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线控底盘是未来发展趋势

汽车线控底盘主要由线控转向、线控制动、线控换挡、线控油门以及线控悬挂五大系统组成。线控底盘是自动驾驶与新能源汽车中间的一个结合点,它是实现无人驾驶的关键载体,也是智能化时代行业关注和企业研发的热点。
2021年10月15日-16日,由中国汽车工业协会、重庆两江新区管理委员会联合主办的“2021中国汽车供应链大会”在重庆举办,其中在10月16日上午举办的“线控底盘与传统零部件新发展”主题论坛上,邀请了来自业内的多位嘉宾研讨了线控底盘的发展趋势以及技术方向。
中国汽车工业协会副秘书长杨中平认为,线控底盘技术既是发展电动化、智能化的必经之路,同时也是未来智能汽车发展自动驾驶的必然要求,线控底盘系统取消了大量的机械连接装置及液压、气压等辅助零部件,同时还可以提升汽车能量利用效率,从而提升新能源汽车续航里程。据2020年国务院办公厅发布的《新能源汽车产业发展规划(2020-2035年)》,高级别自动驾驶汽车将有望实现规模应用,而行业现在有一个共识“无线控,不自动驾驶”,充分体现了线控底盘技术在新能源自动驾驶领域的核心地位,有望迎来规模爆发期。

线控底盘是未来发展的必然趋势
据中汽创智科技有限公司智能底盘高级总监张杰介绍,随着电动化和智能化的发展,汽车对底盘系统提出了新的要求。其中,新能源汽车对底盘的需求是不依赖于发动机真空源的助力、提高能量回收效率、提升制动性能和舒适性;智能网联对底盘执行的需求是不完全依赖人力的主动制动、转向、加速,并要求安全冗余、fail-operation。因此,新一代线控化智能底盘系统是实现自动驾驶的必备条件,也是增加新能源汽车续驶里程的关键系统。
张杰认为,智能时代的底盘系统需要有更高的冗余安全,以便提升安全可靠性,满足智能冗余、功能安全。传统汽车的电控单元在出现故障时,通常采用关闭系统、功能降级的方式。而L1-L2级驾驶辅助系统的底盘系统须具备fail-safe特性,L3级及以上的自动驾驶底盘系统则须具备“fail operational”故障下可运行功能,在某电气系统出现故障之后仍需保留冗余可操作性。
而以融合域、区域控制、中央超算平台为特征的新型E/E架构的出现,对底盘系统提出了更高的要求。传统的EEA架构每个功能都由一个ECU控制,存在网络结构复杂、难以协同、无法统一OTA升级等困扰。而新的E/E架构基于“中央计算-层-区”概念,呈现出域控、计算集中化、平台标准化、软硬件解耦及软件定义功能的趋势,同样带来底盘控制系统的架构变化、信息安全和网络安全新要求。
新型底盘在满足驾驶舒适性的同时,还要兼顾节能等多目的需求,如纯电动底盘一体化设计与模块化集成控制,有利于降低重量、节省成本、增加续驶里程、提升灵活机动性。未来,电动化、智能化、轻量化将大幅提升底盘系统单车价值量,从而开发工作量和复杂度也将成倍增加。
汽车的高安全性、高可靠性,对智能化提出了极大的挑战,何以进阶?唯有持续成长。联创汽车电子有限公司智能制动事业部总经理隋巧梅认为,随着汽车电子技术的快速发展,汽车的发展趋势是集成化、模块化、机电一体化以及智能化,其中,汽车底盘系统线控化将从部分子系统线控化逐渐演进到全局线控化,底盘系统集成化程度逐渐提高,线控底盘是未来发展的必然趋势。

