淺析ECAS電子控制技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

徐晨

【摘 要】懸架是車輛底盤系統(tǒng)的重要組成部分，其性能提升對(duì)于車輛在動(dòng)態(tài)行駛過程中的各項(xiàng)綜合性能都具有重要影響。近年來，在傳統(tǒng)被動(dòng)空氣懸架基礎(chǔ)上集成電子控制單元的電控空氣懸架（ECAS）得到汽車工程界的廣泛關(guān)注和重視。電控系統(tǒng)是ECAS關(guān)鍵核心技術(shù)的集中體現(xiàn)，其代表了ECAS系統(tǒng)的整體技術(shù)水平，相關(guān)領(lǐng)域的研究不僅擁有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)于提升我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的研究意義。

【關(guān)鍵詞】電控空氣懸架；電子控制技術(shù)；高度控制；阻尼控制；發(fā)展趨勢(shì)

0 前言

20世紀(jì)80年代，隨著電控技術(shù)的快速發(fā)展，歐美日等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛提出在傳統(tǒng)被動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電子控制單元，從而構(gòu)成電子控制空氣懸架系統(tǒng)（Electronically Controlled Air Suspension，ECAS）[1]。ECAS能夠?qū)崿F(xiàn)車身高度的主動(dòng)調(diào)節(jié)和阻尼自適應(yīng)控制，對(duì)于改善車輛在行駛過程中的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性以及燃油經(jīng)濟(jì)性都具有重要作用，逐漸成為車輛工程界的關(guān)注焦點(diǎn)[2]。

目前，在國(guó)外豪華轎車上，ECAS已得到廣泛應(yīng)用，在高速客車和豪華城市客車上，使用率已達(dá)100%[3]。照此發(fā)展趨勢(shì)，不久的將來，ECAS將替代我國(guó)現(xiàn)有的客車以及高級(jí)轎車懸架系統(tǒng)，ECAS的產(chǎn)品推廣將迎來絕佳的外部環(huán)境。根據(jù)未來汽車的發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)將重點(diǎn)發(fā)展適應(yīng)高速公路需要的大中型客車、專用客車，并且在頒布實(shí)施的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)大中型客車懸架系統(tǒng)配置做出了明確要求，其中，高級(jí)大中型客車必須使用空氣懸架。與此同時(shí)，隨著重型汽車對(duì)路面破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深，ECAS在重型汽車中的應(yīng)用也得到進(jìn)一步增長(zhǎng)。因此，隨著相關(guān)市場(chǎng)的快速發(fā)展，ECAS的產(chǎn)品需求必將得到快速增長(zhǎng)。然而，國(guó)內(nèi)所裝備的ECAS，其電控系統(tǒng)完全依賴于進(jìn)口，進(jìn)而導(dǎo)致ECAS系統(tǒng)成本較高，無法打破國(guó)外企業(yè)的行業(yè)壟斷。

本文從“ECAS電控系統(tǒng)的阻尼控制技術(shù)”、“ECAS電控系統(tǒng)的高度控制技術(shù)”以及“ECAS電控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)”等三個(gè)方面對(duì)ECAS電子控制技術(shù)進(jìn)行全方面的介紹，從多個(gè)角度探索ECAS電控技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑。

1 ECAS阻尼控制技術(shù)

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)汽車的振動(dòng)和舒適性要求越來越高，為了提高車輛的舒適性，世界各大汽車公司都對(duì)汽車振動(dòng)水平制定了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。阻尼控制技術(shù)可以根據(jù)外界輸入和汽車本身狀態(tài)的變化進(jìn)行懸架系統(tǒng)阻尼動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而控制車輪動(dòng)載荷，增加輪胎側(cè)偏剛度，以減少車身加速度和姿態(tài)變化（如側(cè)傾、橫擺、俯仰等），使其更多地發(fā)揮出自身具有的隔振潛力，從而在橫擺和側(cè)傾方面獲得良好的頻率響應(yīng)，提高汽車平順性，并保證在彎曲路段和高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。

阻尼控制技術(shù)作為ECAS關(guān)鍵技術(shù)之一，其通過對(duì)減振器阻尼進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可以有效降低車輛在不平道路行駛工況下的振動(dòng)響應(yīng)，從而提高車輛行駛平順性，改善車輛ECAS系統(tǒng)的隔振性能。

