新能源汽车中线控技术进展和发展趋势

新能源汽车中线控技术进展和发展趋势皮大伟南京理工大学车辆工程系主要内容1.线控技术的应用背景2.典型线控系统•线控转向系统•线控制动系统•throttle-by-wire3.线控系统的关键技术4.线控系统的发展趋势5.总结线控技术的应用背景线控技术（X-by-Wire）源于飞机控制系统（Fly-by-Wire），它将飞机驾驶员的操纵命令转换成电信号，利用计算机控制飞机飞行。这种控制方式引入到汽车驾驶上，就是将驾驶员的操作动作经过传感器转变成电信号，通过电信号网络传输到功率放大再推动执行机构。图1线控系统的组成框图线控技术就可理解为电控方式。这里的“X”代表着汽车中传统上由机械或液压控制的各个功能部件，如：制动、转向、悬架、油门、离合器、门锁等。典型的有线控转向（Steer-by-Wire）、线控制动（Brake-by-Wire）等。线控技术的应用背景通用公司的HY-WIRE概念车线控技术的应用背景线控技术的应用背景线控技术的应用背景线控技术得以逐渐在汽车上普遍应用的技术背景是微电子器件的成本降低、可靠性提高，如单片机，DSP等；电力电子装置的功能增强、成本降低，可靠性提高，如执行步进电机，伺服电机，传感器等等。线控技术的应用背景安全、节能、环保汽车电子化助力转向、ABS、ESP、主动转向、主动悬架线控技术的应用背景线控转向系统Steer-by-Wire线控转向系统取消了传统的机械式转向装置，转向器与转向柱间无机械连接。整个系统主要由转向盘位置传感器、力反馈电动机、转向执行机构、转向ECU、轮胎角度传感器、环境传感器组成。线控转向系统线控转向系统原理图线控转向系统线控转向系统线控转向系统在汽车中的布置线控转向系统汽车线控转向的优势在于：1.提高了整车设计自由度，便于操控系统布置2.转动效率高，响应时间短3.改善驾驶特性，增强操纵性4.取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性5.有利于整合底盘技术6.降低开发成本线控转向系统线控转向系统关键技术包括：合理的转向控制策略，能正确执行驾驶员转向意图；（转向系统理想传动比）系统稳定可靠，具有高的容错性；（液压转向系统、双套线控转向系统、机械转向系统）符合人们当前的驾驶习惯，准确地向驾驶员反馈车辆行驶状态信息（路感、转向轻便性）线控转向系统Steer-by-wire的前景围绕汽车开发的节能、环保和安全主题，未来汽车的主体将是零排放汽车。混合动力电动汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）等新型电动汽车，它们的逐步推广应用为线控电动转向系统的应用带来了非常广阔的前景。线控转向系统线控制动系统Brake-by-Wire线控制动系统线控制动系统线控制动系统线控制动系统线控制动系统线控制动系统线控制动系统线控制动系统主要由3部分组成：接收单元。包括制动踏板、踏板行程传感器等。制动控制器（ECU）。ECU接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等；控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑，并兼顾其它系统的控制。执行单元。包括电制动器或液压制动器等。线控制动系统EMB系统中的执行机构是与制动盘直接相连的部分，是EMB与液压制动系统差别最大的部分。一个典型的执行机构应该：结构紧凑、体积小巧；有提供驱动力的力矩电机；具有把圆周运动转化为直线运动的机构；具有力的放大机构；为保证更可靠的性能，最好在内部设有力或位移等传感器。线控制动系统相对传统的液压制动系统，EMB具有以下主要优点:1.机械连接少，没有制动管路，结构简洁，体积小。2.载荷传递平稳、柔和，制动性能稳定。3.采用机械和电气连接，信号传递迅速，反应灵敏，“路感”好。线控制动系统4.传动效率高，节省能源。5.电子智能控制功能强大，可以通过修改ECU中的软件，配置相关的参数来改进制动性能，易于实现ABS、TCS、ESP、ACC等功能。6.模块式结构更加整体化，装配简单，维修方便。7.利于环保，没有液压制动管路和制动液，不存在液压油泄漏的问题，系统没有不可回收的部件，对环境几乎没有污染。