如何破解线控系统“卡脖子”难题
感知、决策和执行是智能驾驶的三大系统,其中,线控执行也是被“卡脖子”的核心系统。格陆博科技有限公司董事长刘兆勇认为,线控底盘域控制系统是智能汽车最核心的控制系统,相当于“小脑”+“四肢”。
近年来,随着芯片处理能力的快速发展,以及车载雷达、摄像头等识别感应装置的性能提高与成本降低,AEB、AVP、LKA、ACC 等以提高车辆全性能为目的的驾驶辅助系统在类别和数量上都急剧增加。随着智能驾驶技术的进一步发展,智能驾驶系统控制完全替代驾驶员的“无人驾驶系统”的应用可行性将会大幅度提升。而底盘线控系统是这一切的基础。
当前,跨国供应商普遍将核心开发工作放在公司总部完成,无法满足OEM对底盘线控系统联合开发和快速响应的要求。国内供应商切入市场的机会恰恰在于这当中产生的响应速度和开放接口要求。芯片、电机、仿真、开发工具等技术发展,给国内底盘控制系统的开发插上了翅膀。刘兆勇认为,良好的整零关系、产业链融合是国内底盘控制系统占据市场主导地位的基础。
随着智能化的升级,从L1到L4对系统要求越来越高。上海拿森汽车电子有限公司总经理陶喆认为,L3、L4对线控的要求需要几个自动备份的特征,第一个是制动助力,第二个是车身稳定控制,第三个驻车控制,第四个车速轮速信号,第五个NBooster与ESC的供电相互独立的备份,第六个是系统间通讯及交互冗余备份。自动系统考虑的是安全,任何时间发生单点失效时,都要保证整个系统做到备份,以确保驾驶安全。
不断创新是技术进步的前提。上海同驭汽车科技有限公司联合创始人、技术总监徐国栋认为,只有尊重历史规律、以人为本的创新型技术才能焕发持久的生命力。而尊重历史规律、以人为本的创新最好方式,就是与传统零部件进行协同创新。线控底盘的发展,也应当遵从这些规律。
徐国栋举例到,过去的十余年里,手机完成了从功能和成本两方面的螺旋式提升,拥有新功能的手机赚取了极高利润,具有成本优势的方案拿下了巨大市场。总体还是能够看出,手机行业的产业化,比拼的说到底还是产品功能和成本。而互联网时代的汽车,也显著地朝着这一方向飞速发展着。
与之不同的是,汽车产业这一历史悠久的资源消耗型产品,其利润率已经很薄,很多零部件的价格已经和原材料价格接近。因此不能简单地模仿手机零部件以量降本的方案。如此以来,协同传统零部件的创新显得更加重要,这些创新,很有可能是成本降本的巨大增长点。
所以,在汽车领域中,线控底盘新型产品与传统零部件并不完全是相互替代的关系,还有着丰富的协同创新内涵,把握住这些内涵,完善产品功能,打造高性价比产品,国货产品才能大有可为。

自动驾驶对转向系统提出更高要求
蜂巢智能转向系统(江苏)有限公司总经理王朝久介绍了转向系统的未来发展趋势。
目前的转向系统主要包括前轮转向(2WS)、四轮转向(4WS)、线控转向(SBW)和四轮独立转向(4WIS)。其中,目前使用最普遍的是前轮转向,技术成熟,价格便宜,但缺点是转弯半径比较大(乘用车一般转弯半径5-6m),尤其是轴距较大的车辆,在狭窄十字路口转弯或在狭小空间泊车比较困难。另外,跑车速度较快,高速急转弯时,车身容易漂移,非常危险。
为了解决低速转弯困难和高速变道不完全问题,在后轮上也安装转向机构,让车辆前后轮都能转向(4WS),低速时前后轮逆相位转向,高速时前后轮同相位转向。4WS解决了低速灵活性和高速稳定性的矛盾。除后轮要增加一套转向机构外,后轮悬架也比较复杂,增加相应成本,这也是目前不能普及的原因之一,但部分高端车型早已采用了4WS技术(例如AUDI A8)。
近几年,随着电动转向的大量普及以及可靠性的提高,纯电动4WS又有死灰复燃的迹象,前后轮无机械连接,后轮成为线控转向。四轮转向不仅仅具备随速可变转弯半径,还增加了车身稳定控制功能。例如奥迪A6、A7、A8、Q7,宝马X5、大众途锐等。4WS虽然性能优良,但与2WS相比成本高,技术难度大,目前只有高档豪华乘用车采用。但随着道路拥挤和城市停车场狭小,驻车灵活的渴望增大,另外,豪华新能源汽车对4WS需求也明显增多,未来市场需求可能逐渐旺盛。
线控转向(SBW:Steering by Wire)的具体方案就是取消中间轴,亦即方向盘与车轮之间没有机械连接,完全通过信号电缆连接。这样既规避了碰撞风险,又提高了空间布置自由度,又降低了路面干扰。但线控转向也有明显缺点,由于取消机械连接,当助力失效后人类无法掌控车轮,同时由于增加手感模拟单元,成本明显增加。针对这两个缺点,英菲尼迪Q50-SBW保留了中间轴,使用离合器切换,当助力发生故障时,瞬间离合器闭合切换到机械连接模式。这种转向机构显然是多此一举,一直没有被大量采用。
四轮独立转向是在每个车轮上安装转向机构,四个车轮独立回转,除可以完成传统转向方式外,还可以让车辆原地回转、横向驻车等。但四轮独立转向由于结构复杂,成本太高,短时间内很难在普通车辆上普及,但在特殊用途的车辆上,应该具有市场前景。例如物流小车、矿山车辆等,由于空间狭小,需要足够的移动灵活性。如京东开发的物流小车,采用四轮独立驱动和转向,机动性更强,在狭小的街区甚至宾馆走廊内都可以灵活穿梭配送。
随着自动驾驶的发展,对转向系统提出了更高的要求,简单说只有两点:一是要具备各种自动驾驶所需的高级功能,二是转向系统要可靠。L0-L3级可以认为是ADAS,L4-L5可以认为是ADS。
L2级自动驾驶,不要求转向系统冗余,但可靠性要高。L3级自动驾驶可以允许短时脱手,一旦系统发生故障,驾驶员能够及时接管,因此要求转向系统要有部分冗余。而L4-L5级自动驾驶,允许长时间脱手,一旦系统发生故障,驾驶员即使不接管,也能保障驾驶安全,因此要求系统冗余度更高。
湖北恒隆汽车系统集团有限公司智能转向市场总监才振召认为,线控转向怎样让驾驶员继续感受到驾驶的乐趣,是比较大的技术难点,DP-EPS与转向路感模拟器结合的线控转向技术,将是未来的研发方向之一。

