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產業技術評析

汽車線傳轉向控制與其應用實例
發表日期:2020-07-01
作者:蕭瑞聖(工研院)
摘要:
線傳控制系統源自飛機駕控概念,已於航空與軍事車輛行之有年,使其應用載具得以表現優異操控特性並提高系統可靠度,線傳控制系統將成為先進車輛與汽車的技術發展重心。

全文:

一、前言
 

線傳控制(X-by-Wire)系統源自飛機駕控(Fly-by-Wire)概念,已於航空與軍事車輛行之有年,使其應用載具得以表現優異操控特性並提高系統可靠度,線傳控制系統將成為先進車輛與汽車的技術發展重心,因應汽車導入市場,多數與車輛安全相關之機械操作次系統(Subsystem),逐漸更換成具高可靠度的線傳控制,其中X代表與汽車安全相關的操作,線傳控制是藉由車載控制網路(CAN BUS)通信協定連結電子設備,藉以控制引擎或機構的方式,將傳統車輛上原先各自獨立操作的複雜機構或零組件,如機械或油壓裝置改以訊號取代或整合,並經由車輛行車電腦控制,大幅提升電動車輛操縱性與安全性,汽車機械結構得以因此精簡化,進而提升車輛設計靈活性,達成輕量化的目的,汽車電子應用技術的突飛猛進,線傳控制將成為新一代汽車設計的重要議題。
 

二、線傳控制種類特徵
 

目前已上市的傳統汽車或汽車多有線傳控制的應用例子,線傳控制計有線傳轉向控制(Steer-by-Wire)、線傳懸吊控制(Suspension-by-Wire)、線傳煞車控制(Brake-by-Wire)、線傳油門控制(Throttle-by-Wire或Drive-by-Wire)、線傳排檔控制(Shift-by-Wire)等應用方式。
 

三、線傳控制技術發展
 

汽車導入線傳控制應用,可以省略傳統的氣動、液壓或機構,取而代之的是感測器、汽車電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)、電磁的執行機構,感測器精度、控制單元硬體可靠性、抗電磁干擾性 (Electromagnetic Compatibility, EMC)、控制演算法的可靠性與容錯性(Fault Tolerance)、執行機構的快速性、各系統控制單元之間的通信即時性、車載控制網路整合能力等,攸關線傳控制的功能與應用,以下列舉支援線傳控制系統的關鍵技術與實例。
 

(一)容錯控制
 

為滿足線傳控制技術的汽車可靠性與安全性要求,線傳控制系統必須考量容錯控制,容錯控制分為硬體與解析方法2種,硬體主要是藉由對重要汽車零組件與容易發生故障零組件提供備份,以提高系統的容錯性能,解析方法則是設計控制器軟體,提高整個系統可靠度,從而改善線傳控制的容錯能力。主要車載半導體廠商為確立在業界創新領導者地位,積極地朝向汽車的線傳控制潮流發展,目前有關安全性的駕駛輔助系統由於受限於昂貴且複雜的機械/液壓零組件雖尚未普及化,線傳控制以容錯電氣/電子系統取代機械式汽車零組件,逐漸導入市場且被消費者所接受,初期已完成包括轉向操控、煞車、加速與懸吊控制等電子化介面,並導入汽車的測試與開發。
 

(二)感測器整合
 

感測器整合應用是線傳控制的關鍵技術,例如線傳煞車控制的電子液壓煞車系統 (Electrical Hydraulic Braking System, EHB)或電子機械煞車系統 (Electrical Mechanical Braking System, EMB)等都是由許多感測器所整合組成,關鍵零組件包含角度位移感測器、扭力感測器、車速感測器、側向加速度感測器、橫移角速度感測器等,感測器處理速度與回饋精度,攸關汽車電子系統的控制能力,如何製造體積精簡、成本合理、可靠性高且量測精度高的感測器是線傳控制重要課題。
 

(三)車載控制網路
 

汽車藉由感測器與車載半導體元件,提供不同系統與車載網路之間訊息溝通,形成簡化設計、提昇安全性、降低成本與實現許多未來先進、嶄新服務的整合載具。車載半導體在車載控制網路扮演創新的角色,涵蓋高速、容錯的控制器區域網路,特別針對乘客安全保護系統的概念、汽車遠端控制匯流排(Gateway)的解決方案與針對未來線傳控制系統的開發等,不斷擴充與車載控制網路規格相容的汽車零組件。
 

