汽車線控技術全解析！

線控是什麼

對於自動駕駛汽車的控制有很多疑問。比如轉向，具體跟車輛的互動，是傳入轉向角度還是力度？剎車制動是由 IPC 告訴硬體多少力度呢，還是智慧到具體的制動百分比就可以？

要實現這些控制指令，首先與參考車輛的底盤組元件有很大的關係，要了解與車輛底盤的各個元件互動，就要先了解這些控制組件。

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線控執行

簡單地說，線控執行主要包括線控制動、轉向和油門。某些高階車上，懸架也是可以線控的。線控執行中制動是最難的部分。

線控油門

線控油門相當簡單，且已經大量應用，也就是電子油門，凡具備定速巡航的車輛都配備有電子油門。電子油門透過用線束（導線）來代替拉索或者拉桿，在節氣門那邊裝一隻微型電動機，用電動機來驅動節氣門開度。

電子油門控制系統主要由油門踏板、踏板位移感測器、ECU（電控單元）、資料匯流排、伺服電動機和節氣門執行機構組成。

位移感測器安裝在油門踏板內部，隨時監測油門踏板的位置。當監測到油門踏板高度位置有變化，會瞬間將此資訊送往 ECU，ECU 對該資訊和其它系統傳來的資料資訊進行運算處理，計算出一個控制訊號，透過線路送到伺服電動機繼電器，伺服電動機驅動節氣門執行機構，資料匯流排則是負責系統 ECU 與其它 ECU 之間的通訊。

在自適應巡航中，則由 ESP（ESC）中的 ECU 來控制電機，進而控制進氣門開合幅度，最終控制車速。

線控轉向

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日產旗下的英菲尼迪 Q50 是

首批使用線控轉向的量產車輛

線控轉向也已經得到實際應用，這就是日產旗下的英菲尼迪 Q50。實際目前的電子助力轉向（EPS）非常接近線控轉向了。

EPS 與線控轉向之間的主要差異就是線控轉向取消了方向盤與車輪之間的機械連線，用感測器獲得方向盤的轉角資料，然後 ECU 將其折算為具體的驅動力資料，用電機推動轉向機轉動車輪。而 EPS 則根據駕駛員的轉角來增加轉向力。

線控轉向的缺點是需要模擬一個方向盤的力回饋，因為方向盤沒有和機械部分連線，駕駛者感覺不到路面傳導來的阻力，會失去路感，不過在無人車上，就無需考慮這個了。在 Q50L 上線控轉向還保留機械裝置，保證即使電子系統全部失效，依然可以正常轉向。

線控制動

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線控制動是最關鍵的也是難度最高的。要了解線控制動，首先要了解汽車的剎車原理。輕型車通常採用液壓制動。

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傳統制動系統主要由真空助力器、主缸、儲液壺、輪缸、制動鼓或制動碟構成。當踩下剎車踏板時，儲液壺中的剎車油進入主缸，然後進入輪缸。

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輪缸兩端的活塞推動制動蹄向外運動進而使得摩擦片與剎車鼓發生摩擦，從而產生制動力。

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當駕駛者踩下制動踏板時，機構會透過液壓把駕駛人腳上的力量傳遞給車輪。但實際上要想讓車停下來必須要一個很大的力量，這要比人腿的力量大很多。所以制動系統必須能夠放大腿部的力量，要做到這一點有兩個辦法：一是槓桿作用；二是利用帕斯卡定律，用液力放大。制動系統把力量傳遞給車輪，給車輪一個摩擦力，然後車輪也相應的給地面一個摩擦力。

ABS

說完了這些，讓我們來說說 ABS。

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ESP 與 ABS 非常接近，與 ABS 最大的不同在於 ESP 可以在沒有踩剎車踏板的情況下向輪缸輸出制動壓力，ABS 只能在踩下剎車踏板後從主缸向輪缸輸出壓力。壓力生成器就是電機和柱塞泵， 與 ABS 比多了 4 個柱塞泵，4 個電磁閥，也就是 VLV 和 USV。

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博世第九代ESP增加了兩個特殊功能，一個是ACC，自適應巡航，ESP 可以部分控制電子節氣門。另一個是AEB，ESP可以部分控制剎車系統。

有些認為 ESP 既可以控制油門又可以控制剎車，是個很好的線控系統，其實並不是這樣。博世對國內廠家一般只開放ACC和ESP量產介面協議，剎車力度最大大約為0。5g，標準的剎車力度在0。8g以上，遠不夠用。

其次，在設計之初，ESP 控制剎車系統只是在少數緊急情況下使用，頻繁使用，會導致柱塞泵發熱嚴重，精密度下滑，導致 ESP 壽命急劇下滑，如果用 ESP 做常規剎車系統，可能 1 個月就報廢了。最後即便是不計壽命問題，ESP 的泵油功率有限，且缺乏真空助力，反應速度較慢。

如何做到常規的線控制動，這得從真空助力器說起。

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真空助力系統，是在制動的時，也同時控制進入助力器的真空，使膜片移動，並透過聯運裝置利用膜片上的推杆協助人力去踩動和推動制動踏板。需要注意推力來自壓力差，而非真空。電動車和混合動力車不能依賴內燃機取得真空，需要用電子真空泵。

線控制動正是從真空助力器延伸開來，用一個電機來代替真空助力器推動主缸活塞。由於汽車底盤空間狹小，電機的體積必須很小，同時要有一套高效的減速裝置，將電機的扭矩轉換為強大的直線推力，這其中的關鍵因素就是電機主軸。

