城市自動化電動車平臺

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1 開發背景

城市的交通負荷不斷增大，有害物排放和噪聲污染越來越嚴重，因而對私人使用和用于貨物運輸的交通工具而言，其降低廢氣排放的要求也越來越嚴格。目前已實施嚴格的廢氣排放法規，同時關于市區禁止車輛通行或征收市區過路費的討論更加速了電動車保有量的增加。

此外，電驅動滿足有關功率等級、行駛里程和裝載時間等方面的要求并非是衡量未來城市車輛市場效益的唯一標準。同時還應從平臺方案出發，為客戶提供更多的個性化選擇，以獲得盡可能高的成本效益，并投入實際量產。除此之外，城市運輸車輛的動力性能和行駛功能應更好地與周圍環境相協調，降低廢氣排放并應具有更高的機動性。隨著城市交通擁擠日益嚴重，而且由于停車場的緊缺，因此車輛駕駛的靈活性顯得格外重要。另外，關于面向大眾的使用模式，例如共享汽車、運輸及車輛服務行業等，在設計車輛時應加以全面考慮。

目前正大力開發識別環境的傳感器技術、人機交互(HMI)技術以及全新的乘客保護系統，它們能有效提升車輛的自動化水平，甚至可以實現自動駕駛。因為只有通過此類技術才能成功地提高效率，并進一步提高所有乘員的安全性。同時就舒適性而言，也可減輕對駕駛員的壓力。

2 對未來車輛平臺的思考

根據要求，ZF公司已設計出了智能行駛底盤(IRC)，它是一種可靈活應用并滿足城市機動性要求的車輛平臺。ZF公司利用了企業集團現有的、針對量產進一步開發或改進的技術和系統，同時整合了用于整車的技術方案，并以全新的方式加以展現。

IRC在車輛上具體應用的首個例子就是創新的Rinspeed Oasis概念車，在經歷僅6個月的總體匹配調整后，于2017年1月在國際消費電子產品展覽會(CES)上公開展出[1]。該研究項目(圖1)顯示出了ZF公司設計的IRC平臺的優點，目前已成為廣泛應用的實例。IRC將軸向集成的輪邊電驅動、操縱可調節式底盤、先進的轉向機構與汽車地板以及電控設備相組合，并使所有功能相互協調。

圖1 IRC將軸或電動驅動器與可調節式底盤結合在一起

智能網絡化與機電一體化系統使得IRC更適合于未來市內交通運輸，前后橋之間完整的平面地板可以適應各種車身型式。因此IRC是實現車輛高靈活性的基礎，從而能用于載客或貨物運輸。

3 IRC技術細節

IRC之所以被稱作“智能”，與其以電子控制單元和軟件結構作為指揮中心有關(圖2)。通過調節行駛策略，來改善整體縱橫向動力學性能，同樣包括對ZF公司自身系統的控制，例如對Rinspeed Oasis概念車上的行駛制動器、功率電子器件以及蓄電池管理系統的控制。

圖2 IRC采用了Rinspeed Oasis 概念車的軟件架構與電控駕駛策略

除此之外，IRC電控單元還包含扭矩導向功能，根據相關的需求將扭矩分配到后驅動橋，并與其他系統形成網絡化連接，使車輛具備極高的機動性，特別是該電控單元也為先進的輔助系統提供了所有的接口，因而IRC也為城市運輸車輛的高度自動化或自動導向行駛提供了基礎。

IRC驅動由兩個分別位于后輪旁的永磁式同步電動機構成，它們分別集成在組合拉桿軸上而形成電動扭轉橫梁(eTB)(圖3)。電機可以提供的最大功率為2×40 kW，最高轉速為21 000 r/min，每個電機都帶有1個兩級輸入變速器，并集成在1個鋁殼體中，總共能提供1 400 N·m的最大扭矩。在該動力條件下可使概念車的最高車速達到150 km/h ，0～100 km/h的加速時間為9 s。

圖3 兩個功率為40 kW的永磁同步電機被用于組合 拉桿軸上的組合或電動扭轉橫梁

為了開發出更多未來的潛在用途，整個平臺被設計成eTB模塊。相應車型不僅能設計成混合動力結構，而且也能設計成純電動結構。

在減速工況下，IRC將電機轉換為發電機運行并回收能量，或者流暢地過渡到組合式ZF制動器條件下運行。它們與其他系統相互配合，例如電子行駛動力學調節(ESC)以及在小型車應用場合中用于電動伺服轉向的全電動ZF轉向柱模塊，其各自的軟件同樣也位于IRC電控單元中。

為了最大限度地簡化城市車輛在使用中頻繁停車和調頭的操作過程，IRC在前部具有一個結構獨特的雙橫向導臂單輪懸架：由鵝頸狀車輪支架聯接上下橫向導臂，而轉動支承在上橫向導臂上的鐮刀狀回行杠桿確定了其傳動比，通常可將前橋的轉向角提高50%，最大轉向角可達80°。

超大的轉向角要與IRC前橋匹配，需進一步進行細節設計，下橫向導臂的形狀需要設計成在極限轉向的情況下也不會觸碰其輪緣或車輪。此時整個轉向懸架處于橫向導臂與車輪的上方，因此轉向力也不會增大。這種新穎的結構設計在Rinspeed Oasis概念車上得以體現，采用這種IRC能非常好地實現對各種輪距的調節。