歐洲主要車廠已應用於汽車動力與傳動系統是高速車載CAN,且已提昇系統的完整性,新一代車載半導體訂定新的高速車載CAN效能,由於導入新的矽晶片材料製程,汽車零組件提供具電磁相容性能,有效提昇電動車動力與傳動應用標準;同時因車內動力系統數量增加,穩定的容錯網路系統需求也相對提升,車載半導體容錯技術成為汽車線傳控制與訊息相互連結的共通標準。
 

(四)線傳轉向控制原理與結構
 

轉向是汽車主要操控性能之一,轉向系統直接影響汽車的操縱穩定性,如何合理地設計轉向系統,使汽車具有良好的操縱性能,是設計的重要課題,是繼電動動力轉向(Electric Power Steering, EPS)之後發展的新一代轉向系統,具有比EPS操縱穩定性更好的特點,方向盤與轉向機構之間不再採用機械零組件(如轉向機柱等)連結,擺脫傳統轉向機構複雜結構的限制,改善駕控方便性與安全性。
 

汽車線傳轉向系統由方向盤(Steering Wheel)總成、方向盤感測器(Wheel Sensor)、轉向機構總成、控制單元(ECU)與控制馬達或致動器(Actuator)等關鍵零組件、自動故障處理系統、電源等輔助系統所組成。方向盤總成的主要功能是將駕駛員的轉向意圖(透過測量方向盤轉角)轉換成數位訊號,並傳遞給主控制器;同時接受主控制器力矩信號,產生方向盤旋轉力矩,提供駕駛員相對應的路面感測資訊,方向盤總成包括方向盤、方向盤轉角感測器、力矩感測器、控制馬達或致動器;轉向執行總成功能是接受主控制器命令,通過控制馬達或致動器控制轉向車輪轉動,實現駕駛員的轉向意圖;圖1所示,是線傳轉向的控制架構。
 

圖1 線傳轉向的控制結構

資料來源:researchgate.net;工研院產科國際所(2020/05)
圖1 線傳轉向的控制結構
 

自動故障處理系統是線傳轉向的重要模組,包括一系列的監控與實施算法,針對不同的故障形式與故障等級做出即時處理,以維持汽車正常行駛,汽車的安全性必須首先考慮的因素,故障自動檢測與自動處理是線傳轉向系統最重要功能,須採用嚴密的故障檢測與處理邏輯,以提升汽車安全性能。
 

傳統汽車的動力方向盤系統係使用引擎動力,經皮帶傳動推動油壓泵浦(Hydraulic Pump)產生轉動輪胎輔助力量,反而造成引擎輸出動力浪費,通常車輛於停止或慢速轉彎,需大幅度轉動輪胎時,動力方向盤系統產生推力,引擎以怠速或低速運轉,不適合大動力輸出;但當車速增加,引擎於高速運轉時,可由傳動皮帶輸出大量動力,此時輪胎不需大幅轉動。
 

線傳轉向控制係與輪胎位置感應器結合,作為力量回授電氣馬達訊號,經由行車控制電腦,直接控制輪胎轉動,馬達僅於輪胎轉動時輸出,可減少引擎動力輸出消耗。液壓電力(Electrohydraulic)轉向機構被視為是導入線傳控制轉向之前的過渡性設計,仍設有電動馬達、液壓油、動力轉向泵(Power Steering Pump),依據引擎轉速與轉向調整適當的油壓,而當直線行駛時,動力轉向泵關閉,減輕引擎工作負擔。
 

四、線傳轉向應用實例
 

(一)機構配置與應用潛力
 

汽車轉向系統的基本性能是保證車輛在任何情況下轉動方向盤時有較理想的操縱穩定性,隨著汽車電子技術的精進發展與汽車功能系統的整合,汽車轉向系統從傳統的液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering System, HPS)、電控液壓動力轉向系統(Electronic Control Hydraulic Power Steering System, ECHPS),發展到現在逐漸推廣應用的電動液壓動力轉向系統(Electro-Hydraulic Power Steering System, EHPS)。
 

典型的線傳轉向系統由方向盤總成、電控單元與轉向執行機構等3大系統所組成,負責感測駕駛員駕駛意圖的轉角感測器與轉矩感測器,整合在方向盤總成系統,為了提高系統的可靠性,電控單元通常設置3組及以上,各系統互為安全備份,當某一系統電控單元發生故障時,備份的電控單元立即接手,防止故障發生,線傳轉向系統與現有的電動動力轉向(EPS)比較,最大差異是省略轉向機柱等機械結構。
 

