自动驾驶的核心技术之四：线控技术

1、自动驾驶的核心技术之四：线控技术线控执行简单地说，线控执行主要包括线控制动、转向和油门。某些高级车上，悬挂也是可以线控的。线控执行中制动是最难的部分。线控油门相当简单，且已经大量应用，也就是电子油门，凡具备定速巡航的车辆都配备有电子油门。电子油门通过用线束（导线）来代替拉索或者拉杆，在节气门那边装一只微型电动机，用电动机来驱动节气门开度。一般而言，增减油门就是指通过油门踏板改变发动机节气门开度，从而控制可燃混合气的流量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。传统发动机节气门操纵机构是通过拉索或者拉杆，一端联接油门踏板，另一端联接节气门连动板而工作。但这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精

2、确性。电子油门的主要功能是把驾驶员踩下油门踏板的角度转换成与其成正比的电压信号，同时把油门踏板的各种特殊位置制成接触开关，把怠速、高负荷、加减速等发动机工况变成电脉冲信号输送给电控发动机的控制器 ECU ，以达到供油、喷油与变速等的优化自动控制。电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、 ECU （电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油门踏板的位置。当监测到油门踏板高度位置有变化，会瞬间将此信息送往ECU ，ECU对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理，计算出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行

3、机构，数据总线则是负责系统 ECU 与其它 ECU 之间的通讯。在自适应巡航中，则由 ESP（ ESC）中的 ECU 来控制电机，进而控制进气门开合幅度，最终控制车速。博世和大陆都有全套的电子油门系统出售。线控转向也已经得到实际应用，这就是日产旗下的英菲尼迪Q50。实际目前的电子助力转向（ EPS）非常接近线控转向了。EPS与线控转向之间的主要差异就是线控转向取消了方向盘与车轮之间的机械连接，用传感器获得方向盘的转角数据，然后 ECU 将其折算为具体的驱动力数据，用电机推动转向机转动车轮。 而 EPS 则根据驾驶员的转角来增加转向力。线控转向的缺点是需要模拟一个方向盘的力回馈，因为方向盘没有和

4、机械部分连接，驾驶者感觉不到路面传导来的阻力，会失去路感，不过在无人车上，就无需考虑这个了。在Q50L上线控转向还保留机械装置，保证即使电子系统全部失效，依然可以正常转向。线控制动是最关键的也是难度最高的。要了解线控制动，首先要了解汽车的刹车原理。轻型车通常采用液压制动。传统制动系统主要由真空助力器、主缸、储液壶、轮缸、制动鼓或制动碟构成。当踩下刹车踏板时，储液壶中的刹车油进入主缸，然后进入轮缸。轮缸两端的活塞推动制动蹄向外运动进而使得摩擦片与刹车鼓发生摩擦，从而产生制动力。当驾驶者踩下制动踏板时，机构会通过液压把驾驶人脚上的力量传递给车轮。但实际上要想让车停下来必须要一个很大的力量，这要比人

5、腿的力量大很多。所以制动系统必须能够放大腿部的力量，要做到这一点有两个办法：· 杠杆作用· 利用帕斯卡定律，用液力放大。制动系统把力量传递给车轮，给车轮一个摩擦力，然后车轮也相应的给地面一个摩擦力。在我们讨论制动系统构成原理之前，让我们了解三个原理：·杠杆作用·液压作用·摩擦力作用杠杆作用已经无需赘言，大家想必已经烂熟于心，在杠杆的左边施加一个力F，杠杆左边的长度 （ 2X ）是右边（X ）的两倍。 因此在杠杆右端可以得到左端两倍的力2F，但是它的行程 Y 只有左端行程2Y 的一半。刹车踏板就是个杠杆。考虑到踏板的倾斜度，一般踏板的设计行程不超

6、过18 厘米。液压原理需要特别说明，液体是无法被压缩的，密闭容器里的液体的压力有个特点：不论是液体内部、还是压向容器壁的力，到处都一样大。即：如果一平方米上有一吨的力量，那么在所有的地方，一平方米上的力都是一吨。这叫帕斯卡定理。由于液体无法压缩，所以这种方式传递力矩的效率非常高，几乎 100%的力传。液压传力系统最大的好处就是可以以任何长度，或者曲折成各种形状绕过其他部件来连接两个圆桶型的液压缸。还有一个好处就是液压管可以分支，这样一个主缸可以被分成多个副缸。液压的另一个作用就是放大力矩。 如果主缸的直径是1 寸，轮缸的直径是3 寸，那么给主缸上面施加任何一个力，就会在轮缸上放大9 倍。不过主

