徽州骆驼 · 3月26日 · 黑龙江

底盘的发展历程与发展趋势

导语

大家好!我是Leo。

《智能底盘》系列文章聚焦当下底盘智能化发展趋势,并对主流的底盘产品进行介绍,欢迎大家关注公众号,让我们一起聚焦底盘进化!

作为开篇,本文将探讨底盘的发展历程,并细数智能底盘的发展趋势,为后续文章的展开奠定方向。

1 底盘的发展历程

自汽车诞生一百余年以来,底盘发展就和汽车发展深度绑定。底盘系统决定了汽车纵向、横向和垂向六个自由度的动态行为,是汽车能够跑运行的必要条件。根据广义上的定义,底盘系统的组成部件繁多,除了驱动、转向和制动等系以外,还包含车身、油门、离合器等部件;但如果仅站在六个自由度控制的角度,底盘系统可以细化成以下4个子系统。

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纵观底盘系统的发展历程,可以概况为三个时期:

  • 机械时期
  • 机电混合时期
  • 智能时期

底盘的机械时期

在早期车辆质量比较小,速度比较低,机械式底盘能够满足驾驶员操控需求。驾驶员通过对方向盘和踏板的操作来直接控制轮胎的六分力,从而间接地改变车辆的三向平动和三向转动的自由度。

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奔驰一号,图片来自网络

随着科学技术的发展及汽车工业的发展,尤其是军用车辆及军用技术的发展,底盘系统也有了新的突破,比如液压转向和液压制动的推出是对机械时期底盘的重大技术革新。于此同时,随着车辆越来越重,助力器开始被广泛使用于底盘控制中,为驾驶员提供转向或制动助力。

该阶段典型的产品有机械液压助力转向系统和真空助力器。机械液压助力转向系统利用发动机的动力带动油泵给机械转向提供液压助力,这样操作方向盘就更轻松了。但是由于使用了发动机动力作为油泵动力,所以,发动机用于行驶的动力会有部分损耗。

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机械液压助力转向系统,图片来自网络

制动助力产品真空助力器的工作原理为:

驾驶员踩下制动踏板,由于杠杆作用,踏板力经过第一级放大传递到真空助力器;真空助力器经过第二级放大将制动力传递到主缸;主缸的制动液被推入轮缸并在压强的作用下产生更大的制动力,推动轮端卡钳加紧刹车盘,从而实现制动。

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真空助力器工作原理,图片来自网络

真空助力器正常工作的关键在于有稳定的真空来源。装有汽油发动机的车辆由于发动机采用点燃式,因此在进气歧管可以产生较高的真空压力,可以为真空助力制动系统提供足够的真空来源,而对于柴油发动机驱动的车辆,由于发动机采用压燃式CI(Compression Ignition cycle),这样在进气歧管处不能提供相同水平的真空压力,所以需要安装提供真空来源的真空泵。

虽然液压系统的引入为驾驶员提供了助力,但是从本质上看,底盘机械时期的车辆运动控制完全取决于驾驶员的输入

底盘的机电混合时期

在机电混合时期,传统的机械液压设计与单片机控制结合,在进一步减轻驾驶员的驾驶负荷的同时,还能够通过软件控制辅助驾驶员进行更好地车辆控制,车辆的燃油经济性、安全性和舒适性都大大提高。

在这一时期,最为大家熟知的革命性产品之一就是制动防抱死系统 (Anti-lock Brake System, ABS)。就乘用车来说,在日常驾驶中有时候紧急制动来避险,但是紧急制动下制动卡钳对制动盘作用力过大,会导致车轮抱死。车轮抱死引起的车辆表现不当(如紧急制动时无法在安全距离内刹停或者紧急制动时车辆甩尾)往往带来严重的交通事故。

早在上世纪30年代,汽车工程师就开始研究制动防抱死系统ABS (Anti-lock Brake System, ABS) 来解决紧急制动时车轮抱死问题。ABS是制动系统中的一种闭环控制装置,在制动时它可以防止车轮抱死,保证车辆的制动性和稳定性。

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ABS工作原理,图片来自网络

到了70年代后期,由于数字电子计算机技术的发展,同时也得益于液压控制技术的进步,德国博世公司推出基于液压控制的ABS,控制效果相当理想,于是博世在1978年正式量产ABS产品。博世ABS的问世正式拉开了底盘电子稳定性系统发展的序幕,在这以后,Bosch、ITT Automotive、Kelesy-Hayes、Wabco等许多公司不断加强对ABS的研究,各种新型的ABS层出不穷,性能不断优化而价格逐渐降低,如今ABS已经成为了轿车和商用车的标配。

