商用车线控底盘技术的研究及应用情况进行分析

1.4 线控驱动技术

随着新能源电动化的飞速发展，商用车电驱动趋势渐趋明朗。高效化、集成化、轻量化的电驱动产品成为企业及高校研发和生产布局的重点，由第1代的电机和减速器简单组装，到第2代的电机和减速器集成一体化设计，再到现在第3代的电机、减速器和控制器的三合一高度集成。目前，国内城市公交车基本实现全面电动化，城际公交、城市物流、环卫等车型的电驱动占比超过50%。这些电驱动商用车多采用第1代的集中驱动方式。图21就是常见的集中驱动系统组成框架，可以说商用车纯电直驱技术已较为成熟。第2代的电驱桥可分为分布式电驱桥和集中式电驱桥。分布式电驱桥因电机驱动控制技术难度大、成本高、簧下质量大等而未广泛应用；集中式电驱桥具有成本低、对整车设计变动小、开发难度低等优点，应用较成熟，包括单挡电驱桥及多挡AMT电驱桥。目前，国内外关于商用车线控驱动技术的研究也取得了许多成果。时军辉以电动城市客车为研究对象，建立了整车经济性数学模型与传动系统数学模型，提出了驾驶员决策优化控制策略、驱动系统能量分配策略及传动系振动冲击抑制策略，有效地降低了电耗和振动冲击。方子东研究了电动客车的分布式驱动控制系统，以车辆行驶稳定性为控制目标，建立了8自由度车辆数学模型，采用模糊控制理论设计了分布式后驱控制策略，并进行了实车验证。王万玉用“高转速电机+减速器”的驱动方案替代低转速电机直接驱动的方案，并对高转速永磁同步电机、行星齿轮减速器、驱动系统控制器进行一体化设计，为新能源客车的驱动系统提供了一套更优的解决方案，最后通过台架试验和整车验证。阎备战等提出了基于行星排的商用车双电机动力系统，实现了双电机的耦合驱动、单电机独立驱动/作业、行驶与作业解耦等多种工作模式，具有作业电机可复用、换挡无动力中断、驱动/作业可解耦等特点，提高了系统效率。

目前，德国ZF 已完成适用于城市公交车的分布式驱动桥研发，如图22所示，并在某国外公交上小批量应用。国内也有客车厂开始试装。美国艾里逊变速器公司推出的eGen Power 集成式电驱桥，如图23 所示，将两挡变速器集成在中央壳体内，以便提高动力性，并增加续驶里程，大幅提高电驱桥的性价比。

1.5 线控换挡技术

随着客户需求升级，对商用车的驾驶舒适性和安全性需求越来越高。传统手动变速器需要左脚操作离合踏板，右手操作换挡杆，在城市拥堵工况运行，需要频繁操作，增加驾驶疲劳强度，影响行驶安全。近年来，线控离合、AMT 等线控换挡技术得到快速发展。目前，国外商用车AMT 技术成熟，已经实现了AMT 的推广应用，如欧洲重型货车AMT 市场占有率达到90%，美国也达到80%。自2019年始，国内装配AMT 的商用车销量大幅增加，2021年有望突破8万辆，预计2025年占比将达到50%。受限于AMT 系统成本增加过高的问题，国内也出现了相应的过渡方案，如线控离合器，它具有较高的性价比，并在重型货车、轻型货车上进行了一定的应用，但还未在客车上批量应用。姜峰研究了单参数、两参数和动态三参数的商用车换挡规律，为了最大限度地降低油耗，提出了基于功率与车速的两参数控制的自适应换挡规律，并进行了整车建模仿真验证。赵璐利用SimulationX对商用车AMT 进行了建模，根据车辆状态、道路状况和驾驶意图等因素制定了AMT 最佳换挡规律，并采用实车试验验证了AMT 控制策略的有效性。周英超分析了顺序换挡和时序重叠换挡两种换挡方式的差异，揭示了时序重叠换挡在缩短挡位时间方面的优势，设计了以动圈式直线直流电机作为直驱执行器的时序重叠换挡系统方案，基于PID 控制算法的AMT 时序重叠换挡控制策略，并进行了台架试验验证。范珊珊等分析了目前主流的选换挡执行机构的特点，提出了一种适用于商用车的三段式AMT 选换挡机构，并搭载12速和16速变速器进行了试验，性能良好。线控换挡控制系统的原理图如图24所示。舍弗勒投资（中国） 有限公司和陕西法士特齿轮有限责任公司的线控换挡产品分别如图25和图26所示。

2 线控集成控制技术的研究进展

线控底盘集成控制的目标在于通过对各个电控子系统的协调控制来优化汽车整体性能。汽车底盘集成控制是对汽车纵向、横向和垂向的整体控制，确保汽车各子系统之间协调工作，提高汽车极限工况下的主动安全性。全线控汽车分层式集成控制系统框架如图27所示，其中辨识层与估计层是实现线控系统集成控制的重要前提。它包括通过观测器对汽车状态和路面条件的估计、驾驶员意图辨识及驾驶工况辨识。集成控制层和力分配层是车辆集成控制策略的核心部分，是控制计算中心，最后通过各个线控执行器构成的执行层来实现系统功能。