7、缸的活塞推动9 厘米，轮缸的活塞推动距离只有1 厘米，能量守恒。通常轿车的主缸直径是22 毫米，前轮缸直径是32 毫米，后轮缸直径是28 毫米。不同的材料表面，有不同的锯齿结构；举例来说：橡皮与橡皮之间就比钢与钢之间更难滑动。材料的类型决定了摩擦系数。所以摩擦力与物体接触面上的正压力成正比。例如：如果摩擦系数为0.1，一个物体重100 磅，另一个物体重 400 磅，那么如果要推动他们就必须给100磅的物体施加一个 10 磅的力，给 400 磅的物体施加一个40磅的力才能克服摩擦力前进。说完了这些，让我们来说说ABS 。 ESP 与ABS 非常接近，与 ABS 最大的不同在于ESP 可以在没有踩

8、刹车踏板的情况下向轮缸输出制动压力，ABS 只能在踩下刹车踏板后从主缸向轮缸输出压力。压力生成器就是电机和柱塞泵， 与 ABS 比多了 4 个柱塞泵， 4 个电磁阀， 也就是 VLV和 USV 。博世第九代 ESP增加了两个特殊功能， 一个是 ACC ，自适应巡航， ESP 可以部分控制电子节气门。 另一个是 AEB ，ESP 可以部分控制刹车系统。有些认为 ESP 既可以控制油门又可以控制刹车，是个很好的线控系统，非也。博世对国内厂家一般只开放ACC 和 ESP 量产接口协议，刹车力度最大大约为 0.5g，标准的刹车力度在0.8g 以上，0.5g 远不够用。再次，在设计之初，ESP 控制刹车

9、系统只是在少数紧急情况下使用，可能1 年用不了 2 次，一般泵的容量只有3 毫升，每一次使用，柱塞泵都要承受高温高压，频繁使用，会导致柱塞泵发热严重，精密度下滑，导致ESP 寿命急剧下滑，常规刹车系统 1 小时就可能使用数次， 如果用 ESP 做常规刹车系统，可能 1 个月就报废了。 最后即便是不计寿命问题， ESP的泵油功率有限，且缺乏真空助力，反应速度较慢。最后如果 ESP 真的可以做常规制动， 那么博世也无需开发 Ibooster，日立无需开发 EACT ，大陆无需开发 MK C1 ，天合无需开发IBC 。如何做到常规的线控制动，这得从真空助力器说起。单单踏板的杠杆并不足以推动主缸活塞较

10、大的行程，因为刹车油是非常黏性的液体，与主缸缸壁之间的摩擦力很大，需要的推力很大，为此人类使用了真空助力器，真空助力器一般位于制动踏板与制动主缸之间，为便于安装，通常与主缸合成一个组件，主缸的一部分深入到真空助力器壳体内。真空助力器是一个直径较大的腔体，内部有一个中部装有推杆的膜片（或活塞） ，将腔体隔成两部份，一部份与大气相通，另一部份通过管道与发动机进气管相连。它是利用发动机工作时吸入空气这一原理，造成助力器的一侧真空，相对于另一侧正常空气压力的压力差，利用这压力差来加强制动推力。如果膜片两边有即使很小的压力差，由于膜片的面积很大，仍可以产生很大的推力推动膜片向压力小的一端运动。真空助力系

11、统，是在制动的时，也同时控制进入助力器的真空，使膜片移动，并通过联运装置利用膜片上的推杆协助人力去踩动和推动制动踏板。需要注意推力来自压力差，而非真空。电动车和混合动力车不能依赖内燃机取得真空，需要用电子真空泵。真空助力器会减少一部分发动机效率，所以近来有些油车上也使用电子真空助力器，用电机制造真空。 线控制动正是从真空助力器延伸开来，用一个电机来代替真空助力器推动主缸活塞。由于汽车底盘空间狭小，电机的体积必须很小，同时要有一套高效的减速装置，将电机的扭矩转换为强大的直线推力。这其中的关键因素就是电机主轴，日本是此领域的霸主。在电机技术不够先进的 1999 年前，人们只得放弃这种直接推动主缸的

12、思路。转而使用高压蓄能器。这就是奔驰的 SBC、丰田的 EBC 系统、天合的SCB，这套系统利用电机建立液压，然后将高压刹车油储存在高压蓄能器中，需要刹车时释放。这套系统结构复杂，液压管路众多，成本高昂，可靠性不高。奔驰曾经大规模召回过SBC系统，丰田也曾经召回过EBC系统，奔驰今天已经几乎不用SBC系统。而丰田从2000年一直用到现在。通用和福特的混动车上则全部使用天合的SCB。由于成本过高，从 2007 年起， EVP 电子真空泵开始在电动车或混动车上取代这种高压蓄能器设计， EVP 极为简单，就是将油车的真空助力换位电子真空泵获得真空，缺点非常明显，首先它几乎没有任何能量回收，其次，刹车

