汽车线控技术的研究现状及展望

摘要：汽车的智能化、网络化和信息化是汽车产业未来的发展趋势，随着自动控制理论和汽车电子控制技术的成熟与发展，越来越多的自动控制技术应用于汽车，而汽车线控技术（X-By-Wire）就是其中之一。本文研究和探讨了汽车线控技术的工作原理，简要列举了线控系统的组成及线控技术的实际应用，介绍了线控技术的前景并深入研究了线控技术的主要特点——操纵轻便、舒适高效、质量轻化。最后，对线控技术在未来汽车领域中的应用做了展望。

关键词：汽车线控技术（X-By-Wire） 线控制动 线控转向 冗余技术 总线技术

中图分类号： U463 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1引言

汽车线控技术（X-By-Wire）最早应用于飞机，被称为电传操纵技术（Fly-By-Wire）。其基本原理是将飞机的各类信号通过传感器转换为电信号，将电信号输入到ECU，ECU输出控制指令控制各执行器（副翼、升降舵等）动作，从而控制飞机的航向和高度等。汽车线控技术由飞机的线控技术演化而来，同样有传感器、控制器和执行器等组成，由导线和电子元器件取代了传统的机械和液压传动装置，将驾驶员的动作指令传递到执行器，结构大为简化。线控技术的应用，简化了汽车的机械结构，降低了汽车的整车整备质量，提高了汽车燃油经济性；增加了发动机舱及底盘的布置空间，方便了其他总成的布置和设计；线控系统由电信号代替了液压传动和机械传动，几乎不存在延迟，改善了系统响应的及时性，提高了乘客乘坐的舒适性；线控技术不存在机械失效的形式，与机械和液压传动相比，进一步提高了工作可靠性。线控技术的发展愈发智能化，在未来将会有更广阔的应用前景。

2线控技术的应用

2.1线控制动技术

X-By-Wire中X代表与驾驶相关的操作或系统，例如转向（Steering）、换挡（Shift）、悬架（Suspension）等，而线控制动技术就是Braking-By-Wire。线控制动系统主要由传感器组（包括踏板力和位移传感器、车速传感器、转向盘转角传感器等）、电子控制单元、电机制动模块和电子通信网络等组成。传感器将驾驶员踩制动踏板的动作转换为电信号，输入ECU。ECU根据输入的电信号分析虚拟踏板力的大小，进而决定最佳制动力的大小并以电信号的形式输出至电机制动模块。电机制动模块根据输入电信号的大小动作，对车轮进行制动。

线控制动系统的关键技术之一在于电机制动模块。同机械式制动系统类似，依据制动器的结构形式，线控制动系统的制动器也分为两大类：电机鼓式制动器和电机盘式制动器。鼓式制动器虽然具有较好的增力作用，但其涉水性能和抗热衰退性远不如盘式制动器，因此其制动稳定性较差。电机盘式制动器又分为两类，自增力式和无自增力式。其中，自增力式盘式制动器由于存在楔块自增力机构，改善了制动效果，减少了功率消耗，因而可以设计成较小的尺寸，具有更广阔的应用前景。

奔驰、博世、西门子等众多知名公司都致力于汽车线控制动技术的研究，并取得了一系列研究成果。SKF公司，曾与意大利一家制动系统生产厂商联合推出一款概念车。该车搭载了线控制动系统，曾于瑞士日内瓦车展亮相，成为此次车展的一大亮点。此外，德尔福公司曾推出一款混合制动的新车型。该车后轮采用了电动制动钳，结合电子控制，为以后线控制动技术的发展奠定了基础。随着线控制动技术的成熟与发展，越来越多的车型将会采用线控制动系统。线控制动技术将会成为汽车领域继ABS之后又一革命性技术。

2.2线控转向技术

线控转向技术（Steering -By-Wire），是指省去了转向盘和转向车轮之间的机械结构，利用传感器和电子元器件将驾驶员的转向指令转换为电信号输入ECU，ECU输出控制信号给执行器，执行器控制转向轮动作，完成转向操作。线控转向系统主要由数字传感器、电子控制单元、实时软件、电子动力转向装置等组成。

在线控转向系统中，车速传感器用于检测车速信号，转向盘转角传感器和转矩传感器用于检测转向盘转角和转矩的大小，电子控制器ECU综合车速、转角和转矩信号，向转向电动机输入转向信号控制转向轮动作，完成驾驶员的转向指令。同时，ECU还会向反馈电动机输入信号，模拟转向盘的反馈力矩，使驾驶员得到较适宜的路感信息。

此外，电子控制器ECU还具有类似于纠错的功能，能够对驾驶员操作指令或汽车状态进行识别。当驾驶员操作失误或者汽车处于非稳定状态时，ECU会自动过滤错误信号或向转向电动机输出动作信号控制转向轮，使汽车尽可能保持稳定状态。

2.3线控油门技术

线控油门技术，亦即电子节气门技术。线控油门的基本原理同线控制动的工作原理类似。线控油门系统由加速踏板传感器、控制器、传递线路以及节气门执行器组成。线控油门系统分析驾驶员施加于加速踏板上的压力，对节气门开度进行控制。线控油门系统的传感器主要包括加速踏板传感器、节气门开度传感器、车速传感器、氧传感器等。工作时，驾驶员对加速踏板施加压力，加速踏板传感器采集加速踏板上的压力信号并将压力信号转换成电信号，电信号通过回路传递给电子控制器ECU。ECU综合来自加速踏板传感器、车速传感器以及氧传感器的信号并加以分析和处理，输出控制信号。根据来自ECU的控制信号的情况，节气门执行器增大或减小节气门开度，从而改变进入进气歧管的空气量，改变空燃比。节气门执行器通常为一伺服电机，由ECU的控制信号控制其正转或反转。