相对于传统控制技术，线控技术的优势是：一般工况下使汽车符合驾驶员的理想动力学特性与节能控制效果，极限工况下保证汽车的行驶稳定性与安全性。

目前，商用车线控集成技术主要是单一运动方向集成控制，还未实现多向耦合集成控制。单一运动方向集成又分为：纵向集成控制、横向集成控制和垂向集成控制。其中，纵向集成控制主要围绕驱动和制动系统，实现驱动稳定控制（驱动防滑）、制动稳定控制（防抱死、横摆稳定）、制动能量回收、主动制动、巡航控制、距离保持等功能；横向集成控制主要围绕转向系统，实现主动转向、车道保持、紧急避障等功能；垂向集成控制主要围绕悬架系统，实现刚度、阻尼、高度、侧倾刚度的自适应调节以及前后左右悬架的协同控制功能。通常集成控制结构分为单层控制和分层控制。单层控制主要采用车辆状态方程和经典控制理论，通过实时分析系统的稳态误差，并及时调节控制参数，实现预期的性能目标。分层控制一般有两层：上层控制器和下层控制器。其中，上层控制器主要基于整车动力学模型，规划理想的运动状态和轨迹，下层控制器依据上层控制器的控制信号，计算输出各执行器的驱动电信号，实现预期的运动控制。

线控集成控制技术常用的控制算法有PID 控制、最优控制、自适应控制、滑模控制、模糊控制、预测控制等。由于控制算法复杂多样和篇幅所限，这里不再逐一展开介绍。

本文结合商用车当前的技术应用现状，重点介绍以下3项集成控制技术——自动紧急制动AEB系统、自适应巡航ACC 系统和车道保持辅助LKA系统的研究进展和应用情况。

2.1 AEB系统

AEB系统是一种主动安全技术，它通过自动制动来避免或者缓解碰撞损伤。根据适用的行驶工况主要分3类：适用城市路况的城市AEB、适用高速工况的城际AEB 以及用于保护行人的行人AEB。城市AEB 主要利用激光雷达来探测前方10 m内的目标车辆，在车速不超过20 km/h 的工况下工作；城际AEB 主要利用毫米波雷达等远距离雷达来探测前方100 m内的目标车辆，在车速为50～80 km/h的工况下工作；行人AEB 主要利用摄像头、红外装置等来探测目标行人。常见AEB 的控制原理如图28所示。作者团队从2014年开始AEB 技术的研究，现已完成适用于7～14 m 客车的AEB 系统开发，到目前为止已实现商用车万辆级规模的推广应用。

目前，国内在《JT/T 1094—2016 营运客车安全技术条件》和《JT/T 1178.1—2018营运货车安全技术条件》法规的要求下，营运客车和货车都已经安装AEB 系统，有效降低了碰撞交通事故的危害和发生概率。

2.2 ACC系统

ACC系统具有减轻驾驶员的操作负担、提高行车安全性等优点，目前已在乘用车上得到普遍应用，但对于国内商用车来说还未开始规模化推广，主要原因是商用车是生产资料，其性价比还需要提升。清华大学王建强等 率先基于双模式制动和电子油门系统对商用车ACC 系统进行研究，采用比例积分控制方法和Smith 预估补充控制方法设计了ACC 系统的下位控制算法，具有与原车系统兼用的优点。北京理工大学李晓良开发了电动客车用ACC 系统，采用上下分层控制思路，上层采用PID 控制方法，下层设计了加速度自适应调节器，并进行了半实物在环仿真验证。ACC系统原理如图29所示。2018年作者团队根据客车特点和运营场景研发ACC 系统，现已完成适用于客车、货车等商用车的ACC 系统开发，并开始搭载整车进行推广应用。

2.3 LKA系统

LKA系统也是一种主动安全技术，可有效避免因驾驶员疲劳驾驶和注意力分散所造成的车辆无意识偏离本车道的情况，从而提高行车安全性。近年来，《GB 7258—2017机动车辆安全技术条件》对11 m以上的客车增加了强制安装LKA系统的要求，实施时间是2022年1月，所以国内客车主机厂都在研发LKA技术。作者团队依据国家法规要求，提前规划及研发商用车LKA 技术，目前已完成适用于商用车（含客车） 的LKA 系统开发，并实现小批量推广应用。长安大学尤广辉采用分层控制结构（环境感知层、控制逻辑层和硬件执行层），采用车道偏离时间（Time to Lane Crossing，TLC）和汽车当前位置（Car’s Current Position，CCP） 联合预警算法，利用预瞄点参数跟随车速变化完成自适应路径跟踪控制，并在某客车上进行试验验证。吉林大学程函 基于EHPS 系统开发了适用于半挂列车的车道保持系统，通过识别驾驶员操作意图，运用LQR 算法计算拖台的最佳转角，实现整个列车的车道保持行驶。北京理工大学施国标等设计了基于驾驶员在环的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC） 和自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control， ADRC） 串级的车道保持控制策略，利用ADRC算法对电液耦合转向系统的目标转角进行补偿。车道保持辅助LKA系统原理如图30所示。

