一文讲透角模块

汽车   2024-11-24 00:07   内蒙古  

1、概述

近年来,汽车智能化加速发展。作为实现智能驾驶,尤其是高阶自动驾驶的主要执行载体,底盘正朝着机电一体化、控制集成化、智能电动化等主要方向不断进化,线控一体化底盘已是大势所趋。

底盘角模块(Electric/Intelligent Corner Module),是轮边转向、线控制动、轮毂电机、空气弹簧及主动阻尼器等X/Y/Z方向的执行器集成为一体的底盘执行系统。

智能角模块将驱动、转向、制动、底盘悬挂集成于一个整体,并通过标准的接口与车身及车身电子电器进行连接,适配不同轴距和轮距的底盘,基于底盘域控制器控制车轮驱动、制动及转向,实现整车多自由度运动控制,提升整车经济性、安全性和操控性,并可实现和自动驾驶端到端连接,利于一体化底盘的快速推广。

角模块产品是全新技术架构和产品,该产品可以实现四个车轮的完全机械解耦合,并增强了单个轮胎转向、驱动、制动功能,大大增加了整车底盘功能和性能,提升安全性等。

智能角模块将最大限度提升整车的控制能力,能够实现复杂的行驶轨迹控制,原地调头、90°转向、横向平移等特殊行驶能力,能在狭窄的道路原地掉头,并能突破传统物流模式,实现室内室外无中转运输,这些功能在当前拥挤的城市停车、行车场景中将大受欢迎。

对于主机厂而言,其开发新车型的复杂度会大大降低,BOM中最为复杂的部分由角模块供应商覆盖,其产品功能带宽会大大增加,底盘从整车开发中解耦、角模块从底盘系统中解耦。集成度更高的模块化开发、精确高效的分工,会带来产业的多赢局面。

滑板底盘在纯电动车领域运用最为广泛,它是将汽车上的转向、制动、三电、悬架等系统通过模块化的方式,集成在底盘结构里。

2、滑板底盘

汽车底盘包含悬架、制动、转向等子系统,对整车的舒适性、安全性和操纵稳定性具有重要影响。伴随着电动化、智能化、网联化技术的不断发展,为电动汽车设计的一体化底盘架构——滑板底盘技术得到长足发展,其具有高集成度、高通用率、高拓展性的优势,在缩短产品开发周期、降低研发成本、适配多样化车型需求方面具有显著竞争优势。

滑板底盘主要有三大技术特征:一是平台化开发,车身与底盘分体式研发,使研发更加高效;二是全线控系统和集成控制,制动、转向、悬架等底盘部件操作均通过线控方式实现,高度集成的电子电气架构及解耦控制还存在一定技术难点;三是底盘高度集成化,集电池、电机、电控和热管理等多模块于一体,为上部座舱保留了更多空间。

滑板底盘将三电、转向、制动、悬架等系统集成到一个独立底盘内,结合线控技术使底盘与上车体控制端不再有任何机械传动硬连接,进而可以自由调节其大小与空间结构,带来一个底盘可多元化应用 和可重复利用的优势。

滑板底盘技术既集合了诸多子系统的优势又独特性地开创了上下解耦等亮点,因此该技术一度在全球掀起了一股风潮。

▲滑板底盘系统构成

理论上,具有一定带宽的滑板底盘平台可以同时开发出轿车、SUV、MPV、皮卡以及VAN 车等面向不同客户群体的产品。主机厂车型开发正逐渐走向智能化,场景化,个性化,而这些基本都是通过不同上车体内的软硬件,智舱,智驾等体现,这样就能够将上车体开发与滑板底盘平台开发实现解耦。