精簡轉向機柱後,線傳轉向系統的結構配置可以大幅簡化,原有的剛性連接機械零組件逐漸被電子訊號線所取代,不僅節省駕駛艙空間,還可以刪減轉向系統與機構的重量,提高汽車燃油經濟性。此外由於傳統的剛性連接機構被取代,駕駛不再承受到路面顛簸所帶來的方向盤振動,汽車發生正面碰撞事故時,駕駛員不至於受到轉向機柱的撞擊傷害,節省出來的空間可以配置腿部安全氣囊,從而改善汽車安全性。
 

Nissan Murano線傳轉向的理念是源自EA2的概念車設計,圖2是Nissan Murano線傳轉向控制應用實例,透過線傳轉向技術的應用,可大幅簡化轉向機構零組件,精簡車輛配置空間,新一代的汽車設計因此變得更具彈性。
 

圖2 Nissan Murano線傳轉向控制應用實例

資料來源:carscoops.com;工研院產科國際所(2020/05)
圖2 Nissan Murano線傳轉向控制應用實例
 

(二)主要車廠導入線傳轉向實例
 

2016年的北美車展,Infiniti展示第二代線傳轉向系統Q50乘用車,與第一代線傳控制轉向系統比較,第二代線傳轉向系統改善轉向回饋與轉向迴正力矩,進一步優化汽車轉向的精確性與操控性,隨著汽車電子元件與控制技術的精進,在越來越強調汽車安全性與舒適性的未來,線傳轉向系統將逐漸取代現有傳統的轉向系統,成為汽車轉向系統的發展方向,也為汽車零組件產業提供嶄新的轉型機會。
 

Infiniti Q50是一款導入線傳轉向系統的車型,是Q50 3.5 Hybrid的標準配置,也是特定市場Q50 2.2d柴油車的選配產品,線傳轉向技術的工作原理是將駕駛員的輸入電子傳輸到前輪,然後透過高響應致動器擷取控制訊號,從而驅動轉向齒條,使Q50的傳動系統轉向反應速度更快,並且沒有機械損失,由於該技術對方向盤不致造成振動,提供非常典型的性能回饋,作為Infiniti驅動模式選擇器的一部分,駕駛員可以透過觸控螢幕調節轉向,選項提供多達四個預編程設置,但也有一個單獨的設置,允許駕駛自由定義轉向重量與反應,以滿足駕控的喜好與因應的道路類型。
 

Infiniti Q50已對直接自適應轉向系統進行超過40萬公里的實際測試,並配備由三個獨立電子控制單元組成的三重備用系統以及傳統的機械轉向系統,線傳轉向系統還將採用主動車道控制,這是一種搭配影像感測器的系統,透過讀取車道標記並提供校正轉向輸入,可以將Q50隨時維持在正確車道上,圖3是Q50線傳轉向執行架構示意圖。
 

圖3 Infiniti Q50線傳轉向的控制架構

資料來源:autocarhire.com;工研院產科國際所(2020/05)
圖3 Infiniti Q50線傳轉向的控制架構
 

五、領導廠商動態
 

線傳轉向系統的發展與電動動力轉向(EPS)一脈相承,其所應用的關鍵零組件在EPS中類似,其系統相對於EPS需要有備份功能,目前線傳轉向系統有兩種方式:其一是取消方向盤與轉向機構的機械連接,藉由多個電動馬達與控制器增加系統的備份,其二是在方向盤與轉向機構之間增加一個電磁離合器作為失效備份,增強系統的備份功能。線控轉向技術需要在EPS技術基礎上延續發展,因此線控轉向技術的廠商絕大多數都是傳統汽車的第一階(Tier 1)供應商。電動動力轉向的核心零組件包含電動馬達、電控、扭矩感測器、角度感測器等,基本上都由各領導廠商自行供應,擁有相當的產業進入障礙與緊密的供應鏈,新創廠商切入線傳轉向系統的領域相對困難,表1,是主要廠商在線傳轉向系統的研發動向。
 

表1 主要廠商在線傳轉向系統的研發動向
廠商 線傳轉向研發現況
Bosch Servo electric產品,雛型車
ZF (TRW) 尚未量產,產品展示
JTEKT 尚未量產,有線傳轉向系統展示與介紹
Kayaba 2013年量產,配裝在Infiniti Q50車上,有故障召回案例
Nexteer Quiet Wheel產品,申請專利
Hitachi 未量產,申請專利
NTN 未量產,申請專利
ThyssenKrupp AG 未量產,申請專利
NSK 未量產,申請專利,但公開不支持
Dura 雛型機展示,申請專利
Danfoss 未量產,申請專利
Mando (萬都) 未量產,申請專利
Schaeffler 收購Paravan,擁有Space Drive雛型車運轉實績

資料來源:工研院產科國際所(2020/05)
 

