汽车底盘电子控制技术 现状和发展趋势

浙江亚太机电股份有限公司郭立书 博士

2011 年 11 月 22 日

汇报内容

• 前言• 汽车底盘电子控制的理论基础 • 现代常见的汽车底盘电子控制系统• 汽车底盘电子控制系统的网络化趋势• 汽车底盘电子控制的长远趋势 -线控底盘• 总结和展望

法规 排放 噪音

成本安全性

动力性

续驶里程

可靠性 节能

内饰空气阻力

重量

外型声誉

汽车技术的要求

汽车电子占整车价值的百分比 汽车电子占汽车技术创新的百分比

汽车电子的几项百分比和发展趋向

体积

价值

增加系统的复杂性 增大系统之间的相互依赖性 显现出降低造价的重要性 在部分高档汽车中汽车电子和软件已经达到了汽车总 造价的 40%； 目前 90%汽车技术创新都是同汽车电子和软件相关； 部分高档汽车中的电子控制器已达 70个以上 . 它们之

间 使用多个网络相互联系和交换信息。

汽车技术创新的现状

信息系统 发动机和传动系统 底盘控制系统 舒适和安全系统

汽车电子系统分类

导航 信息网络 娱乐（音乐 / 视频 / 游戏）电话 / 传真 / 电子邮件 通讯系统

集成电动机和传动系统起动器 - 发电机混合动力传动电动传动电磁气门

线控制动线控转向主动悬架侧倾控制连续阻尼控制全时四轮驱动

空调电动车窗中央门锁防盗、巡航安全气囊汽车电喷系统

信息娱乐 硬盘和电机 起落架控制 舒适和安全控制台

汇报内容

• 前言• 汽车底盘电子控制的理论基础 • 现代常见的汽车底盘电子控制系统• 汽车底盘电子控制系统的网络化趋势• 汽车底盘电子控制的长远趋势 -线控底盘• 总结和展望

汽车底盘系统之间的关系

车辆动力学技术

侧倾控制连续阻尼控制

转向

电动助力转向

主动悬架

制动牵引

差速锁

手动驾驶

主动前轮转向

电子稳定程序

主动四轮驱动

汽车底盘电控系统的分工和协调

车身具有 6 个自由度车辆耦合运动悬架坐标轮胎力系

M

AYC

EBD

ABS

TCSESP

ESP

驾驶员指令 :方向盘油门 , 制动

起作用的是轮胎力Fx 和 Fy

影响的是汽车的运动状态

ax,ay,Yaw

μ Fz λ α γ主要参数和变量

α

Fx

FyλB=(w0-w)/w0

滑移率侧偏角

轮胎力

现代汽车底盘控制的基本思路和原理

汇报内容

• 前言• 汽车底盘电子控制的理论基础 • 现代常见的汽车底盘电子控制系统• 汽车底盘电子控制系统的网络化趋势• 汽车底盘电子控制的长远趋势 -线控底盘• 总结和展望

纵向和侧向力系数 - 滑动率曲线

车轮的侧偏角

纵向和

侧向力

系数

滑移率

汽车轮胎特性

滑移率控制

范围 15%～25%

ABS:简化的车轮轮胎滑动率的控制原理

λ=（ ωR0-ωr)/ωR0

=(VF - Vw)/VF ωR0=VF/R

ABS:制动压力调节原理图

常开阀进油阀

常闭阀出油阀

回油泵低压蓄能器

整车的 ABS液压回路图

1.主缸 2.液压控制单元 3.高压蓄能器 4.液压泵 5.电机 6.低压蓄能器 7.进油阀 8.出油阀

TCS系统最典型的应用场所 µ-Split

MKar*iDiff=2*Fh*R

Fx=2*FlMKar*iDiff>2*Fl*R

Fx=Fh+Fl

MKar*iDiff>>2*Fh*R

差速器

发动机的电子管理是 TCS的先决条件

TCS的发动机干预 : 发动机的电子管理系统2(EMS)不断地将实际扭矩发送给TCS控制器。如果发动机的实际扭矩大 , 控制器计算出期望扭矩并将其值发送给发动机的电子管理系统(EMS)。 EMS于是将根据 TCS控制器的期望扭矩。执行电机 4 对节气门 5 进行相应的调整。在这种情况下 TCS只能减小而不能增大驾驶员的节气门踏板 MFV(3)的要求。

