智能底盤與電子穩(wěn)定性系統(tǒng)研究

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車越來越重，車速越來越高，這些變化除了對汽車的基礎(chǔ)制動(dòng)能力提出了更高要求外，也對車輛的穩(wěn)定性提出了更高挑戰(zhàn)。根據(jù)對汽車安全性研究顯示，在道路交通事故中，大約10％的事故是由于車輛在制動(dòng)瞬間偏離預(yù)定軌道或甩尾造成的。

眾所周知，完善底盤的制動(dòng)性能是減少交通事故的重要措施，而對制動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)是完善制動(dòng)性能的關(guān)鍵。雖然對制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)以提高車輛穩(wěn)定性的理論研究很早就已經(jīng)展開，但是真正落地卻要依賴技術(shù)上的天時(shí)地利，液壓制動(dòng)替代傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)的廣泛應(yīng)用以及機(jī)電技術(shù)的發(fā)展給實(shí)現(xiàn)制動(dòng)主動(dòng)干預(yù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)干預(yù)甚至懸架主動(dòng)干預(yù)提供了可能。

自此，從最開始的制動(dòng)防抱死系統(tǒng) (Anti-lock Brake System, ABS)到今天的車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng) (Vehicle Dynamic Control, VDC)，底盤電子穩(wěn)定性系統(tǒng)開始了華麗的進(jìn)化之路。

然而底盤電子穩(wěn)定性系統(tǒng)的進(jìn)化還沒有停止。智能底盤新的E/E架構(gòu)又給底盤電子穩(wěn)定性系統(tǒng)帶來了新的優(yōu)化方向，比如在底盤域控制器的控制下各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作可以實(shí)現(xiàn)更快速的穩(wěn)定性控制。智能底盤與電子穩(wěn)定性系統(tǒng)這一話題正在成為主流主機(jī)廠和供應(yīng)商的研究熱點(diǎn)。

動(dòng)力底盤域示意圖，圖片來自“中國汽車工程協(xié)會(huì)”

智能底盤與電子穩(wěn)定性系統(tǒng)

在今天汽車電動(dòng)化和智能化的浪潮之下，傳統(tǒng)動(dòng)力升級為三電系統(tǒng)，底盤系統(tǒng)上傳統(tǒng)的機(jī)械零部件得到精簡，電控程度越來越高；與此同時(shí)，隨著輔助駕駛系統(tǒng)（如ACC、AEB等）的日益普及和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的逐步落地，衍生出了越來越豐富的智能化場景的新需求。

另一方面，消費(fèi)市場對汽車定位也在發(fā)生改變。終端消費(fèi)者不再只將汽車視為運(yùn)載工具，汽車變成了提高生活品質(zhì)的載體和空間，這一消費(fèi)趨勢意味著行業(yè)在追求汽車智能的同時(shí)，也需要更進(jìn)一步地提高汽車的舒適性和駕駛質(zhì)量，為消費(fèi)者提供更愉悅的用車體驗(yàn)。

智能化場景對底盤系統(tǒng)的新需求，圖片來自“中國汽車工程協(xié)會(huì)” 在這一浪潮的驅(qū)動(dòng)下，汽車對底盤系統(tǒng)也提出了更高的要求，更加智能的底盤才能適應(yīng)汽車電動(dòng)化和智能化的發(fā)展需要。對智能底盤的新要求可以概況為四類：

有個(gè)性：根據(jù)客戶駕駛習(xí)慣提供個(gè)性化定制

高性能：系統(tǒng)響應(yīng)更加精準(zhǔn)和迅速

可成長：系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)能力并支持OTA升級

高安全：產(chǎn)品安全和信息安全多重安全保證

雖然從目前的市場表現(xiàn)看，底盤系統(tǒng)還處于機(jī)電混合時(shí)期，但是已經(jīng)可以看到正在向智能底盤過渡的趨勢。首先是線控技術(shù)在汽車上的普及和進(jìn)化。線控技術(shù)源于飛機(jī)控制系統(tǒng)，它將飛機(jī)駕駛員的操縱命令轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電纜直接傳輸?shù)阶灾魇蕉鏅C(jī)。線控技術(shù)最大的優(yōu)勢是響應(yīng)精準(zhǔn)迅速，這一優(yōu)勢在汽車線控技術(shù)上得到繼承。

當(dāng)前各個(gè)底盤控制子系統(tǒng)基本都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)線控。隨著自動(dòng)駕駛的演變，駕駛員的角色得到弱化，方向盤和踏板的作用逐漸減弱。電控系統(tǒng)和駕駛員機(jī)械接口解耦，可以更加靈活地對底盤系統(tǒng)特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而滿足不同客戶的個(gè)性化需求，這是線控底盤的另一優(yōu)勢。

其次，智能駕駛系統(tǒng)E/E的變革也催生了智能底盤E/E的進(jìn)化。在機(jī)電混合時(shí)期，底盤系統(tǒng)的E/E架構(gòu)為簡單的子系統(tǒng)ECU的疊加，雖然子系統(tǒng)間有合作，但是這些合作僅體現(xiàn)在信息共享層面，各個(gè)子系統(tǒng)依舊“各自為營”，功能控制受到彼此的制約，響應(yīng)遲緩，沒有體現(xiàn)出“1+1>2”的效果。

車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng) (Vehicle Dynamic Control, VDC)的性能就受制于傳統(tǒng)E/E架構(gòu)的約束。VDC依賴轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)輸入來判斷車輛是否有出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度的趨勢，并通過對輪端制動(dòng)力的修正進(jìn)行橫擺角速度控制使車輛重新回到穩(wěn)定狀態(tài)，雖然轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對車輛穩(wěn)定性有直接影響，但是VDC并不直接干預(yù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤轉(zhuǎn)角控制，因此，在這個(gè)過程中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的表現(xiàn)會(huì)對穩(wěn)定性調(diào)節(jié)的速度產(chǎn)生實(shí)時(shí)的影響，但其影響只能讓制動(dòng)系統(tǒng)處于“補(bǔ)救調(diào)節(jié)”的循環(huán)中。換句話說，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對穩(wěn)定性控制無法起到“主動(dòng)輔助”的作用。

