冗余安全的线控转向系统技术特点与应用

6月6日，2023江淮汽车智能网联与线控底盘论坛上，舍弗勒大中华区先进转向业务单元总监薛剑波表示，冗余系统设计的基本安全概念基于热备份方案的双通道冗余设计，正常工作下为主从系统双边运行，寿命一致性更好；冗余系统涉及扭矩分配切换时，恢复到100%扭矩输出时间更短、切换更平顺；系统冗余诊断实时在线，无需担心冗余功能激活上线异常。

薛剑波｜舍弗勒大中华区先进转向业务单元总监

以下为演讲内容整理： 

舍弗勒新发展模式

谈及底盘概念感慨万分，读书时的导师曾有过较为精辟的论断，中国汽车自主品牌的发展会从21世纪初开始经历三个发展阶段：第一个十年突破发动机技术；第二个十年突破自动变速箱技术；第三个十年突破底盘技术。在相继完成动力总成、传动系统以及底盘系统的技术突破后，中国汽车自主品牌将从发展的必然王国转向技术开发的自由王国，目前底盘的相关话题已经在行业掀起了热潮，这也意味着我们终将抵达技术的自由王国。

舍弗勒作为一家全球零部件企业，其发动机、变速箱等产品在行业内都受到了广泛的认可，并且舍弗勒大中华区已经成为为舍弗勒全球销售额的第二大区域，仅次于欧洲区。从1995年在中国开始投资建厂，从以贸易件的形式在中国销售产品，到在中国设立工厂，从总部转移技术和产品在中国本土生产，到今天我们立足于中国市场和本土人才，与全球进行合作开发和生产。舍弗勒安亭技术中心已经成为德国总部之外最大的研发基地，同时舍弗勒集团还在长沙设立了舍弗勒大中华区第二研发中心，从研发的角度来看对中国的重视程度是空前的，第二研发中心目前的主要工作是进行与底盘系统相关的机电一体化产品的开发。

我们认为汽车在未来会实现从上到下的分层，第一层是顶层，即与自动驾驶相关的感知、决策、车路协同和高算力平台，这部分对于传统汽车而言是增量部件；第二层是智能座舱，随着自动驾驶的引入，人的驾驶行为和车辆在一定程度上实现了解耦，人在座舱中的舒适功能可以看作是改善性需求。

传统零部件，如动力、转向、制动、悬架等系统，全部被压缩到了新一代智能底盘中，所以现在传统零部件企业间的竞争空前激烈，这对所有零部件企业都是巨大的考验。底盘是整车运动学的基础，底盘范围内的电子和机械硬件决定了底盘的物理性能边界，软件在一定程度上达成性能边界，并在其中提供不同的个性化体验。

从驱动系统来看，无论是电驱系统还是电池的储能系统，最终是提供纵向速度以及加速度的控制，转向系统提供Y向的转向角度和角速度，而制动系统首先实现纵向的减速控制，同时通过轮端制动力的分配对Y向和Z向进行调节，这也需要转向和悬架系统进行同步补偿。

从悬架系统来看，是对Z向运动进行一些控制，在引入电控系统之前，传统悬架是由机械、液压、气动等零部件决定其物理特性，悬架本身设计完成后，在随后的生命周期里，除了老化造成的影响之外都是不可调的。随着电子部件以及软件进入悬架系统，Z向运动的可控性被充分解放。。

线控技术与冗余安全

高安全冗余的线控技术成为智能底盘的必选项，无论转向、制动还是悬架系统，它们的电控化、电子化的趋势非常明显，并且国家的法规也会配合技术的发展做出相应的调整。未来的设计目标，是让中国汽车技术和产品走向全球。

我们认为滑板式底盘是未来汽车发展的趋势，在新一代车辆和平台设计中，整车厂需要留出成本空间给新增零部件，因此合理的实现既有零部件的成本压缩，这在汽车行业中显得尤为重要。通过电子和机械硬件预埋的方式来减少底盘平台变型，简化底盘设计，提高单品的配置率和搭载量，是合理降低成本的重要方式。出行即服务会带来用户个性化的选择，如何满足这一需求也是全产业链需要深入思考的问题。