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博世ABS爆炸,图片来自网络

智能底盘时期

在今天汽车电动化和智能化的浪潮之下,传统动力升级为三电系统,底盘系统上传统的机械零部件得到精简,电控程度越来越高;与此同时,随着辅助驾驶系统(如ACC、AEB等)的日益普及和自动驾驶系统的逐步落地,衍生出了越来越丰富的智能化场景的新需求。

另一方面,消费市场对汽车定位也在发生改变。终端消费者不再只将汽车视为运载工具,汽车变成了提高生活品质的载体和空间,这一消费趋势意味着行业在追求汽车智能的同时,也需要更进一步地提高汽车的舒适性和驾驶质量,为消费者提供更愉悦的用车体验。

在这一浪潮的驱动下,汽车对底盘系统也提出了更高的要求,更加智能的底盘才能适应汽车电动化和智能化的发展需要。

对智能底盘的新要求可以概况为四类:

  • 有个性:根据客户驾驶习惯提供个性化定制
  • 高性能:系统响应更加精准和迅速
  • 可成长:系统具备自学习能力并支持OTA升级
  • 高安全:产品安全和信息安全多重安全保证

根据清华大学张俊智教授的定义,智能化底盘依旧保留了底盘的两大功能:

  • 承载
  • 行驶

但承载的对象和完成行驶的手段发生了变化。

首先,智能底盘为自动驾驶系统、座舱系统、动力系统提供承载平台,这是承载对象的变化。其次,在行驶任务实现方面,我们从人车路的关系梳理了智能底盘具备的新能力。在车与路的关系中,智能底盘对车轮与地面间的相互作用具备认知、预判和控制的能力。在车与人的关系中,汽车变为无人驾驶后,原本人对底盘异常状态的感知和适应性操纵消失了,智能底盘应具备管理自身运行状态的能力。这是底盘新增的几个能力,这些能力都服务于行驶任务,所以最终智能底盘还是具体实现车辆智能行驶任务的系统。

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清华大学张俊智教授对智能底盘的定义,图片来自网络

2 智能底盘的发展趋势

虽然从目前的市场占有率看,底盘系统还处于机电混合时期,但是已经可以看到正在向智能底盘过渡的趋势。

趋势1:线控化

首先是线控技术在汽车上的普及和进化。线控技术源于飞机控制系统,它将飞机驾驶员的操纵命令转换成电信号,通过电缆直接传输到自主式舵机。线控技术最大的优势是响应精准迅速,这一优势在汽车线控技术上得到继承。

当前各个底盘控制子系统都已经实现线控,但是底盘线控技术更多体现在控制决策层面,驾驶员输入层面还是依赖驾驶员的直接输入(转向或踩踏板)。随着自动驾驶的演变,驾驶员的角色得到弱化,方向盘和踏板的作用逐渐减弱,线控底盘已有向真正意义上的线控发展的趋势。最明显的一个印证趋势的案例就是线控转向产品的法规落地。早在几年前就有车企推出线控转向产品,但是受限于法规无法量产,如今法规已经渐渐不是阻碍,拿中国来说,GB 17675-2021 《汽车转向系 基本要求》中删除了不得装用全动力转向机构的要求(1999年的3.3),也就是国内法规层面已允许转向系统方向盘与转向器之间的物理解耦。而Cybertruck在多国的热售也意味着其他国家的相关法规也是同样的趋势。

除了线控转向外,线控制动相关的法规也正在制定中。

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搭载线控转向的Cybertruck,图片来自网络

趋势2:个性化

电控系统和驾驶员机械接口解耦,可以更加灵活地对底盘系统特性进行调节,从而满足不同客户的个性化需求,这是线控底盘的另一优势。

智能底盘系统对个性化需求的追求也表现在搭载主动悬架系统所的车辆的价位的下探。众所周知,悬架系统调教的核心在于协调舒适性和操稳性的矛盾,而主动悬架系统则被认为是鱼和熊掌兼得的答案,它能够精准地感知车况和路面等信息并自动调整悬架高度、刚度和阻尼,从而大幅度提高车辆操稳和舒适性。另外,系统能学习用户的驾驶习惯,并合理调节出最适合用户的悬架控制策略。

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搭载主动悬架的车型价格在下探,图片来自国盛证券研究所

趋势3:多执行器融合

其次,智能驾驶系统E/E的变革也催生了智能底盘E/E的进化。在机电混合时期,底盘系统的E/E架构为简单的子系统ECU的叠加,虽然子系统间有合作,但是这些合作仅体现在信息共享层面,各个子系统依旧“各自为营”,功能控制受到彼此的制约,响应迟缓,没有体现出“1+1>2”的效果。在基于底盘域控制器的新E/E架构下,智能控制核心功能集中于域控制器内,实时对各个子系统进行协同控制,精准且快速响应,打破子系统间功能简单叠加的壁垒。

