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汽车电子新兴技术——线控技术

已有 774 次阅读  2009-05-20 15:32   标签汽车  电子  技术 
线控技术已经被广泛用于航空业,用线控制系统来取代传统的液压和机械系统已经成为技术发展的趋势,采用线控技术的制动系统、转向系统、传动系统有望在未来汽车上率先获得应用。国外GM、DELPHI、KOYO、TRW、BENZ等公司已运用线控技术开发了概念车。

  汽车
电子中各种线控制系统或线驱动系统将迅速发展,汽车用线控技术将在今后数年中大量出现,如线控制动(brake by-wire)、线控转向(steer by-wire)、线控油门(throttle by-wire)、线控悬架(suspension by-wire)等正在加紧研究开发。当线控这一目标实现时,汽车将是一种完全的高新技术产品,发动机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机全都不见了,汽车可以说是一台装在轮子上的计算机。

  一、线控技术简介

  (一)线控技术的结构原理

  线控技术(by-wire),就是由“电线”或者电信号实现传递控制,而不是通过机械连接装置来操作的。传统的操纵汽车的方式是:当驾驶员踩制动、踩油门、换档、打转向盘时,都是通过机械机构来操纵汽车。而线控技术则是将动作转化为电信号,由电线来传递指令操纵汽车。

  线控技术是在控制单元和执行器之间用电子装置取代传统的机械连接装置或液压连接装置,由电线取代机械传动部件,取消了机械结构,赋予汽车设计新的空间。

  线控系统需要高性能的
控制器,比如由Freescale半导体公司提供的MPC500/MPC5500系列微处理器。还需要有精确高速的通讯协议网络、容错技术和分配独立处理功能的模块

  线控系统的基本结构原理是:驾驶员的操纵指令通过人机接口转换为电信号传到执行机构,控制执行机构的动作;
传感器感知功能装置的状态,通过电信号传给人机接口,反馈给驾驶员,如图1所示。

  线控系统在人机接口通讯、执行机构和传感机构之间,以及与其他的系统之间要进行大量的信息传输,要求网络的实时性好、可靠性高,而且要求具有冗余的“功能实现”,以保证在故障时仍可实现装置的基本功能。

  (一)线控技术的特点

  1.线控技术的优点

  a.省力,人们可以不用直接操作机械力。

  b.由于操纵控制通过驾驶员的手完成,不需要转向盘、转向柱和脚踏板,这样就减少了正面碰撞时的潜在危险性,改善了汽车的安全性和舒适性,并为汽车设计提供了更大的设计空间。

  c.便于实现个性化设计,由于驾驶特性如制动、转向、加速等过程都是程序设定的,设计师可设计不同的程序供用户选择。

  d.比质量轻,性能高(响应快)。线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置,简化了结构和生产工艺,便于实现汽车轻量化。

  e.维护用品可大大减小,减少维护费用。取消机械和液压连接可减少车身质量并简化维护工作,可能磨损的部件更少了,如使用线控制动无需制动液,使汽车更为环保,减少维护。

  f.可以将汽车的车内娱乐装置也集成到网络之中,使得汽车导航和自动驾驶成为可能,整个汽车就是一个完整的电路整体。

  g.安装测试简单快捷,更稳固的电子接口(模块结构),隔板间无机械连接金属加工网版权所有,简单布置就能增加电子控制功能。

  2.线控技术的缺点

  电子设备还相当的不可靠——电磁干扰、器件失效、软件程序的设计、网络攻击等等。一旦电路失效而没有机械冗余就会导致灾难性的后果——转向失灵、油门难以控制和不能制动!所以线控技术研究的重点应该是系统的可靠性和安全性。

  二、线控技术在汽车上的运用

  (一)线控制动(brake by-wire)