线控底盘电磁阀关键零部件如何产业化
据江苏奕隆机电科技有限公司总经理潘劲介绍,电磁阀这个产品虽然名声不显,便宜的几块钱,贵的几万块钱,但是它在液压系统中的重要性不低。尤其是线控制动系统里的电磁阀,比铅笔头大不了多少,投影面积跟一块芯片差不多,但它在液压系统里面的重要性也跟芯片在ECU控制器里面的重要性差不多。
在线控底盘中,不管是制动系统的ABS、ESC、1-BOX,包括悬架系统的空气弹簧等等,电磁阀都是其中的关键零件之一。目前这个产品基本是国外厂家垄断市场,国内的品牌刚撕开一个角,国内自主产品所占比例很低,因此这个产品也被称为是“卡脖子”的产品。
在潘劲看来,电磁阀产业化主要有三个方面的难度。第一个是产品设计难。虽然是一个小电磁阀,比铅笔头大不了多少,但是涉及的技术领域比较多,需要多参数的耦合,而且各参数相互影响,涉及到电、磁、液压、材料成型、传热等多个学科,做一个电磁阀的设计,我们要考虑它的电、磁、流量匹配、升压控压甚至热管理,所以要设计一个合适的产品难度比较大。
第二个是加工难。要加工的零件小、精度高、公差小、一致性要求高,需要几十万甚至上千万的设备来加工这些零件,需要不同的金属、橡胶、塑料材料,需要机加、冲压、拉伸、注塑等不同工艺的工厂来生产和配合。
第三个是量产难。产品的性能要合格,一致性要好,合格率更是决定能否量产的关键因素。样件出来后需要一系列的试验测试,测试项目多、时间长,从发现问题到修改设计,再到重新试制样件,再试验,再修改。尤其是采用线性控制策略以后,对生产的一致性有了更高要求,需要生产企业在原材料、设备、工艺过程、人员等多个方面管控,所以难度就更大。
除了上述三个达到量产生产的难点以外,产业化的难点还在于要做到质优价廉的高性价比。让做系统集成的Tire1有合作动力,这可能是目前产业化中更大的一个门槛。
国内的线控底盘控制系统产品起步晚,芯片等电子器件又受制于外资企业,竞争压力很大。直白的说,在ECU上的劣势,需要在机械执行机构上建立优势找回来。如果上下游企业紧密合作,潘劲认为,对电磁阀企业来说,每年3000万只电磁阀,是个平衡点,能基本具备与国外品牌竞争的能力。
注:本文首发于《汽车纵横》杂志2021年11月刊
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