3、线控技术

线控可以说是滑板底盘的核心技术,因为有了线控技术,可以让滑板底盘车型实现不同级别的智能驾驶,因此很多时候业内也将滑板底盘近乎等同于线控底盘。

传统的汽车操纵方式是:当驾驶员踩制动、踩油门、换档、打方向盘时,都是通过机械机构来实现,而线控则是通过人机接口将驾驶动作转化为电信号,由电信号来通知传感机构和执行机构来操控功能装置。

▲线控原理

电动车上的线控技术根据功能主要包括线控制动、线控转向以及线控悬架。

线控制动的刹车踏板仅仅只连接一个刹车踏板位置传感器,踏板与制动系统之间没有任何刚性连接或液压连接。

线控转向,取消了方向盘和转向机之间的机械连接部件,彻底摆脱了机械固件的限制,完全由电能来实现转向。

线控悬架是根据路况实际情况自动调节悬架的高度、刚度、阻尼实现行车姿态精细化控制,其结构上主要由线控弹簧、线控减震器、线控防倾杆组成。

以上分析的这些主要技术并不是因为滑板底盘才出现的,但是却赋予了滑板底盘鲜活的生命力。

在线控技术里面,整体技术成熟度还有待完善。特别是线控转向方面,各国的标准还在完善过程中,其中最核心的难点是安全性和可靠性,因为方向盘和转向器不是通过机械式连接,一旦出现故障如何确保车辆的可控和安全需要着重考虑。安全冗余设计一方面还不够成熟,另一方面过于冗余设计可能会使得整个系统的成本增加太高。

4、商用车方面

商用车整体的新能源渗透率落后于乘用车,主要还是由于商用车的使用场景较乘用车更为多元,载重、空间、续航、路权等需求复杂,目前柴油车占据明显优势。

如何能在滑板底盘上搞创新,在技术参数以及全生命周期使用成本上赶超柴油车,将是滑板底盘在商用车领域实现突破的重要衡量指标。

比如,目前的电池技术还未满足干线物流用车的续航以及载重双重需求,续航要求电池电量增加,而电量增加又会使电池自重增加从而导致载重受到限制,这就约束了一些特定场景的干线物流车采用新能源以及滑板底盘技术。

5、角模块

角模块架构全线控底盘系统将驱动、制动、转向和悬架系统集于一体,可实现四 轮 独 立 驱 动 (Four-wheel Independent Drive,4WID)与 四 轮 独 立 转 向 (Four-wheel Independent Steering,4WIS),使车轮转向角和驱动扭矩可以被独立控制,故低速时可通过4WIS提高机动性,高速时可通过4WIS和4WID实现的直接横摆力矩控制(Direct Yaw-moment Control,DYC)提高车辆操纵稳定性。

4WID-4WIS车型虽具备许多优点,但其可控输入量多达8个,包括4个车轮转向角输入和4个车轮驱动转矩输入,构成了一个复杂的非线性耦合系统。同时,在实际行驶过程中可能会面临变路面附着系数、强侧向风等多种不确定干扰因素。因此,为解决4WID-4WIS车辆的控制和路径跟踪问题,需要综合考虑非线性系统控制、鲁棒控制、多目标控制及过驱动系统控制分配等问题。

乘用车电动化的趋势已经非常明显,电驱动系统的差异化需求也日益提升,从中央集中式向分布式驱动也是一个重要方向,而轮毂电机是下一代分布式驱动解决方案。
角模块中轮毂电机的开发面临几个方面的重大挑战:

(1)冲击、浸泡和环境带来的可靠性问题

(2)安装局限带来的紧凑性要求,必须提升功率/扭矩密度

(3)基础制动是必要的安全冗余,必须有合理的构型和散热设计

(4)小批量下的成本难题攻克,借力中央电驱产业链

6、亚太股份智能汽车角模块

亚太股份角模块底盘融合控制系统开发项目,起始于2023年7月,基于亚太股份第一版滑板底盘车进行开发。该车搭载了轮毂电机、轮边转向、IBS液压制动控制系统、EPB驻车制动系统、线控转向、线控手感模拟器等底盘执行器,控制系统开发实现了底盘融合控制。