  线控制动系统由实现电子化的供能装置、控制装置、传动装置、
制动器4个部分组成。ECU(电控单元)对制动系统进行整体控制,采用全新的电子制动器,每个制动器有各自的控制单元。机械连接逐渐减少,制动踏板和制动器之间的动力传递分离开,取而代之的是电线连接,电线传递能量,数据线传递信号。线控制动是自ABS在汽车上得到广泛应用以来制动系统的又一次飞跃式发展。
目前线控制动系统分为2种类型:一种是电液制动系统EHB(Electronic-hydraulic Brake),另一种是电子机械制动系统EMB(Electronic-Mechanical Brake)。电液制动系统是将电子与液压系统相结合,由电子系统控制,液压系统提供动力;电子机械制动系统则用电线取代传统制动系统中的空气或制动液等传力介质,电制动器取代传统制动器,电子机械制动系统是未来制动系统的发展方向。线控制动系统的共同特点是都具有踏板转角与踏板力可按比例调控的电子踏板;具有控制制动力矩与踏板转角相对应的程序控制单元;程序控制单元可基于其他传感器控制器的输入信号实现主动制动及其它功能。电子机械制动系统与传统制动系统的对比如图2所示。


  1.线控制动的优点

  线控制动目前处于向汽车领域应用的研究和改进阶段,随着技术进步,各种问题会逐步得到解决,线控制动系统最终会取代传统的以液压为主的制动控制系统以及电液复合制动系统。线控制动是未来制动系统发展的方向。线控制动具有传统制动系统无法比拟的优点。

  a.结构简单,系统质量比传统制动系统减少很多,从而减少了整车质量。

  b.制动响应时间短,提高了制动性能,缩短了制动距离。

  c.系统不需要制动液,维护容易、简单,采用电线连接,系统的耐久性能良好。

  d.系统总成的制造、装配、调试、标定更快,易于采用模块化结构。

  e.已经开发出具有容错功能的适用于汽车的网络通讯协议,如TTP/C,FlexRay等通讯协议可以应用到线控制动系统中。

  f.易于进行改进和增加功能,可以并入汽车CAN通讯网络进行集中管理和共享信息。

  2.线控制动需要面对的问题

  线控制动技术为将来的智能化车辆提供了条件。基于现在的技术条件,要全面应用线控制动,还有很多问题需要面对。

  a.驱动能源问题。采用线控制动需要较多的电能,目前12V的汽车电源无法提供足够大的能量,未来的汽车电源系统需采用高压电源(如42V电源系统),加大能源供应,以满足各系统能量的需求,同时需解决好高压电源的安全问题。

  b.设计制动系统时必须考虑制动系统的失效问题。不论是ECU、传感器、制动器本身、线束失效,都应能使制动系统保证制动的基本性能,除了ECU可以采用冗余设计外,实现线控制动的一个关键技术是制动系统失效时的信息通讯协议,如TTP/C等的研究应用。

  c.实现线控制动系统和汽车底盘其他控制系统的集成,仍有待研究。

  d.成本比原有液压制动系统高,提高线控制动系统的性价比也是需要解决的问题。

  3.线控制动的应用

  随着技术的进步,上述的各种问题会逐步得到解决。戴姆勒-克莱斯勒汽车公司已经把一种线控制动系统——测控一体化制动系统安装在奔驰乘用车上,它是一种功能强大的机电一体化的系统。在汽车运行中,系统感知制动踏板的动作,并把相关信息传递给控制单元,控制单元发出指令给执行器,执行器控制各个车轮的制动,它可以根据制动踏板的加速度来识别是否是紧急制动,并做出迅速反应,缩短制动距离,这种系统会增加驾驶员的安全感和舒适感,使停车过程平顺。不久的将来会有更多的线控制动系统得到应用,很多汽车和零部件厂商都进行了线控制动系统的研究和推广,博世、西门子、特维斯等公司已经研制出一些试验成果,线控制动系统必将取代传统制动系统,汽车底盘进一步一体化、集成化,制动系统性能也会发生质的飞跃。

  在2001年日内瓦汽车展上亮相的Bertone - SKFFilo概念车采用的线控制动系统就是由SKF与意大利著名制动系统生产商Brembo合作完成的。该车使用了驾驶员操作系统GUID,并进行了部分改进。当需要制动时,驾驶员只需双手挤压GUIDA的手柄。
一个数字化的命令通过导线传递给每个车轮上的SKF智能机电执行器单元,执行器将电信号转换成动作,对制动蹄片施加制动力,完成车辆制动。在SKF线控制动系统中,每个车轮的制动是独立的,并且都有备用系统。