來自轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)是VDC的重要輸入之一在基于底盤域控制器的新E/E架構(gòu)下，智能控制核心功能集中于域控制器內(nèi)，實(shí)時(shí)對各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制，精準(zhǔn)且快速響應(yīng)，打破子系統(tǒng)間功能簡單疊加的壁壘。

動(dòng)力底盤域示意圖，圖片來自“中國汽車工程協(xié)會(huì)”

比如同樣是VDC系統(tǒng)，域控制器可以綜合各個(gè)子系統(tǒng)反饋的車輛狀態(tài)，在車輛達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性極限之前就及時(shí)介入控制，對制動(dòng)和轉(zhuǎn)向甚至懸架進(jìn)行快速修正，和傳統(tǒng)控制相比，由傳統(tǒng)的“補(bǔ)救型控制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A(yù)防型控制”，不僅更安全，也讓駕駛員更加舒適。

可以預(yù)見，隨著智能底盤的演進(jìn)，電子穩(wěn)定性系統(tǒng)將會(huì)迎來革命性的進(jìn)化，進(jìn)化的趨勢主要是“協(xié)同合作”、“補(bǔ)救變預(yù)防”以及“快速精準(zhǔn)”。與此同時(shí)，電子穩(wěn)定性系統(tǒng)將不僅僅由某個(gè)供應(yīng)商獨(dú)立提供，而是變成一個(gè)涉及多方控制器的復(fù)雜系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合的程度將直接決定電子穩(wěn)定性系統(tǒng)的性能。

dTCS (分布式牽引力控制系統(tǒng))

當(dāng)前各大主流OEM和供應(yīng)商都在朝著基于域集中的E/E架構(gòu)發(fā)展，但是距離大規(guī)模落地還有一段時(shí)間，當(dāng)前依舊以分布式E/E架構(gòu)為主。

E/E架構(gòu)的演變趨勢不過，在行業(yè)探索的過程中已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出各個(gè)子系統(tǒng)加強(qiáng)“協(xié)同合作”的趨勢，即使在分布式的E/E架構(gòu)下也已經(jīng)衍生了出提高電子穩(wěn)定性系統(tǒng)性能的方案。比亞迪和博世聯(lián)合研發(fā)并在純電車漢上首發(fā)的分布式牽引力控制系統(tǒng)(dTCS, distributed Traction Control) 就是制動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)調(diào)合作的一個(gè)成功案例。

漢四驅(qū)EV首發(fā)dTCS，圖片來自網(wǎng)絡(luò) 牽引力控制系統(tǒng)（TCS）主要是通過限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和調(diào)節(jié)輪端制動(dòng)壓力來保證車輛能在冰面或者分離路面(一側(cè)低附，一側(cè)高附)抑制車輪打滑，順利起步。

對于純電動(dòng)汽車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩響應(yīng)迅速，且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，導(dǎo)致新能源汽車在冰面上起步時(shí)更容易突破路面附著極限，為實(shí)現(xiàn)順利起步，更加精準(zhǔn)、快速地調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)扭矩顯得尤為重要。傳統(tǒng)的TCS系統(tǒng)控制周期為20ms，再加上通訊網(wǎng)絡(luò)的延遲，從輪胎打滑到調(diào)整驅(qū)動(dòng)扭矩輸出的扭矩閉環(huán)響應(yīng)大約需要100ms左右。

在閉環(huán)控制過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩響應(yīng)快和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的特性加大了車輪在冰面起步時(shí)的打滑量，讓TCS需要更長的時(shí)間才能調(diào)節(jié)到目標(biāo)扭矩，對TCS的調(diào)節(jié)時(shí)間造成了負(fù)面影響。

純電車TCS控制示意圖，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

另一方面，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU的控制周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)TCS系統(tǒng)依賴的ESP或IPB ECU，后者為毫秒級別，而前者為微秒級別。如果將扭矩控制模塊從ESP/IPB ECU移到電機(jī)控制器MCU，那么將極大地縮短TCS的控制時(shí)間，化劣勢為優(yōu)勢。這正是dTCS系統(tǒng)的核心思想。

純電車dTCS控制示意圖，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

為實(shí)現(xiàn)這一想法，關(guān)鍵是需要將動(dòng)態(tài)扭矩控制單元(DMC, Dynamic Motor Control)從傳統(tǒng)的TCS系統(tǒng)中剝離然后集成到MCU的軟件中。在比亞迪和博世的合作中，博世提供IPB系統(tǒng)和DMC軟件，比亞迪負(fù)責(zé)將DMC軟件集成到自主開發(fā)的電機(jī)控制器中，并在漢EV四驅(qū)版本上聯(lián)合調(diào)試，將車輪驅(qū)動(dòng)扭矩響應(yīng)提升了約10倍，大大降低了車輪的打滑量，使車輪始終保持著較好的路面附著力，從而極大地提升了駕駛安全性。

純電動(dòng)車TCS控制和dTCS控制對比，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

dTCS系統(tǒng)很好的體現(xiàn)了在智能底盤下電子穩(wěn)定性系統(tǒng)存在著巨大的進(jìn)化空間?？梢灶A(yù)見，域控制器的落地將會(huì)為各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)合作創(chuàng)造出更大的空間，屆時(shí)，電子穩(wěn)定性系統(tǒng)將會(huì)迎來更大的進(jìn)化。