連接車輛前部和尾部的IRC機架被設計成平坦的地板，即通常的乘客車廂地板，為實現多種多樣的車身方案或車廂結構方案提供了基礎(圖4)。可適用于包括雙座休閑車、輕型客車、輕型貨車和自動駕駛汽車。物流需求正在不斷增長，正如2016年ZF公司未來研究項目[2]所預測的那樣。

圖4 雙座休閑車、電動輕型客車、電動輕型貨車與自動駕駛汽車

4 可靠和明確的HMI通訊

除了使用新的可能性和創新的車身方案之外，在高度自動化行駛的工況下，還需要按擴展用途定制HMI。目前HMI系統的一個應用實例是由ZF公司在Rinspeed Oasis概念車上具體應用的方向盤系統，這種系統無轉向擺臂，重要功能被直接集成在方向盤上，共有10個電容傳感器區域被分配在方向盤輪圈中(圖5)。

圖5 功能采成的方向盤系統，方向盤輪圈中 被分為10個電容傳感器區域

駕駛員通過輕擊或撫摸方向盤上的特定區域就能打開轉向燈、鳴響喇叭或操作娛樂系統和導航儀，此外可變指令和相應的激活姿態還能反作用于傳感器區域。為了更舒適起見，只要車輛處于自動駕駛模式，Oasis方向盤可翻轉移位或暫停使用。集成的識別功能可判斷駕駛員的手是否握在方向盤上，并作為實現安全可靠自動駕駛功能的先決條件。

除了在概念車上已實施的功能之外，ZF公司已表示在概念駕駛員座艙中人-機之間的交流功能還能設計得更為簡化、精確和可靠。以靜電充電原理為基礎的新穎觸摸屏，通過虛擬觸摸鍵或開關就能進行操作已作為ZF概念車中駕駛員座艙中的重點方案。與大多數顯示屏不同，駕駛員無需為了選擇某項功能而不得不轉移雙眼和注意力。同時，屏幕顯示行駛速度等參數，在盡可能高的可靠性前提下可以讓用戶適應視覺感觀。

此外，ZF概念車駕駛員座艙具有基于攝像機的人臉識別功能，同樣能改善在自動駕駛模式中重要的監控功能，例如能夠可靠并實時地查明駕駛員是否在專注駕駛或是否處于良好的駕駛狀態。

5 安全氣囊重新定位及其任務

如果在車輛自動駕駛期間要求方向盤能改變形狀或者能將其翻起來，甚至可完全置于儀表盤中，那么安全氣囊就必須另外布置到一個新的位置，以便能繼續發揮其功能，這也是保留被動安全性必不可少的要素。

ZF公司提供了一種創新的解決方案，采用車頂安全氣囊[3]，即集成在擋風玻璃上方頂棚中的安全氣囊裝置。目前該裝置即將批量生產，用于雪鐵龍Cactus轎車并作為副駕駛安全氣囊，這種解決方案(圖6)為車廂內部節省了不少空間。

ZF公司同樣開發了一種安全氣囊布置于駕駛員與副駕駛員之間，在發生側面碰撞情況下它能使駕駛員更好地穩定在相對一側。如果駕駛員和副駕駛員座位都有人的話，能夠減輕隨之可能引起的碰撞。除此之外，對于像Rinspeed Oasis概念車那樣側面結構較薄弱的小型城市車輛，可以通過應用預碰撞系統來觸發乘員保護。這是主、被動安全系統逐漸網絡化的實例，要比預警式或整體式安全系統更為人們所熟悉。

6 用于自主行駛的主動保險帶

在該領域中的進步取決于“自動駕駛儀”在轎車上的實際應用和可接受程度，隨著自動化技術的不斷進步，電子計算機終究會承擔方向盤控制的功能，那么駕駛員就可以專注于駕駛之外的工作，例如安全帶是否始終繃緊以及車輛是否直行。

Rinspeed Oasis概念車上的ZF主動安全系統能在功能不受限制的情況下滿足該需求。在安全帶收緊方式上，主動安全帶鎖與一種新型的電動調節端套相組合能使安全帶從乘員身體上明顯凸起。這些措施有助于進一步提高自動駕駛狀態時的舒適性，同時又能給予乘員更多的活動自由度。如果網絡化安全系統識別到潛在的危險狀況，安全帶會瞬間繃緊。該功能同時也能用作駕駛員的警告指示，使其立即注意到交通狀況并認真操控車輛。因為駕駛員必須實時遵守各項規則，即使在上車時，安全帶鎖和端套需與旋轉座椅一起布置，以便提高乘員的舒適性。

主動安全系統依然是自動駕駛功能的重要基礎，成為開發關注的焦點。傳感器、轉向機構以及動力驅動裝置中的執行器越來越成熟，工作能力也越來越強，并且通過智能網絡化相互連接，能更有效地將對人群的碰撞風險降到最低程度。也許在將來能對交通狀況作出前瞻性的評估并自動快速地作出合適的應對措施。