在電機技術不夠先進的 1999 年前，人們只得放棄這種直接推動主缸的思路。轉而使用高壓蓄能器。這就是賓士的 SBC、豐田的 EBC 系統、天合的 SCB，這套系統利用電機建立液壓，然後將高壓剎車油儲存在高壓蓄能器中，需要剎車時釋放。這套系統結構複雜，液壓管路眾多，成本高昂，可靠性不高。

由於成本過高，從 2007 年起，EVP 電子真空泵開始在電動車或混動車上取代這種高壓蓄能器設計，EVP 極為簡單，就是將油車的真空助力換位電子真空泵獲得真空，缺點非常明顯，幾乎沒有任何能量回收，剎車時會發出刺耳的噪音，最重要，它必須人力首先踩下制動踏板，也就是說它並非線控制動，而是機械制動。

隨著電機技術的發展，日立旗下的東機特工在 2009 年首次推出電液線控制動系統 E-ACT。說起來很簡單，用直流無刷超高速電機配合滾珠絲槓直接推動主缸活塞達到電液線控制動，這套方案對滾珠絲槓的加工精度要求很高。傳統的液壓制動系統反應時間大約 400-600 毫秒，電液線控制動大約為 120-150 毫秒，安全效能大幅度提高。百公里時速剎車大約最少可縮短 9 米以上的距離。同時用在混動和電動車上，可以回收幾乎 99% 的剎車摩擦能量。是目前公認最好的制動方式，為了保證系統的可靠性，這套制動系統一般都需要加入 ESP（ESC）做系統備份。

博世從中獲得靈感，加上博世是電機大師，經過博世的努力，最終在 2013 年去掉了高壓蓄能器，單用電機推動主缸，這就是 iBooster。

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大陸和天合（ZF）則在此基礎上將 ESC 也整合進來，大陸的 MK C1 早在 2011 年就已經推出，在 2017 年版的阿爾法羅密歐 Giulia 上使用。TRW 的則於 2012 年推出 IBC，通用的 K2XX 平臺上將全線使用。順便說下 TRW 的 IBC 技術並非自己原創，是收購自一家小公司，不過博世的 ABS 技術也不是自己原創的。

這些線控制動都不是純粹的線控制動，仍然需要液壓系統放大制動能量。液壓系統結構複雜，專利門檻很高。為了突破大廠的封鎖，也為了簡化制動系統，純粹的線控制動（EMB）近年來是個火熱的研究領域。EMB 取消液壓系統，直接用電機驅動機械活塞制動。

優點一：安全優勢極為突出，大幅度縮短剎車距離。EMB 的反應時間大約 90 毫秒，比 iBooster 的 120 毫秒更快速；

優點二：沒有液壓系統，不會有液體洩露。對電動車來說尤其重要，液體洩露可能導致短路或元件失效，進而導致災難。同時成本和維護費用也降低不少。

缺點一：沒有備份系統，對可靠性要求極高。特別是電源系統，要絕對保證穩定，其次是匯流排通訊系統的容錯能力，系統中每一個節點的序列通訊都必須具備容錯能力。同時系統需要至少兩個 CPU 來保證可靠性。

缺點二：剎車力不足。EMB 系統必須在輪轂中，輪轂的體積決定了電機大小，進而決定了電機功率不可能太大，而普通轎車需要 1-2KW 的剎車功率，這是目前小體積電機無法達到的高度，必須大幅度提高輸入電壓，即便如此也非常困難。

缺點三：工作環境惡劣，特別是溫度高。剎車片附近的溫度高達數百度，而電機體積又決定只能使用永磁電機，而永磁在高溫下會消磁。同時 EMB 有部分半導體元件需要工作在剎車片附近，沒有半導體元件可以承受如此高的溫度，而受體積限制，無法新增冷卻系統。同時這是簧下元件，震動劇烈，永磁體無論是燒結還是粘結都很難承受強烈震動。對半導體元件也是個考驗。需要一個高強度防護殼，然而輪轂內體積非常有限，恐怕難以做到。

缺點四：需要針對底盤開發對應的系統，難以模組化設計，導致開發成本極高。

我們認為除非永磁材料有重大突破，居里溫度點大幅度提高到 1000 攝氏度，否則 EMB 無法商業化。

人們對制動效能要求的不斷提高，傳統的液壓或者空氣制動系統在加人了大量的電子控制系統如 ABS、ESP 等後，結構和管路佈置越發複雜，液壓（空氣）迴路洩露的隱患也加大，同時裝配和維修的難度也隨之提高。

制動控制是自動駕駛執行系統的重要部分，目前 ADAS 與制動系統高度關聯的功能模組包括 ESP（車身穩定系統）/AP（自動泊車）/ACC（自適應巡航）/AEB（自動緊急制動）等。

​電子機械制動（EMB）

如果把 EHB 稱為「溼」式 brake-by-wire 制動系統的話，那麼EMB就是「幹」式 brake-by-wire 制動系統。

EMB 全稱 Electro Mechanical Brake，和 EHB 的最大區別就在於它不再需要制動液和液壓部件，制動力矩完全是透過安裝在 4 個輪胎上的由電機驅動的執行機構產生。因此相應的取消了制動主缸、液壓管路等等，可以大大簡化制動系統的結構、便於佈置、裝配和維修，更為顯著的是隨著制動液的取消，對於環境的汙染大大降低了。

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西門子 VDO 的 EMB 示意圖

因此結構相對簡單、功能整合可靠的電子機械制動系統越來越受到青睞，可以預見EMB將最終取代傳統的液壓（空氣）制動器，成為未來車輛的發展方向。