目前主流的主机厂和供应商都在积极拥抱智能驾驶系统E/E的变革浪潮,其中底盘融合趋势越来越明显,且有很多功能已经量产,给用户带来了更好的体验。

举例来说,博世2023年推出的车辆动态控制系统2.0(VDC2.0)适用于装备分轴三电机及四电机动力系统的车辆,可协调控制驱动电机及制动控制器。其可以将驱动扭矩矢量控制和制动控制完美结合,通过对车轴或车轮扭矩的合理分配,充分挖掘车辆加速潜能,发挥弯道极限,优化动态响应。在装备有线控转向的车辆中,博世车辆动态控制系统2.0可协调控制线控转向的转向轮角度和制动控制器。其协同线控转向功能后,制动和线控转向执行器便能形如一体、相得益彰,充分释放底盘各执行器的最大潜能。车辆动态控制系统2.0可满足全场景定制化驾驶体验,适用于各种车辆类型和不同动力总成配置,通过跨域线控执行器实现车辆运动与控制的集成与协调,可在制动系统及其它系统上灵活部署功能软件,助力更安全、舒适且敏捷的驾乘体验。

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博世车辆动态控制系统2.0(VDC2.0)方案实现多执行器融合. 来源:搜狐汽车

趋势4:更高的安全要求

安全始终是底盘系统设计的重要课题,汽车智能化发展对智能底盘延申了新的安全话题。

SAE J3016对车辆自动化级别的分类对读者来说已不陌生。如果将这五个级别进行进一步归类则可以归纳为:

  • 辅助驾驶 (包含Level1/Level2)
  • 自动驾驶 (包含Level3/Level4/Level5)

辅助驾驶和自动驾驶最大的区别在于系统故障导致事故的责任方的不同:

对于辅助驾驶,当系统出现故障以后,只要正确向驾驶员报告了故障,接下来能否脱险全看驾驶员的水平,出了事故责任方在驾驶员,汽车厂家是没有责任的。

对于自动驾驶,系统在出现故障之后,需要系统来自己操作避免事故(自动驾驶等级越高,驾驶员可以越晚介入接管甚至是完全不用接管),出了事故是汽车厂家的责任而不是驾驶员的责任。

对于高速自动驾驶系统而言,车辆在高速运行过程中出现单一故障,安全状态通常定义为停到路边的应急车道,为实现这一安全状态,目前业界普遍达成一致的方案至少需要以下冗余:

  • 通讯冗余:当单一链路出现信号中断,系统可实现信息的无缝安全衔接
  • 低压电源冗余:主电源失效后,备份电源能够支撑ECU完成安全降级动作
  • 感知冗余:多传感器数据融合技术可以保证车辆行驶构成中精准实现物体及行人的识别,从而支持车辆时刻做出正确的控制行为
  • 大脑控制器冗余:两个大脑互相监督、互为备份,主大脑故障发生时,备份大脑及时接管
  • 制动冗余:主制动系统失效后,备份系统依然提供一定的制动能力来维持制动控制及制动稳定性控制
  • 转向冗余:如果故障发生后的安全状态定义为继续运行而不是刹停,那么当一路转向系统故障后,备份系统需要能够支持车辆完成接下来的运行场景中的转弯工况

由此可见智能底盘的冗余设计在实现自动驾驶系统功能安全的重要性和必要性。

目前汽车行业达成的普遍共识是:功能安全、预期功能安全和信息安全是保障汽车智能化安全的“三驾马车”。

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3 总结

以上可以看出,为满足汽车的电动化和智能化发展的新要求,智能底盘的发展思路正在逐步清晰;而从落地层面看,智能底盘的发展才刚刚起步,可以预见将会面临重重挑战。

但是,挑战也意味着机遇。首先是国家战略层面,智能电动汽车已成为我国汽车产业发展的战略方向,这意味着作为智能电动汽车的支撑基础,智能底盘有了良好的发展土壤。其次,市场需求对智能电动汽车的需求的持续走高也为智能底盘的发展提供了经济支持,而在新E/E架构下主机厂和供应商之间新的合作模式和职责划分也使得中国本土品牌将迎来一次难得的崛起良机。

在这些良性因素的激励下,相信智能底盘大有可为。

作者:车底的Leo
文章来源:Leo的底盘世界

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