线控油门技术已有较为普遍的应用，本田雅阁即是较早应用线控油门技术的车型之一。与传统的油门相比，线控油门系统省去了从加速踏板到节气门的机械传动机构，减少了延迟，提高了响应的及时性。

3 线控技术的局限

3.1车用42V电源系统的开发

线控系统的执行器主要是大功率的电动机以及伺服电机。线控系统的执行器相对于传统的执行器功率而言消耗极高，例如一个转向电动机功率为550～800W，而电机盘式制动器的功率大约为1000W。现有的车载12V电源系统无法满足线控系统的高功率要求，因此，必须对现有的车用电源系统进行升级。研究表明，42V电源系统能较好的满足线控系统的要求，有利于电动执行器的优化布置。但与此同时，电压升高后会带来电弧放电、电磁噪声、绝缘和耐蚀性等一系列技术问题。

3.2 传感器开发应用

车用传感器是随汽车工业的发展而成熟。传感器技术的应用极大地促进了汽车的智能化发展，而线控技术对传感器的依赖程度更高。线控技术必须以车速传感器、转向盘转角和转矩传感器、横摆角速度传感器、车身位移传感器等一系列传感器为基础才能实现。传感器的数据采集及转换的准确度极大地制约了线控技术控制的精确度。因此，精度高、尺寸小、结构简单、工作可靠的传感器的研制开发也是X-By-Wire的关键技术之一。

3.3高可靠性的冗余技术

线控系统结构的复杂程度越高，其可靠性就越低，任何一个电子元器件的失效都将对行车安全带来严重的威胁。在线控系统的设计中，引入了“冗余技术”的理念，即容错。传感器冗余、执行器冗余等将在很大程度上提高线控系统的工作可靠性。

3.4总线技术

总线技术是实现线控技术的前提条件。国际众多知名汽车公司都致力于总线技术的研究和开发，随着线控技术的发展，产生了多种总线标准。其中，最具代表性的是TTP、Byteflight和FlexRay，特点是具有高速和实时传输特性。在这其中，FlexRay是最具潜力的技术之一，得到了众多汽车厂商的支持。汽车的控制系统应具有较高的通信速率，未来的总线技术首先必须满足下一代车用网络通信系统的要求。其次，如3.3所述，由于在线控系统中引入了冗余技术，总线技术必须能够支持多种容错策略。此外，总线技术还要满足中断处理的要求。

3.5成本高昂

成本问题也极大的限制了线控系统的研发与推广。线控系统中增加了大量传感器及芯片的应用，而电子产品研发及应用增加了汽车生产的成本。调查显示，电子设备的成本已占整车生产成本的30%以上，而引入线控系统后电子设备成本所占比例将会更大。作为新兴的技术产业，新研发的电子产品通常都具有较高的价格，随着技术的成熟以及产品的更新换代，相信线控系统的成本将会有所降低。

4 国内外研究下现状及展望

2002年巴黎车展上，通用公司曾推出一款叫做“Hy-wire”线控燃料电池车，Hy-wire意为“氢燃料驱动一线传操控”。2003年，日本丰田公司在纽约国际车展上展示了一款概念车，该车即采用了Steering -By-Wire技术；2004 年，德尔福公司推出了混合线控制动系统（Hybrid Brake-by-wire），它在两个后制动轮上用电机盘式制动器来代替传统液压盘式制动器，同时还搭载了电动驻车制动；而奔驰公司推出的 SL 500 和 SL 350 ，是世界上首次采用线控制动技术的量产车型。我国线控技术研究起步较晚，吉林大学、同济大、武汉理工大学、南京理工大学等院校以及众多科研机构对线控技术正进行相关研究，线控技术正成为我国汽车领域的重点研究课题。2004，同济大学研制出搭载了线控转向系统的“春晖三号”并于工博会上展出，该车取消了转向盘和转向器之间的机械连接，成为展会的亮点之一。可以预见，线控技术若能有效解决五个方面的主要技术局限，以其智能化、信息化和网络化的优势，必将成为未来汽车技术的发展方向之一。

5结语

线控技术的应用，以电子线路和电子元器件取代了传统的机械和液压传动装置，使汽车变得更加轻量化和智能化，改善了汽车的动力性、经济性以及乘坐舒适性，使得线控汽车具有传统汽车无可比拟的优势。尽管线控技术的发展还不成熟，一些关键技术还存在局限尚未得到解决，但线控技术实现了高精度的电子控制，是未来实现汽车自动驾驶以及车联网技术的基础和关键所在，因而具有极其重要的意义，是汽车发展史上的转折点。预计在不久的将来，线控技术将成为车辆的主要发展方向，经过进一步的研发和推广，线控技术将更加成熟，线控技术在汽车领域将有更广泛的应用。线控技术在汽车工业的产业化发展和应用，必将带来巨大的社会效益和经济效益，推进汽车工业跨上一个新台阶。

参考文献

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