(1)Schaeffler
 

Schaeffler與德國公司Paravan達成協議,收購Paravan的線傳控制技術Space Drive,該技術將在未來自動駕駛車輛中扮演關鍵角色,同時作為協議的一部分,雙方創建一家合資公司,其中Schaeffler擁有90%股份,Space Drive由Paravan公司開發,用於幫助身體殘疾的人,該技術允許車輛透過純電子方式執行轉向與停車動作,不再需要方向盤或轉向機柱。
 

Schaeffler表示即使在有方向盤的自動駕駛乘用車中,透過消除線傳控制轉向機構節省空間,可為車輛與駕駛艙室內部設計提供全新配置的可能性,圖4是Schaeffler與Paravan共同研發的次世代線傳轉向雛型車Mover,為自駕車市場做準備,Schaeffler將為合資公司貢獻Mover自動駕駛技術,Schaeffler於2019年4月發布自動駕駛電動概念車Mover,該車底盤可與不同版本車身結合,應用於不同的城市交通與運輸功能。
 

圖4 Schaeffler與Paravan共同研發的線傳轉向雛型車

資料來源:auto.163.com
圖4 Schaeffler與Paravan共同研發的線傳轉向雛型車
 

(2)JTEKT
 

JTEKT為因應未來能適應自動駕駛系統,認為須考量兩項關鍵因素,分別是備用系統(Redundancy Systems)與線傳轉向技術,預計在未來幾年內推出線傳轉向産品,JTEKT正在研發適用於自動駕駛系統的線傳轉向技術,雖然目前仍處於雛型階段,這種線傳轉向技術能打破駕駛與方向盤間的機械連接,而是將方向盤的轉動轉化為電控信號,在傳遞至控制車輪的電動馬達,圖5是由JTEKT與Lexus共同研發的線傳轉向系統雛型車。
 

圖5 由JTEKT與Lexus共同研發的線傳轉向系統

資料來源:motorcars.jp
圖5 由JTEKT與Lexus共同研發的線傳轉向系統
 

(3)Nexteer
 

Nexteer打造一款無法旋轉的方向盤,打造的方向盤雖然無法旋轉,却仍能用於車輛操控,方向盤取名為Quiet Wheel,採用數位通信技術實現車輪操控,提升車輛操控安全係數,新技術的應用可迴避因方向盤轉向過快而引起的安全事故風險。本質上Quiet Wheel採用線傳轉向技術,當車輛切換到自動駕駛模式後,車載電腦發送(轉向)信號,因此方向盤沒有轉動的必要。
 

互聯與自動駕駛是未來趨勢,屆時該類車輛的操控或無需用到方向盤,直至最終徹底消失,該技術尚未被應用到量産車型中,Nexteer表示線傳轉向方向盤正在研發與功能確認中,定位未來3級~5級自動駕駛車輛,預期在未來數年內實現量産,圖6是Nexteer線傳轉向系統(Quiet Wheel)示意圖,精簡甚至省略機械連結。
 

圖6 Nexteer線傳轉向系統

資料來源:motorcars.jp
圖6 Nexteer線傳轉向系統
 

六、結論
 

汽車導入市場,提供新型車輛零組件的創新應用機會,其動力系統控制與機械結構與傳統汽車不盡相同,線傳控制系統將刺激汽車電子零組件的擴大應用領域與比例,諸如汽車半導體、汽車整合IC控制晶片、電力電子元件、各類型感測器及汽車演算技術的需求將大幅增加,隨著電動車輛比例增加,將帶動汽車電子零組件廣泛應用機會。
 

線傳轉向以車載控制網路訊號取代部分傳統關鍵零組件,例如轉向機柱、轉向齒輪(齒條)等,轉向系統的可靠性變的非常重要,必須具備可靠的車載控制網路與容錯性應用技術,提供線傳轉向控制處於確實安全的駕控狀態,亟需建立車載控制網路與線傳轉向測試驗證技術,以便與相關的感測器、控制馬達、控制器或致動器等整合或連結。
 

臺灣得力於ICT產業發展,供應鏈非常完整,儘管目前線傳轉向等線傳控制技術多應用於高階車款,因應未來汽車產業發展,新一代汽車將朝向客製化(高值化)與大量生產發展,零組件廠商已密切關注屬於高附加價值的線傳控制應用技術與產品應用,由於車載控制網路通信協定都由整車廠所掌控,多數廠商取得不易,建議廠商可藉由自主性比較高的中國大陸自有品牌導入產品應用,累積線傳控制實績進而與國際領導車廠合作,爭取汽車電子零組件商機。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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