汽车行业第一次引入线控，据我所知是电子油门和电喷时代，线控油门已经在行业中得到了广泛应用。机械单元解耦之后，无论是转向、制动还是悬架都可以称为线控技术，是由电子来替代传统的物理介质。谈及线控技术，其重点就是冗余，这既是线控技术的优势，也是其痛点。

线控技术的优势是把物理介质取消，系统的重量和体积将会大幅较少，但取消物理介质后，如何保证运动指令执行的可靠性，就只能通过电子系统来保证，而仅通过单一路径来提升可靠性是存在局限的，痛点也来源于此。因此，冗余技术是提高线控系统可靠性、可用性和可维护性的最好技术路径。

下图是舍弗勒在冗余转向中推出的一款新产品，冗余电动液压转向EHPS，在电控单元、传感器和执行层面都实现了全冗余设计。

图源：演讲嘉宾材料

冗余的概念在别的领域已经实现，比如在工业领域要早于汽车领域，在IEC61508，即GB/T 20438中已经推荐了成熟的的冗余方案。这两种推荐方案：第一种方案是两通道实现冗余，但是两个独立的执行通道之间需要增加互诊断的单元并可改变输出状态；第二种方案是并联两个通道，这其中的诊断结果仅报告故障，不去改变输出状态。从数学角度来看，这两种冗余架构对最终可靠性有决定性的影响。

从安全失效和危险失效的概率计算来看，采用同样的基础零部件搭建的双冗余系统，第一种方案的可靠性要高于第二种方案，并且行业内也有成熟的应用经验和方案。

舍弗勒的解决方案及未来发展趋势

舍弗勒平台采用的冗余架构是基于热备份方案的双通道设计，相当于两个冗余系统在同时工作，其优势在于：一是双边运行，寿命一致性较好；二是冗余系统涉及扭矩分配切换时，恢复到100%扭矩输出时间更短、切换更平顺；三是系统冗余诊断实时在线，无需担心冗余功能激活上线异常。

在单点故障的角度下，冗余系统对输入端和输出端的单点故障完全实现了解耦，但冗余系统的重大技术挑战在于多点故障的处理，特别是底层软件开发的工作量远远超过开发单边系统的两倍。

舍弗勒还把冗余系统应用在乘用车线控转向系统上，比如上转向和下转向系统，目前还在量产开发中。在整车冗余架构的探索上，不应该把冗余局限在单个系统上，在整车全系统，即功能冗余也是重要的实现方式。比如把整车转向功能分解到前轮转向系统和后轮转向系统，那么在共同承担的转向功能方面就拥有了更多的冗余性。

车辆前后轮协同转向除了性能上具备优势外，也给车辆提供了更好的安全边界。目前很多企业都在做四轮转向系统，而舍弗勒在角模块系统也做了充足的工作，并且这个角模块系统是为了将来硬件解耦做的准备，因为角模块实现了驱动、转向、制动、悬架等系统的集成。从冗余的角度来看，可以实现转向、制动等功能的重构，为提升车辆的安全边界提供了更大的可能性。

把较多的功能压在单一系统上既不合理，也会增加成本，从车辆层面去重新思考，并解构未来车辆的设计，会发现解决问题的路径有很多。智能电动底盘中还包含有动力系统，动力系统的控制应该是和底盘运动学控制结合在一起，这也是我们坚持的一个点。

动力系统可以为稳定性、驱动力和转向力的补偿提供更多支持，从整车层面做合理的分解，可以把不同的XYZ三向的运动合力，分解到动力、转向、制动和悬架系统，可以得到成本最优的解决方案。

随着汽车电子化的不断深入，线控技术将在汽车上得到更加普遍的应用，冗余技术也会成为线控系统的必然选择，也是汽车可靠性和可用性的必由之路。常规和非常规的转向技术，二者的融合是冗余转向系统的未来，未来冗余技术也会成为线控系统大规模应用的基石。