3 商用车线控底盘技术展望

随着《智能网联汽车技术路线图2.0》和《智能底盘技术路线框架图》的发布，商用车线控技术将迎来快速发展。本文从线控执行系统和线控集成控制两个维度展望其发展方向。

3.1 线控执行系统向电动驱动方向发展

3.1.1 线控转向系统的发展方向

目前商用车转向系统是典型的多领域复杂的耦合系统，EHPS 系统除机械部分和液压部分外，还包括电子控制系统，这种机电液压系统相互耦合、相互影响的同时也综合影响着商用车转向系统的性能。其面向未来的发展趋势主要有：

（1） 随着电机和电控技术的进步及新能源商用车的快速发展，商用车转向系统向电液耦合发展，最终向电动助力转向发展，包括电动循环球和直拉杆式电动转向。

（2） 转向控制将通过阻尼补偿、摩擦补偿和回正补偿等方法，优化助力特性和控制精度，进一步改善商用车的驾驶操纵性能和转向响应性能。

（3） 随着商用车底盘系统的电控化，商用车转向系统需要与其他底盘电控系统集成控制。通过底盘域控制器融合线控制动、线控悬架、线控驱动系等底层传感器信息来协调优化各子系统，从而使商用车整车行驶性能最优。

3.1.2 线控制动的发展方向

线控制动系统作为商用车线控底盘的最重要且保证安全的线控控制执行部件，具有非常重要的地位。其响应精度和系统稳定性关系到自动驾驶和辅助驾驶控制功能的实现。其面向未来的发展趋势主要有：

（1） 线控制动系统由电控气压制动向气电复合制动发展，最终向电子机械制动EMB技术发展。

（2） 制动系统由单一纵向集成向与转向系统、驱动系统和悬架系统深度集成发展。

（3） 在自动驾驶汽车上，线控制动系统向与环境感知相结合的主动安全系统发展，如主动制动系统、自适应巡航系统、横向稳定系统等。

（4） 线控制动系统向基于底盘域控EMB 的ASR/ESC等功能扩展发展。

3.1.3 线控悬架的发展方向

随着“三化”技术的发展和人们对出行舒适性需求升级，未来线控主动悬架的发展空间更加广阔，应用前景更加明朗，特别是以载人为主的客运旅游大客车，通过识别路面不平度，对车辆阻尼、刚度和高度实现预测控制，在减速带、起伏路、坑洼路、接缝路、紧急制动和紧急转向等典型工况方面控制效果得到明显提升。其面向未来的发展趋势主要有：

（1） 向基于道路预瞄式的主动空气悬架技术方向发展。

（2） 向连续电控变阻尼（Continuous Damping Control，CDC） 和高度控制集成方向发展。

（3） 向基于协同控制技术的互联空气悬架技术发展。

（4） 向基于魔毯技术的主动悬架技术发展。

（5） 向基于底盘动力学协调控制的主动悬架技术发展。

3.2 线控集成控制向基于域控的耦合动力学控制方向发展

在“三化”技术的推动下，汽车电子电气架构在向域集中和中央集成方向发展，商用车的底盘线控集成技术也毫无例外地向域集成控制技术升级。可以预见，围绕商用车底盘耦合动力学的纵向、横向和垂向集成控制必将成为商用车线控技术的研发新热点。《国家智能底盘技术路线框架图》指出了商用车线控底盘的具体目标和技术路径，如图31所示，其中2025年实现功能安全和冗余架构满足整车需求、底盘纵向和横向融合协控等，2030年实现信息安全、底盘健康管理和纵向、横向和垂向多自由度动态综合控制等。

商用车纵向、横向和垂向耦合动力学控制系统架构如图32所示。基于耦合动力学模型通过底盘域控制器来实现主动制动、主动转向和主动悬架的耦合动力学集成控制，是未来商用车线控集成的主要发展方向，需要重点关注。

4 结语

在电动化、智能化和网联化快速发展的背景下，商用车线控底盘技术迎来了快速发展的历史机遇期。可以预见在不久的将来，无论是线控执行系统方面的新技术，还是线控集成方面的域控技术等都将取得突破性进展。未来的线控底盘技术必将升级换代，完全满足辅助驾驶和自动驾驶的应用需求，并为商用车产品的安全、节能、舒适和环保性能提升提供强大支撑。