  (二)线控转向系统

  线控转向系统简称SBW(Steering By Wire System),它由具有容错功能的网络相连接的控制单元、执行器、传感器和冗余电控单元组成,如图3所示,取消了转向盘与转向轮之间的机械连接,完全由电实现转向,摆脱了传统转向系统的各种限制。不但可以自由设计汽车转向的力传递特性,而且可以设计汽车转向的角传递特性,给汽车转向特性的设计带来无限的空间。

  驾驶员操作转向盘时,转向盘传感器检测驾驶员的转向数据(横摆角传感器、摄像机等),向转向辅助系统ECU提供环境检测数据,转向数据和环境检测数据通过网络总线实时传送给电子控制单元ECU,ECU按照驾驶员的转向数据和环境检测数据,控制转向执行器动作实现转向,并将车轮的转角、转矩和路感等反馈给驾驶员。为确保转向系统安全可靠,系统设置了冗余电控单元,在紧急情况下,系统会忽略错误信息,使车辆安全平稳地运行。

  1.线控转向系统优点

  线控转向系统能满足环保、节能和安全的汽车工业发展方向,是整个汽车智能化和自动化的线控技术的一个分支,具有良好的商业化和产业化的市场前景。其优点主要有以下几点。

  a.改善了安全性。取消了转向柱等机械连接,避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害;电控单元根据汽车的行驶状态对驾驶员的操作做出相应的调整,当汽车运行在非正常工况时,能够自动对汽车进行稳定控制。

  b.提高了舒适性。由于取消了机械结构连接,驾驶员的腿部活动空间明显增大,而且地面的不平和转向轮的不平衡不会传递到转向轴上,从而减缓了驾驶员的疲劳。

  c.经济性好。取消了转向柱等机械连接,减轻了转向机械结构的质量,降低了汽车零部件的制造成本,改善了整车燃油经济性。

  d.操纵稳定性好。线控转向系统改善了传统汽车转向系统不能解决的汽车转向过程中转向力和转向响应时间的矛盾,使得转向系统和转向盘同步工作,控制更加灵敏;具有变传动比特点的线控系统,克服了传统的固定转向角传动比所带来的转向特性随着汽车行驶姿态的不同而变化的缺点;通过优化控制稳定性因数,能提高整车的操纵稳定性。

  e.个性化的设置。可以根据驾驶员的要求设置转向传动比和转向盘反馈力矩,以满足不同驾驶员的要求和适应不同的驾驶环境,与转向相关的驾驶行为都可以通过软件来设置与实现。


2.线控转向系统应用

  2005年12月6~9日,2005上海国际汽车零部件及汽车用品展览会在上海国际展览中心举行,同济大学自主研发的“春晖三号—嘉乐”微型电动轿车在展会中亮相。“春晖三号—嘉乐”酷似甲壳虫,其最大亮点就是采用了线控转向技术。属于线控转向四轮驱动的微型概念车。

  863计划电动汽车专项首席科学家、同济大学校长万钢教授领衔研发了“线控转向四轮驱动微电动轿车技术”汽车。汽车的4个车轮边上各有一个轮毂电机,通过线传电控技术控制车轮的转向和车速,提高了整车的主动安全性和操纵稳定性。同时,该车采用了高能蓄电池和小型氢燃料电池的混合动力,凸显出环保、节能的理念。

  (三)线控油门(throttle by-wire)

