2017年日本汽车工程学会:电动助力转向 (EPS) 技术的进步

自动驾驶的协调控制与失效保护操作的开发近况

2017/06/13

概要

2017年日本汽车工程学会 会场盛况

 2017年5月举行的“2017年日本汽车工程学会 横滨” (公益社团法人 汽车技术会主办) 上,由知名供应商进行了自动驾驶辅助系统的综合展示。展示了构成车辆的各种系统的协调控制。

 随着自动驾驶系统加快开发的进程,电动助力转向系统 (EPS) 成为不可或缺的构成设备之一,其安全性能也在不断得到提高。相比原先只辅助转向力的传统助力转向器,现在的助力转向器能控制转向角度的功能、甚至能控制转向的结果—车辆表现,追求的功能与原先不同,包括控制的精准度、可靠度、发生故障时的对策等。

 预防偏离车道辅助系统 (LDW/LKA) 等先进驾驶辅助系统 (ADAS) 与转向系统、驱动系统和制动系统等的协调控制非常重要,因此目前朝着转向操作正从机械控制式向电子控制式线控转向 (Steer-by-Wire) 转变。另一方面,随着高级ADAS/自动驾驶系统的升级,只要系统发生断电、故障,控制和辅助功能就会失效,因此相比原先,系统故障的影响更大。EPS在回避危险时,如果发生电力方面的故障,就有可能造成极大的伤害。

 为了应对控制系统的高性能和复杂化所带来的故障和误启动,开始导入失效保护操作 (fail-safe operation)。EPS搭载ECU和电机嵌入转向机构的机电一体化控制系统,ECU和电机采取分别增至2套系统的冗余设计,即使一套系统的电子线路发生异常,另一套系统也会启动,保持行驶,并保证车辆安全停下。

 本届展会上,博世电装展出应对失效保护操作的EPS,该系统拥有ECU和电机,通过展板和演示设备介绍其安全性能。日本精工也展出电机、ECU、扭矩传感器采取冗余设计的EPS。恩梯恩放置了一台为日产Skyline的线控转向系统配套的新一代转向器用机械离合器单元 (MCU) 的演示设备。捷太格特制定了线控转向系统对应ADAS的技术路线图,提出加强冗余性和备用电源,展示了辅助大型车配套EPS的辅助电源系统。昭和展出公司产品助力转向和悬架的协调控制。

 文中简称:

  • EPS: 电动助力转向器 (Electric Power Steering)
  • ADAS: 先进驾驶辅助系统 (Advanced Driver Assistance System)
  • LDW: 车道偏离警报 (Lane Departure Warning) 
  • LKA: 车道保持辅助 (Lane Keeping Assist) 
  • ECU: 电子控制单元 (Electronic Control Unit) 

相关报告
分析报告 动力转向器 (日本市场篇)
 介绍助力转向器的分类、市场概要、主要供应商的配套情况、全球基地等。
分析报告:制动器 (日本市场篇)
分析报告:制动器 (欧美市场篇)



博世:高级自动驾驶用EPS系统的失效保护操作

 博世展出用于乘用车的EPS系统“Servolectric”。与液压转向器相比,能耗降低90%,还能与ABS、ESC等电动车辆稳定系统互相连动。Servolectric的产品阵容分为管柱式、双小齿轮式和齿条轴并列式三种,可为包括大型乘用车在内的所有乘用车配套。

  • ABS: 防抱死制动系统 (Antilock Brake System) 
  • ESC: 车身稳定控制装置 (Electronic Stability Control)



コラムタイプEPS ラック軸並行タイプEPS
管柱式EPS 齿条轴并列式EPS
乗用車用EPSシステム「Servolectric」 乗用車用EPSシステム「Servolectric」
乘用车用EPS系统Servolectric



 博世还介绍了对应高级自动驾驶 (HAD: highly automated driving) 用失效保护操作的转向系统。展示了搭载冗余设计 (拥有主系统和第二系统两套系统) 的ECU和电机的电源组案例,一套系统发生异常时,就会启动另一套系统,根据不同的行驶情况,可使车辆安全停止。



完全な冗長設計のパワーパック 冗長設計のECUと電気モーター
采取完全冗余设计的电源组 冗余设计的ECU与电动机
フェールオぺレーショナル対応のステアリングシステム フェールセーフESPによって安全に停止する事例
对应失效保护操作的转向系统 利用失效安全EPS安全停止的案例