13、时会发出刺耳的噪音，最重要，它必须人力首先踩下制动踏板，也就是说它并非线控制动，而是机械制动。优点也很明显，首先是成本很低，再者是设计异常简单，油车的底盘几乎不做丝毫改动就可以用来做混动车，这对中国企业来说非常重要，中国企业缺乏自主设计底盘能力。随着电机技术的发展，日立旗下的东机特工在 2009 年首次推出电液线控制动系统 E-ACT 。除丰田外，大部分日系混动或纯电车都采用这种设计，最典型的就是日产 Leaf 。说起来很简单，用直流无刷超高速电机配合滚珠丝杠直接推动主缸活塞达到电液线控制动，这套方案对滚珠丝杠的加工精度要求很高。传统的液压制动系统反应时间大约400-600 毫秒，电液线控制动

14、大约为 120-150毫秒，安全性能大幅度提高。百公里时速刹车大约最少可缩短9 米以上的距离。同时用在混动和电动车上，可以回收几乎99% 的刹车摩擦能量。是目前公认最好的制动方式，为了保证系统的可靠性，这套制动系统一般都需要加入ESP（ESC）做系统备份。早在 1999 年大众在开发纯电动车过程当中也很想使用这种电机直接推动主缸的设计，但是德国的电机工业当时没有能力满足大众的需求，大众采取了妥协的设计。既然电机的能量达不到，那就继续用高压蓄能器配合，但是推动主缸的是电机，大众称之为eBKV ，是德文Elektromechanischer.Bremskraftverst?rker 的缩写， 20

15、09 年的大众 E-UP 上首次使用。博世从e-UP 中获得灵感，加上博世是电机大师，经过博世的努力，最终在2013 年去掉了高压蓄能器，单用电机推动主缸，这就是iBooster 博世的 iBooster 于 2013 年初推出，并且应用大众（包括奥迪品牌，大众持有ibooster 的部分专利）全系列电动与混动车上，其他客户还有特斯拉和即将上市的卡迪拉克CT6 。大陆和天合（ ZF ）则在此基础上将ESC 也集成进来，大陆的MK C1 早在 2011 年就已经推出，在 2017 年版的阿尔法罗密欧 Giulia 上使用。TRW 的则于 2012年推出 IBC ，通用的 K2XX 平台上将全线使

16、用。顺便说下TRW 的 IBC 技术并非自己原创，是收购自一家小公司，不过博世的 ABS 技术也不是自己原创的。 这些线控制动都不是纯粹的线控制动，仍然需要液压系统放大制动能量。液压系统结构复杂，专利门槛很高。为了突破大厂的封锁，也为了简化制动系统，纯粹的线控制动（EMB) 近年来是个火热的研究领域。 EMB 取消液压系统， 直接用电机驱动机械活塞制动。优点一、安全优势极为突出， 大幅度缩短刹车距离， EMB 的反应时间大约 90 毫秒，比 iBooster 的 120 毫秒更快速。 优点二、没有液压系统，不会有液体泄露，对电动车来说尤其重要，液体泄露可能导致短路或元件失效，进而导致灾难。同时

17、成本和维护费用也降低不少。缺点一：没有备份系统，对可靠性要求极高。特别是电源系统，要绝对保证稳定，其次是总线通信系统的容错能力，系统中每一个节点的串行通信都必须具备容错能力。 同时系统需要至少两个 CPU 来保证可靠性。缺点二：刹车力不足。 EMB 系统必须在轮毂中，轮毂的体积决定了电机大小，进而决定了电机功率不可能太大，而普通轿车需要 1-2KW 的刹车功率，这是目前小体积电机无法达到的高度，必须大幅度提高输入电压，即便如此也非常困难。缺点三：工作环境恶劣，特别是温度高。刹车片附近的温度高达数百度，而电机体积又决定只能使用永磁电机，而永磁在高温下会消磁。同时EMB 有部分半导体元件需要工作在

18、刹车片附近，没有半导体元件可以承受如此高的温度，而受体积限制，无法添加冷却系统。同时这是簧下元件，震动剧烈，永磁体无论是烧结还是粘结都很难承受强烈震动。对半导体元件也是个考验。 需要一个高强度防护壳，然而轮毂内体积非常有限，恐怕难以做到。缺点四、需要针对底盘开发对应的系统，难以模块化设计，导致开发成本极高。我们认为除非永磁材料有重大突破，居里温度点大幅度提高到 1000 摄氏度，否则EMB 无法商业化。顺便说一句，轮毂电机也是如此，不解决材料问题，轮毂电机商业化不大可能。不过这种材料从理论上来说是不可能出现的，磁性越强，其居里温度点就越低，高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列必然从整齐划一到混乱无序，这是物理特性，无法改变。比如最好的磁王钕铁硼，一般使用N35 牌号，其居里温度点为 310 摄氏度，但其工作温度上限只有 80 摄氏度，超过 80 度，