发展EMB需要解决的关键技术：力矩电机的设计：在制动时，当制动垫块和制动盘接触后，EMB中的力矩电机将工作在“憋死”这样的恶劣工作条件下。EMB不仅要求电机性能优越、反应迅速、可以提供足够大的力矩，而且必须结构紧凑、体积小巧、能够安装在狭小的制动空间内，还需要在冷、热、泥水、电磁干扰等恶劣环境下能够可靠工作。线控制动系统执行机构的设计：执行机构中的机械零件较多，结构复杂，如何有效地传递转矩，增大转矩，并且保证体积小巧是一个难题。成本的降低：有效降低EMB中的力矩电机、42V电源、诸多传感器、MCU、集成电路等器件的成本，将会更快推动EMB的发展和应用。线控油门系统throttle-by-wire线控油门系统线控油门系统线控油门的优点在于：1.控制精度高2.可依据行驶工况精确调节空燃比3.改善燃烧状况，提高汽车的动力性和经济性线控油门系统线控系统的关键技术容错控制技术为了提高汽车的可靠性和安全性，汽车线控系统必须采取容错控制，即当有些部件出现故障或失效的时候，它们在系统中的功能可以用系统中的其它部件完全或部分代替，使系统能继续保持规定的性能或不丧失最基本的功能，或进一步实现故障系统的性能最优。通信网络技术实时性好可靠性高时间特性好（通讯事件发生时间是确定的）冗余特性线控系统的关键技术线控系统网络协议主要选择:1.TTCAN2.TTP/C(TimeTriggeredProtocol,SAEClassC)3.FlexRay线控系统的关键技术TTP协议简介满足SAEC级网络的时间触发协议），目前有VOLKSWAGEN、AUDI、HONEYWELL和DELPHI等选用这个协议作为线控网络的协议标准。TTP协议原先应用于航空产品，安全性设计非常严格，基于严格的时序安排，具有非常可靠和容错的特性。系统中包含的每一个节点都和其他节点由2个重复的通道连接。这些节点可以被复制，并分组成为容错单元（FTU）来弥补通讯错误。由于重复信息同时在2个不同的通道上发送，所以传输信息的时间和量值都被复制。该协议的节点成本比其他协议的成本更高。线控系统的关键技术FlexRay协议简介FlexRay（动态部分byteflight协议），这是一种既支持时间触发，又支持事件触发访问方式的协议。FlexRay的主要使用者包括：宝马、大众、通用，最近包括丰田、日产、本田等一些亚洲汽车厂商也加入了FlexRay标准组织，使之有可能成为事实标准。线控系统的关键技术FlexRay协议主要特点：1.可靠性：FlexRay采用冗余备份的办法，分别由2条总线和2个网络控制器构成一个完整网络，每个ECU分别和2条总线相连，正常情况下可以利用双通道进行数据传递，当其中一个网络发生故障时也可以由另一个备份网络承担通讯任务。2.速度：发动机、制动和转向等控制有很强的实时特性，必须有很高的数据传输速率才能满足。线控系统的关键技术动力电源技术随着线控技术在汽车中的应用，汽车上的电子元件也变得越来越多，对电量的需求也越来越大，传统的14V电源已经不能满足将来的需要，甚至阻碍了线控技术的发展。这就需要对汽车现有的电源技术进行革新。众所周知，电压值的提高可使系统电流减小。而小的电流可使导线上的损耗减少，从而可使用更细更小的线束。提高电压值，也可以减少电器装置本身的体积、质量和损耗，也有利于控制装置的小型化，提高集成度。线控系统的关键技术目前提出新系统标准为42V。实验证明，电压越高，电流越小，在传输过程中损失的能量越小，电源系统越有效。但为什么止于42V呢？因为对于直流电，60V是一个安全极限，超过60V将要考虑到系统的安全性，需要使用更加先进的材料，这无疑增加了汽车的生产成本。而对于42V来说，工作峰值电压58V在安全极限之内，既满足了增加电压的要求，也不会增加太多的生产成本。线控技术对汽车电源技术提出了新的要求，汽车42V电源技术的发展为线控技术提供了可靠的能量保证。线控系统的发展趋势线控系统的发展趋势线控系统的发展趋势线控系统的发展趋势总结－结束语汽车线控技术作为汽车发展的一个重要方向，将对全球汽车制造业产生重大影响。汽车线控技术给汽车设计提供了新的思路，对汽车电子技术、控制技术、网络技术等方面提出了新的课题，给汽车整体结构带来了新的变革。谢谢！