电装:对应失效保护操作的双系统EPS

 电装展出应对失效保护操作的双系统EPS。即使电子电路发生问题,也能靠另一套系统提供辅助力,保持行驶,是非常安全的系统。首先为丰田Prius配套,还为Alphard、CH-R以及雷克萨斯的多款车型配套。

 电装的展区放置了2台演示设备,用来比较传统EPS与双系统EPS的性能差异,参观者能够亲身体验传统EPS的辅助力中断时的行驶情况、以及双系统EPS可避免行驶危险的优势。



2系統EPS 2系統EPSの体験デモ
双系统EPS 双系统EPS的体验设备
双系统EPS展示パネル  1台电机拥有电子电路和电机卷线各两套系统。正常行驶时双系统供应辅助力。当其中一套系统发生问题时,另一套系统会继续辅助,保持顺畅的行驶。
 未来将开发实现微控制器双套系统、电源和通信双套系统的完全双系统EPS,以满足自动驾驶 (相当于Level 3) 的需求。
2系統EPS


捷太格特:对EPS配套大型车提供支持、满足ADAS需求的线控转向系统

 捷太格特展出EPS系统全系产品。适用于大型车的齿条并联式EPS (RP-EPS) 于2016年底在日本爱知县冈崎市花园工厂投产。还在海外的生产基地生产,建立全球供应体系。与RP-EPS的齿条并列的电机与减速器壳体为全球最小级别。公司目前已在向C~E级车供应齿条同轴式EPS (RD-EPS),通过新增RP-EPS,适用范围将扩大至包括SUV、皮卡在内的大型车辆。



ステアリング製品のフルラインナップ ステアリング製品のフルラインナップ
齿条并联式EPS (RP-EPS) 展示パネル 双小齿轮式EPS (DP-EPS) 展示パネル
ステアリング製品のフルラインナップ ステアリング製品のフルラインナップ
管柱式EPS (C-EPS) 展示パネル 转向器产品全系阵容



 此外,捷太格特还通过展板介绍了EPS配套大型车时提供支持的系统、满足ADAS需求的线控转向 (SBW) 系统的开发技术路线图。EPS与驱动系统协调运作的骨架车辆模型的展示也吸引了众多目光。



EPS用辅助电源系统展示パネル  EPS配套大型车时提供支持的12V电力辅助系统。高耐热锂离子电容器与ECU一体化以后,系统功率从12V (720W) 提高至18V (1,040W)。只要达到1,000W以上,就无需对EPS进行改动,实现为包括SUV、皮卡在内的几乎所有车辆配套EPS。
 还能在电源发生故障时,作为备用系统,继续提供辅助力。
2系統EPS
满足ADAS需求的转向系统展示パネル  针对配套液压式助力转向 (HPS) 系统的大型车开发满足ADAS需求的转向系统。HPS系统结合管柱式EPS (C-EPS) 的量产技术,液压系统实现大功率的同时,通过追加的执行器,能实现ADAS Level 2以上的功能。

 线控转向 (SBW) 系统满足ADAS需求的技术路线图 
 (Level 2) 现有产品 
 (Level 3~4) 开发产品/新一代 (2020年前后):
  为了加强冗余性,配套冗余设计的电机/ECU、反扭矩执行器
 (Level 4~5) 未来产品/下下代 (2025年前后):
  与备用电源一起,配套反扭矩执行器、转向执行器

运作的骨架车模型  可观察EPS、轮毂轴承、驱动产品 (TORSEN、ITCC) 等各个机构协调运作时的情况。
  • TORSEN: 托森式限滑差速器
  • ITCC: 电子控制4WD耦合系统
動くスケルトンカー


昭和:转向器、悬架协调控制

 昭和利用EPS和电子控制式阻尼器两者的优势,展出“转向器、悬架协调控制”产品。结合已开始量产的DPA-EPS与IECAS,针对未来自动驾驶技术的实际应用,致力于开发协调控制技术。此外,作为相关技术,还展出了进一步升级阻尼力反应性能的改良型SFRD及薄铸壳体。

  • DPA-EPS: 双小齿轮式电动助力转向器 (Dual Pinion Assist - Electric Power Steering)
  • IECAS: 智能电子控制自适应悬架 (Intelligent Electronic Control Adaptive Suspension)
  • SFRD: 灵敏频率响应式减震悬架 (Sensitive Frequency Response DamperSuspension)