该系统实现功能包括:四轮转向高速后转模式、四轮转向原地横移模式、四轮转向原地绕圆模式、四轮转向横摆稳定性控制、四电机矢量分配横摆控制、四电机四轮制动纵向融合驱动制动控制,四电机正负扭矩ABS-TCS滑移控制等。

亚太第二代角模块通过高度集成轮边转向、线控制动、轮毂电机、空气弹簧及主动阻尼器等多维执行器,构建了一个以单个轮胎为核心、功能全面的底盘执行系统,在优化车内空间布局的同时,赋予每个角模块独立执行多项底盘功能的能力,配合先进的底盘域控系统,能实现XYZ三轴全自由度的精准控制,提升底盘控制力和安全性。

亚太股份自研底盘域控系统,包括底盘集成控制算法,支持线控转向控制、后轮转向控制、ABS控制、TCS控制、驱动扭矩控制、VDC控制、ESC控制、动态扭矩分配控制、主动空簧控制、主动CDC控制,以及滑行、制动能量回收控制等功能。

亚太股份角模块底盘融合控制系统开发项目的部分技术亮点如下:

  • 角模块取消了车舱内的电机布置,完全取消传动系及大量轴承,获得车内可用空间,同时减小了车重,提高了驱动系统的传递效率;

  • 电子机械制动提供轮端制动功能,支持制动力精确控制,结合机械自锁额外实现EPB驻车功能;干式制动系统取消油液、油管、油壶,节省了布置空间,同时也消除了由此造成的污染;

  • 轮边转向提供最大的整车移动形态可能性,横移、侧移、蟹行、原地旋转等等,每个轮胎都独立转动角度,在车辆高动态工况下,提供无限制的侧偏角控制裕度。

  • 轮毂电机独立轮边能量回收能力,提供完全不使用摩擦制动的可能性;

  • 即便在ABS、TCS、ESC等极端控制工况下,使用角模块配套的底盘域控VMC系统,可以协调XYZ全自由度的控制能力,协调,仲裁全部底盘可用(4执行器*4轮)的16个执行器的冗余控制,提供超级底盘完全控制和冗余能力。

7、智达智能角模块

智达拥有独立设计研发的智能角模块产品,它将底盘的驱动系统、制动系统、驻车系统、转向系统、悬架系统集成为一个模块,为智能线控底盘提供独立的、精确的、可靠的、高效的运动输出。
角模块是汽车行业加速迈向电动化和智能化的一项重要创新产品。据悉,智达汽车科技具备多项智能角模块的自主知识产权,其产品兼顾多种用途和场景采用平台化设计。轮毂电机和分布式转向系统可依据不同的驱动、速度和载荷要求,进行零部件选型。
此外,悬架系统采用轻量化铸铝工艺设计,对于承载力较低的场景可采用单弹簧配置,对于承载力高的场景可采用双弹簧或者空气弹簧进行配置拓展,充分满足用户的定制化需求。

智达轮边模块集成与传统底盘集成相比,由于智能角模块的应用,智达智能线控底盘的核心功能部件从中央向轮端转移,从而实现了分布式驱动和分布式转向。这不仅使得“驱动”和“制动”这一对传统车辆上的“矛盾体”,在新的载体上实现了物理的统一。更能够在新的机制下,让驱动、制动和转向实现更多的融合。

智达智能线控底盘采用域控技术,通过车规级的底盘域控制器(pC-DCU)对4个角模块进行复杂控制。包括对轮毂电机和转向电机的扭矩矢量控制、对制动系统的压力调节、对驻车系统的动态拉紧控制等,实现驱动模式的控制、转向模式的控制、纵向滑移的控制、横向稳定性的控制以及能量回馈的控制等,都离不开底盘域控技术的支持。而车规级的标准和要求,能够确保智能线控底盘的高安全性、高可靠性,耐久使用且适应各种恶劣工作环境。