ABS/TCS

TCS出现的意义

• 对汽车的动力性能 :

( 差速锁 + 最优滑移 )

• 对汽车的安全性能 :

( 快速自适应巡航控制 + 侧向力 + 发动机制动控制 )

• 对现代汽车技术 :

驱动力控制的电子化 + 智能化 + 网络化• 对汽车制动器厂家 :

从单纯的汽车减速控制到汽车加速控制从汽车运动的单向到汽车纵向运动的一个完整的自由度

制动压力

t驾驶员

过多转向脉冲

不足转向脉冲

过多转向 不足转向

FB

FB

FB

FB

有 ESP

有 ESP

没有 ESP

没有 ESP

ESP的基本思路

TCSESP

发动机转矩控制

真空助力器与串联主缸

ABS

车轮转速 传感器

液压阀控制器 集成块

方向盘转角传感器

汽车横摆角速度和横向加速度传感器

液压传感器

ESP所需电子传感器及硬件

ESP基本控制原理

控制对象 :汽车执行机构 :刹车和发动机干预监视 : 测量和估算运动状况

期望运动状况 实际运动状况

控制误差

控制干预

ESP(电子稳定程序 )控制变量的选定• 质心侧偏角• 横摆角速度• 质心侧偏角速度• 前轮转向角

J F l F lgz sf f sr r

m v F Fg sf sr ( )

J F l F lgz sf f sr r

rRrsr CF

ffl

v

r

rl

v

侧向力

侧偏角Zfsf FF

sf Rf fF C

侧偏角速度和理论前轮转向角作控制变量

meas

lata

refv measref

lat

va

1st

order

calc

meas

lata

refv latref

meas aKv

l*

*

1st

order

过多转向时

不足转向时

ESP(电子稳定程序 )液压回路简图

ESP液压块、电磁阀、电子控制器组装简图

ESP出现的意义

• 对汽车的动力性能 :用轮胎的纵向力替代横向力来实现汽车的横摆和侧向运动

• 对汽车的安全性能 :几乎在任何环境下都能保持汽车的方向稳定性

• 对现代汽车技术 :汽车转向行驶控制的电子化 + 智能化 + 网络化

• 对汽车制动器厂家 :从单纯的汽车减速控制到汽车动力学的全面控制 (ESP)涵盖汽车动力学的三个运动自由度为新的产品和新的商机开僻了广阔天地

汽车电子转向控制的新功能和特点

• 1.对驾驶员的意图进行识别 , 对汽车的运动动状况进行估计 , 在必要时向驾驶员提出合理的建议 (DSR EPS)；2.对驾驶员的意向进行识别 , 对汽车的运动动状况进行观察 , 在必要时对驾驶员的指令进行合理的修正(AFS RWS)；