  线控油门,也称为电控油门,即发动机的油门是通过电子控制的。传统的油门控制方式是驾驶员通过踩油门踏板,由油门拉杆直接控制发动机油门的开合程度,从而决定加速或减速,驾驶员的动作与油门动作之间是通过拉杆的机械作用连接的。而线控油门用电子连接代替机械连接,驾驶员仍然通过踩油门踏板控制拉杆,拉杆不是直接连接到油门,而是连着一个油门踏板位置传感器,传感器将拉杆的位置变化转变为电信号传送至汽车的电子控制单元,电子控制单元将采集到的相关传感器信号经过处理后发送指令至油门执行器控制模块,油门执行器控制模块再发送信号给油门执行器,从而控制油门的开合程度。也就是说驾驶员的动作与油门的动作之间是通过电子元件的电信号连接的。线控油门比传统油门控制方式精确,发动机能够根据汽车的各种行驶信息,精确调节进入气缸的燃油空气混合气,改善发动机的燃烧状况,从而大大提高了汽车的动力性和经济性。
丰田公司在Lexus旗舰车型LS430上采用了全电子的线控油门系统,如图4所示。系统有2个加速踏板位置传感器,都发送数据给发动机控制单元ECM,如果其中一个加速踏板位置传感器没有信号,汽车仍能行驶,同时发动机报警灯点亮;如果2个加速踏板位置传感器都没有信号,则发动机工作在怠速状态。线控油门系统根据驾驶员的动作,分析驾驶员的意图,精确地控制油门,增加了驾驶稳定性和动力经济性。

  在新一代雅阁V6轿车的2.4L和3.0L发动机上就采用了线控油门的新技术。通过传感器监测油门踏板位置,ECU对动力进行控制。其优点是改善了起步的平顺性、提高了燃油经济性,缺点是发动机响应稍有滞后。此外由线控技术带来的另一个好处就是定速巡航功能,其控制键被集成在转向盘上,操作简单便捷。

  本田汽车公司Civic系列2005年演进至第八代。该车采用了1台1.8L四气缸发动机,此款最新开发的1.8Li-VTEC(智能型电控可变气门正时和升程)直列4缸发动机能够爆发出103kW的最大功率,峰值转矩可以达到174Nm,几乎超过了所有自然进气式同排量的国产车型。这台发动机应用了本田最新的i-VTEC技术,配以采用线控技术的节气门,能够非常有效地提高燃油经济性,降低有害物的排放。而且进气效率和压缩比都进一步提高,造就了强大的输出功率。
(四)第一辆可驾驶燃料电池线控汽车——通用HY

  HY线控汽车一改传统机械连杆的传动方式,采用电子信号来操纵油门、制动和转向机构。取消了传统的转向盘、油门、制动踏板,所有的操作都集中在一个手柄上,驾驶员可以用一只手完成所有的操作。当驾驶员要加速或减速时,可以向左或者向右推动手柄;制动按钮也安装在这个手柄上,要制动时按一下制动按钮;当转弯时,驾驶员只需向上或者向下推动手柄。

  电子线控装置构成了一套操作灵活方便的控制单元,这一套控制单元被称为“X-drive”。它取代了传统的转向盘等,使得驾驶员用一只手就可以完成所有的加速、减速(制动)、转弯等操作。

  传统的汽车是通过一套机械装置,比如转向杆等,通过操纵转向盘转动而使车轮转动。线控技术是将驾驶员要转向的指令转化为电子脉冲信号,传感器捕捉电子脉冲信号,这个电子脉冲信号驱动由电子控制的电机来使得车轮转向架转动。线控系统就是将驾驶员的指令转化成电信号,用这个电信号去驱动电机。由于软件决定了汽车行驶特征,比如加速、减速(制动)、转弯等,所有的工作只是转载、执行相应的软件程序。

  三、汽车线控技术的应用前景

  在国内,除了同济大学研究完成的线控转向系统外,由北京理工大学完成的“一种电动车辆动力系统关键技术产品及其应用”获得了2004年度国家技术发明奖。其中的一项技术就是利用线控同步换档和行星传动技术,取消了主离合器,简化了换档机构,研制了一种结构简单、性能匹配优良的线控行星变速器。国内的一些高校也正在进行线控技术的研究。

  线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制,要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络,使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作;而且需要高效的容错技术,使得系统出现故障时能够保障一定的安全,即系统有好的可靠性。

  目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要,线控技术发展迅速,作为一种汽车高新电子技术,线控技术必将得到广泛的应用。但电子化不可能完全取代机械化,机械系统的损坏通常都是有过程的,而线控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高,造成的后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。
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