，线控系统的实时性和可靠性要求都很高，必须要采用时间触发的通信协议；另一方面，线控系统要求通信网络协议具有容错的功能，容错的功能就意味着即使系统的不同部分出现了故障，系统仍然可以按设计继续运行。

TTP/C和FlexRay协议都包含容错的同步时钟，并且用总线监控器保护通信信道不受错误节点的影响，是纯线控系统通信协议的优选。

电机及其控制器

信息通过总线传输到控制器，然后控制器驱动各种电机实现执行工作。控制电机和控制器的性能，很大程度上影响着线控系统的整体性能。线控系统的电机主要以位置、转速或转矩等，作为控制目标，功率从十几W到几千W不等。

对于小功率电机，可以采用步进电机或直流电机，如节气门开度的控制电机、油泵电机等。

在大功率电机方面，永磁同步电机的应用已经越来越广泛，比如线控转向电机、EMB中的制动电机等。

图2 布雷博的EMB系统

纯线控系统由于多个电机同时工作，需要消耗更多的电能。因此需要提高电机功率密度、控制器功率密度以及系统效率等指标，扩大高效区的范围。这样不仅可以降低电机控制器和系统电源的负荷，提高设计的冗余度，还对线控系统工作节能，增强系统动力性能方面具有重要的意义。

此外，电机及控制器的可靠性、安全性、电磁兼容性也是整车集成控制安全性的重要前提。

动力电源

要保证整套线控系统的稳定工作，动力电源的性能也是至关重要的。

线控系统的执行器主要是大功率的电动机以及伺服电机，其相对于传统的执行器功率而言，消耗极高。举例来说，单个转向电动机的功率范围是550~800W，而电机盘式制动器的功率可达1000W。

如果继续维持传统的14伏供电系统，就必须通过提高电流，来获得更高的功率。但过高的电流会给整套系统带来安全隐患，汽车电路上的热能消耗也会大大增加，所以汽车供电系统必须通过提高电压，来满足更大功率的需求。

目前，48伏的供电系统得到快速发展，是当下的趋势。

图3 博世的48V供电系统

未来发展趋势

根据以上的关键技术解读，我们不难发现，线控系统的未来发展趋势主要有以下几点：

一是线控系统的智能化，各个线控子系统及汽车的其他电控单元高度集成，实现控制一体化。

比如，线控转向系统和线控悬架的有机结合，实现汽车的运动协调统一控制，向综合控制方向发展。综合发挥两者的优点，不仅可以实现自动驾驶，还可以更好的改善汽车的安全性、舒适性和稳定性。

二是提高线控技术的可靠性和安全性。

目前法规仍然要求转向和制动系统必须有机械连接，不允许使用纯线控的转向系统或制动系统，因此尽快提高线控系统的可靠性和安全性，是当务之急。只有实现高度的安全，才能获得政府部门对完全线控系统的认可，才能实现线控技术在车辆上的全面应用。

三是降低成本。

线控系统中所必需的传感器、高功率的电机、高性能的电源，以及硬件冗余等，都大大增加了成本。随着技术的进步、电子设备成本的下降，以及其他的技术手段，如非硬件冗余的容错控制技术等，线控系统的成本会逐渐下降。只有成本下降了，线控系统才能在量产车上大范围应用。

四是应用范围的扩展。

实现低成本和高可靠性后，结合目前的电动化、智能化发展趋势，线控技术的应用范围将越来越广，对自动驾驶的发展也会起到有效的推动作用。