3.电控电动助力转向减轻驾驶员转向力 , 从而减轻驾驶员的劳动量。

特征 : 主动 , 识别 , 监督 , 建议 , 修正 ( 监督 , 参谋和调整 ) 。

4.节能，降低油耗的措施之一。

EPS (Electric Power Steering)可取代传统的动力转向辅助力矩的大小可以由控制器根据具体情况自由调节 :V,TDriver,δ

主动性前轮电动助力转向系统

DSR- Driver Steering Recommendation1.当汽车过多转向时2.当汽车在 -Split 路面制动时3.停车辅助

主动性前轮电动助力转向系统的组成部分

转子转数传感器

控制器

电机

力矩传感器

力矩传动单元

转向角传感器

ab

c

d

a) 安装在转向轴上的 EPS b) 安装在转向器小齿轮上的 EPSc) 安装在转向器齿条上的 EPS d) 安装在转向器横拉杆上的EPS

前轴的额定载荷小于 650公斤的微型轿车

适应于前轴的额定载荷不大于 850公斤的中档轿车

前轴的额定载荷不大于 1350公斤的中高档轿车和小型BUS

前轴的额定载荷大于 1350公斤的车辆

主动性前轮电动助力转向系统的不同形式

主动性后轮转向系统

基本功能 :iRWS=δrear/δfront后轮转向系统的转动比作为车速的函数

低速拐弯 , 停车更敏捷 , 更方便高速换道更快 , 更安全

V

iRWS

50km/h 特别功能 : 汽车方向稳定

对汽车运动控制的其他可能性

• 对汽车的侧倾稳定杆进行控制 Fz->变化• 对汽车车轮的外倾角进行控制γ->变化

• 对汽车悬挂系统的弹簧和阻尼器进行控制

Fz->平稳

轮胎力

μ Fz λ α γ主要参数和变量

1

BMW 7er 的主动性侧倾稳定杆控制系统

扭转力矩

侧倾稳定杆

换向电机断面图 电机内腔 电机轴

电机壳 主动稳定 后桥

主动性车轮外侧角控制系统

主动车轮外倾角控制

旋转

驾驶动态对比 驾驶条件传感器

控制阀 液压支撑

双横臂杆

执行器

轮架

轮胎

车轮偏移 - 侧向力 外倾角 - 侧向力

车轮外倾角

CDC减振器 , 连续可调减振器

稳定性

安全性

舒适性

相对速度 m/s

阻尼

力拉

力压

力

比例阀CDC减振器

CDC减振器的特性曲线 CDC减振器结构图

汇报内容

• 前言• 汽车底盘电子控制的理论基础 • 现代常见的汽车底盘电子控制系统• 汽车底盘电子控制系统的网络化趋势• 汽车底盘电子控制的长远趋势 -线控底盘• 总结和展望

汽车底盘的一体化控制(GCC)

车辆

保存车辆状态

车辆响应

车辆响应

干扰

交通环境

转向

驱动

制动

悬架

底盘其它系统

底盘一体化控制

车辆传感器

油门踏板

制动踏板

驾驶员

方向盘 ECU

ECU

ECU

ECU

ECU

底盘一体化控制目标，给定的电控底盘子系统配置（ ESP, EPS, EAS, CDC, ARS, ...）给定驾驶条件的全局优化

主动安全性驾驶舒适性驾驶乐趣

电子稳定程序电动助力转向电子空气悬架连续阻尼控制

主动侧倾稳定性

汽车底盘一体化控制的任务和目的

汇报内容

• 前言• 汽车底盘电子控制的理论基础 • 现代常见的汽车底盘电子控制系统• 汽车底盘电子控制系统的网络化趋势• 汽车底盘电子控制的长远趋势 -线控底盘• 总结和展望

(X by Wire)汽车线控系统的特点

• 操纵机构和执行机构没有机械联接和机械能量的传递 ;

• 驾驶员操纵指令由传感元件所感知 , 由电子控制器所检验和核实 , 以电信号的形式由网络线路传递给执行机构 ;

• 执行机构使用外来能源完成操纵指令相应的任务 ;

• 执行机构的执行过程和结果受到电子控制器的观测和控制。

汽车线控系统的种类

线控转向系统

线控油门系统 线控增压系统 线控悬挂系统线控制动系统

线控换档系统

线控驱动系统

转向系统的线控技术的实例

电子转向

42V汽车容错电路

电子齿条

线控制动系统之一 (EHB)

电子液压制动系统元件

常规制动器

制动器 传输控制单元 踏板单元

ECU

HCU

信号处理

液压控制

制动踏板

传感器

踏感模拟器

线控制动系统之二 (EMB)

4 x

4 x

信号（冗余）

制动踏板能量控制

智能制动器模块

ECU

传感器踏感

模拟器

各路信号信号

智能制动器

- -

信号

制动器 传输控制单元 踏板单元

信号处理

液压和 EMB混合制动系统

决定汽车线控系统前途的主要因素

• 功能 , 性能• 价格 : 成本和维修• 可靠性 , 正确性 , 耐久性

汇报内容

• 前言• 汽车底盘电子控制的理论基础 • 现代常见的汽车底盘电子控制系统• 汽车底盘电子控制系统的网络化趋势• 汽车底盘电子控制的长远趋势 -线控底盘• 总结和展望

智能化

网络化

电子化

X by wire汽车驾驶自动化

汽车底盘技术发展的趋势

汽车底盘电子控制系统 ……

小结

• 电子控制系统在现代汽车中的作用会越来越大 ,其性能会不断完善和扩展；

• 汽车中各系统通过网络化会更协调更合理更有效地合作运转；

• 新的有智能的辅助产品和系统会不断出现 , 逐步完善；

• 传统的机械和液压系统将来还是占很高的比例 ,不可忽视 , 不可完全替代。他是汽车动力学的立足之本。

谢 谢！