8、Protean 360+角模块

Protean Electric公司为下一代城市交通车辆开发出了先进的电驱动角模块 “Protean 360+”

  • 无限制的360度+转向提供了优异机动性

  • 气动底盘高度控制使车身可升降

  • 四枢轴下叉臂设计超紧凑

  • 全集成轮毂电机强劲高效

  • 同一模块可用在车辆四角

  • 可从前后左右四面进入车辆

核心在于其360度转向系统和轮毂电机,为城市驾驶带来前所未有的机动性。即使在狭窄的空间内,它也能轻松停车,并与路沿完美对接。当需要停车时,该模块的行驶高度控制功能会“降低”车身,使车辆入口与路沿持平,为携带重型或笨重物品以及行动不便的乘客提供了无障碍的进出口。

Protean 360+角模块设计独特,可以让车辆内部地板平坦无碍,横向通道宽敞,前门、后门和侧门均方便轮椅进出,确保行动不便的人群也能轻松使用。不仅如此,模块还能让车辆轻松实现前后或侧向停靠,乘客下车即是人行道,无需踏入繁忙的道路,极大提升了安全性。

每个车轮均可实现360度自由转向,赋予车辆超凡的机动性。即使在复杂的路况下,车辆也无需停车即可顺畅转弯。这不仅有助于减少交通中断和延误,提高乘客的出行效率,同时能够沿着狭窄的城市街道、或在路口、停车场和装载区域的狭小空间内持续前进,至关重要的是,靠边停车时,最后一米内可实现极高的机动性精度。也为其他道路使用者提供了更可预测的交通流量,有助于缓解城市拥堵。
ProteanDrive轮毂电机是一种高度集成的专利永磁同步电机设计,具有优异的效率和灵活性。总成中集成了电机和逆变器,消除了传动系统的损耗,较其他解决方案更高效。此外该电机还集成了制动系统,摩擦制动盘和制动钳均包安装在车轮中,以补充其再生制动能力,有助于提高车辆的安全性和稳定性。每台PD18可提供1400Nm/100Kw的强劲动力。

气动底盘高度系统可以根据需要调整车身高度,使车辆与路沿持平。线控电动转向装置位于接口上方,使轴指向车轮底部。这种设计确保了转向的精准和流畅,更容易控制,为乘客提供了更舒适、更安全的体验。
9、REE P7角模块
REE公司商用车底盘悬架和控制系统都采用了可以独立控制的模块化设计方案。
REE Automotive公司计划通过推出P7中卡电动车底盘,P7底盘的框架围绕“REEcorners”悬架构建,后者是REE专有的线控模块化悬架。REE称其通过将组件纳入底盘和车轮之间的区域内,设计出完全平坦的P7底盘。
初版REE P7底盘将提供两种配置:纯底盘和带驾舱底盘。两种配置均可根据客户的具体要求和应用场景为3-5级中卡定制。
▲REE P7底盘最初将提供两种配置:纯底盘和带驾舱底盘
P7的悬架和底盘设计与传统中卡不同。与传统的梯形框架和钢板弹簧设计相比,P7底盘的内部结构更接近于一辆赛车,而非一辆货车。REEcorners模块由带横向转向连杆的铝制上下控制臂,以及带线性螺旋弹簧的固定阻尼率双油压减震器组成。每个角模块还集成了一个轮毂、驱动桥和一只四活塞布雷博(Brembo)卡钳。

车辆的所有关键功能都集成在位于每个车轮的四个单独角模块中,包括转向、制动、悬架、动力总成和底盘控制。这意味着P7的四个车轮是完全独立的,但可通过每个角模块中负责所有功能的单一电子控制单元(ECU)进行控制。此外,所有车辆功能控制均已实现电气化(即线控驱动、线控转向和线控制动),扭矩矢量控制和后轮转向。
每个角模块都有负责管理转向、制动和牵引力的独立ECU。P7悬架的四个角完全相同,这不仅降低了制造成本和复杂性,同时还能更好地控制底盘。
中央驱动单元是一个集成了电机、逆变器和变速箱的3合1装置,通过带有乙二醇界面的介电油进行冷却。