DPA-EPS IECASと改良型SFRD
DPA-EPS (第1代) IECAS与改良型SFRD
第2代DPA-EPS展示パネル  第1代DPA-EPS自2015年起为本田车型 (Civic Type R、北美Civic、Clarity Fuel Cell、CR-V) 配套。
 第2代DPA-EPS计划自2020年起商品化。将提高转向感觉和功率,以行业最轻为目标进行开发。还计划开发满足ADAS/自动驾驶需求的冗余设计系统 (扭矩传感器、机电一体化电机的冗余设计)。
薄铸壳体  利用拓扑学最优化设计和内部薄铸技术的融合,比原先实现厚度减少2.0mm、重量减轻20%。 薄肉鋳造ハウジング


日本精工:滚珠螺杆齿条式EPS、电机/ECU/扭矩传感器采取冗余设计

 日本精工展出滚珠螺杆齿条式EPS。EPS的构成—电机、ECU、扭矩传感器都采用冗余设计,即使其中一个出现问题,系统也不会停止辅助。此外,由于采用了可任意改变转向角比的转向角重叠机构,有望大幅提高普通行驶时的转向性能以及紧急情况下的安全性。此外,针对EPS用途进行优化的滚珠螺杆在实现小型轻量、低成本的同时,还实现良好的转向感觉和低启动音。



ボールねじ式ラックタイプEPS ボールねじ式ラックタイプEPS
滚珠螺杆齿条式EPS



 日本精工近年来推进EPS的开发、扩大其销量,在历年的展会上介绍了安全转向机构 (自动辅助避免行驶中的危险)、主动中央保持控制 (改变辅助力,调整方向盘返回轨迹的功能) 等安全系统。此外,日本精工还发布了采用独家铝成型加工技术降低变速器壳体厚度的全球最轻量管柱式EPS等产品。



恩梯恩:新一代转向器用机械离合器单元 (MCU)

 恩梯恩展出为日产Skyline的线控转向系统“Direct Adaptive Steering”配套的新一代转向器用机械离合器单元 (MCU)。



次世代ステアリング用メカニカルクラッチユニット 次世代ステアリング用メカニカルクラッチユニット
新一代转向器用机械离合器单元



 线控转向中,通电时 (正常驾驶时) 方向盘和转向轴与离合器断开,当电信号的传递出现某些故障时,就会无法进行转向操作。在这种情况下,MCU作为备用离合器使用,在切断电源时,会自动切换离合器,确保机械连接,以便能进行最低限度的转向操作。



自动驾驶辅助系统的展示:包括EPS在内的协调控制

 在自动驾驶系统、安全系统方面,EPS是重要的构成要素之一。本届展会上,知名供应商的展区都可见包括EPS在内的多个相关系统的组合协调控制方面的展示。



爱信集团

 爱信集团综合展示了自动驾驶辅助系统,包括主动后转向、电子控制制动系统、高性能ESC调幅器 (车身稳定控制装置) 等进行车辆运动综合控制的产品,同时还介绍了驾驶员监测系统、周围环境监视系统等传感技术。

自動運転支援システム アクティブリアステアリングシステム
自动驾驶辅助系统 主动后转向系统



日立汽车系统

 日立汽车系统在实车大小的展台上介绍了实现高级自动行驶功能的协调控制系统,其中包括采用摄像头、雷达等传感器的360度传感技术、安全控制技术等。通过这一展示,能看到车辆综合控制单元如何协调EPS系统、悬架、制动系统等构成件。

自動運転システム EPSシステム
自动驾驶系统 EPS系统



采埃孚

 采埃孚的展区展示了双小齿轮EPS、主动运动学控制 (AKC)、综合制动 (IBC)、制动卡钳。采埃孚利用电子连动控制单元,使采埃孚的AKC主动控制后轮转向系统与采埃孚天合的双小齿轮EPS连动,在测试车辆上进行实证测试。这一组合今后还将应用于自动驾驶技术。

システム デュアルピニオンEPS
“自动驾驶 / See-Think-Act”的展示 (部分) 双小齿轮EPS

 采埃孚面向未来车辆的展示主题“See-Think-Act”的产品组合:

  • See: 雷达系统 (Radar systems)、三摄像头多镜头摄像头 (Tri-Cam multi-lens camera)、S-Cam4单摄像头 (S-Cam4 mono camera)
  • Think: 安全域ECU (Safety Domain ECU (SDE))
  • Act: 一体化制动系统 (Integrated braking system)、电子机械式转向器 (Electromechanical steering)、主动后车桥转向器 (Active rear-axle steering)

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关键词

自动驾驶、ADAS、EPS、协调控制、安全、线控转向、Bosch、博世、电装、捷太格特、昭和、日本精工、NSK、恩梯恩

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