10、舍弗勒

舍弗勒研发的智能角模块是多系统组合的创新产品,集成了电驱动、线控转向、线控制动和底盘悬挂功能。

这种方案将彻底改变传统底盘设计和生产工艺,实现了设计和生产的灵活性。装备智能角模块系统的车辆能够显著提升整车的操控性,实现复杂的行驶轨迹控制,包括原地转向、90°转向、横向平移等特殊行驶能力,从而极大地扩展了现有车辆的行驶能力。

▲Schaeffler Intelligent Corner Module


舍弗勒智能角模块:

(1)全线控底盘技术

  • 线控驱动、线控转向、线控制动

  • 支持L4以上自动驾驶、兼容手动驾驶

(2)四轮分布式独立驱动/转向
  • 高拓展性、模块化、快速打造滑板底盘

  • 高灵活机动性、实现车轮最大转角范围

(3)智能底盘控制策略
  • 扭矩矢量控制、四轮转向协调控制

  • 底盘域控制器实现X、Y方向一体化控制

11、阿克曼矩阵角模块系列产品
目前阿克曼矩阵已针对无人配送、末端快递物流、室内外安防机器人、移动储能、工业转运等多个领域开发出了A系列、M系列、X系列、T系列角模块,载重覆盖50kg—10T,远大于现有同等重量底盘载重。且成本较现有底盘明显下降,最高可节约成本10万元以上。
(1)安全冗余的线控转向:阿克曼矩阵的线控转向采用了线控转向与内外轮转角分配装置的冗余安全设计,以确保在线控转向失效时能够自动切换到机械转向控制,保障整车的安全性。该系统实现了分布式独立转向,转向角速度可达90°/s,实现了灵活而高效的控制。
(2)防震增强:产品悬挂系统配备有减震器、弹簧和阻尼,提高了产品在底盘上的稳定性和安全性,有效防止倾倒和提升抗风性。
(3)高防水级别:产品的防护等级达到IP67,即使在涉水深度达到1.5米时也能安全通过。
(4)高精度转向:转向系统采用了精度更高的14位编码器,相比市场上多数10位编码器,精度可达0.02度,在转向角度方面具有明显优势。
(5)AI+OTA:结合数字化发展和AI深度学习,产品可基于AI实现分布式驱动控制,包括路面拟合、转向角度反馈、路面情况反馈、可调减震系统和回馈制动系统,支持OTA迭代升级。
(6)任意点对点快速位移:通过内外转向的差异,实现二维精确走位,包括原地转向、掉头、斜行和横移等功能。
(7)更强承载能力:针对电动汽车电池较重的情况,阿克曼矩阵角模块在同等载重下重量仅为市场竞品的一半,具有更大的承载能力。
(8)优质材质选择:产品采用全铝合金材质,相较市面上常见的铸铁材料,铝合金避免了使用上的限制。
(9)优越静音效果:底盘采用实心或充气橡胶轮,相比市面上的尼龙轮,噪音更小,提供更好的静音效果。

12、大陆角模块

▲Continental Electric Corner Module 

13、现代

参考资料:

1、朱成明《滑板底盘概述以及发展趋势》

2、王军雷等《基于专利视角的滑板底盘技术发展研究》

3、Protean Electric《Protean 360+角模块加速城市交通革命》

4、Ackermatrix《阿克曼矩阵角模块系列产品介绍》

5、SAE International《REE P7底盘为市场带来先进悬架控制技术》

6、低速无人驾驶产业联盟《智驾时代,线控底盘企业如何快速“出圈”?》



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