在國(guó)外，早在1986年，就有日本研究人員開展了豐田Soarer上的ECAS系統(tǒng)阻尼控制研究，并且有研究人員試圖將最優(yōu)控制理論運(yùn)用到ECAS系統(tǒng)的阻尼控制之中，以證實(shí)ECAS阻尼最優(yōu)控制方法的適用性。1991年，德國(guó)汽車專家研究了商用車輛的ECAS阻尼控制方法，結(jié)果表明，所提出的阻尼控制方法提高了商用車輛的行駛平順性。2008年，美國(guó)戴頓大學(xué)的科研人員就空氣懸架的可控阻尼和剛度進(jìn)行了研究，并完成了數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究。目前，ECAS在國(guó)外某些高級(jí)轎車如奔馳、奧迪以及路虎上已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用，圖1為一款裝備于奔馳轎車中的ECAS四檔可調(diào)阻尼減振器結(jié)構(gòu)示意圖，通過控制電磁閥y1和y2的打開或閉合可以控制減振器在伸張和壓縮行程中的油液流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減振器阻尼工作模式的改變[4]。

由此可見，國(guó)外對(duì)ECAS的研究開始較早且較為深入，并有一定的應(yīng)用成果，技術(shù)相對(duì)成熟。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)ECAS阻尼控制系統(tǒng)的研究主要還停留在理論研究和簡(jiǎn)單的試驗(yàn)應(yīng)用上。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員以ECAS單輪模型作為研究對(duì)象，應(yīng)用最優(yōu)控制理論對(duì)ECAS阻尼控制性能進(jìn)行了改善，結(jié)果表明車輛的行駛平順性得到了一定提升。吉林大學(xué)將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，參考自適應(yīng)控制的方法來研究汽車ECAS系統(tǒng)的阻尼非線性控制問題，結(jié)果表明該方法提高了車輛的行駛平順性。江蘇大學(xué)的科研人員采用模糊PID復(fù)合阻尼控制技術(shù)對(duì)ECAS單輪模型進(jìn)行了仿真模擬和臺(tái)架試驗(yàn)，取得了較為理想的結(jié)果。此外，國(guó)內(nèi)還將許多控制方法應(yīng)用到ECAS阻尼控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，這里不一一列舉，但總體上，與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在較大差距。與此同時(shí)，國(guó)產(chǎn)汽車上ECAS的普及率還不是很高，且大多核心部件依賴進(jìn)口，難以實(shí)現(xiàn)完全自主生產(chǎn)。

2 ECAS高度控制技術(shù)

車輛在不同道路行駛工況下對(duì)車身高度有著不同的需求，換句話說，擁有車身高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的車輛比常規(guī)車輛具有更加卓越的性能。ECAS可以通過對(duì)空氣彈簧進(jìn)行充放氣實(shí)現(xiàn)車身高度的自適應(yīng)調(diào)整，這是傳統(tǒng)懸架所不能具備的獨(dú)特功能。早期的ECAS系統(tǒng)主要是通過高度機(jī)械閥來實(shí)現(xiàn)車身高度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，但是由于機(jī)械閥的不可控性，這種系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)車身高度在目標(biāo)值附近出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象，同時(shí)車身高度的調(diào)節(jié)精度較低。

ECAS通過電子控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入（車高提升）或流出（車高降低）空氣彈簧內(nèi)的氣體流量進(jìn)行精確控制，從而保證車身高度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和可靠性。ECAS車身高度調(diào)節(jié)主要由兩部分組成：

（1）高度整體性調(diào)節(jié)：一般而言，ECAS車身高度擁有多個(gè)模式，如高速行駛模式，此時(shí)車身高度應(yīng)比正常高度降低一定幅度，這樣帶來的優(yōu)勢(shì)包括兩個(gè)方面，一方面車身降低可以減少汽車的迎風(fēng)面積，進(jìn)而降低風(fēng)阻，提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，另一方面，降低車身高度可以提高車輛高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，針對(duì)越野模式，車身高度一般要比正常高度提升一定幅度，以防止懸架撞擊限位塊。對(duì)于大客車，當(dāng)需要上下客時(shí)，通過降低車門一側(cè)的車身高度，可以方便旅客上下車。

（2）高度穩(wěn)定性調(diào)節(jié)：當(dāng)車輛穩(wěn)定行駛在一定工況下，此時(shí)車身高度目標(biāo)值固定不變，但是若出現(xiàn)載荷分布不均或大幅度變化的情況，車身高度實(shí)際值便會(huì)偏離目標(biāo)值，從而不能保證車輛綜合性能的最優(yōu)。此時(shí)，車身高度穩(wěn)定性調(diào)節(jié)功能便開始啟動(dòng)，通過對(duì)空氣彈簧進(jìn)行充放氣將車身高度重新調(diào)節(jié)至目標(biāo)值或目標(biāo)值附近的允許誤差范圍之類，以實(shí)現(xiàn)車身高度的保持和穩(wěn)定。

目前，針對(duì)ECAS車身高度控制的研究已得到汽車領(lǐng)域研究人員的廣泛重視，韓國(guó)學(xué)者針對(duì)閉式ECAS車高調(diào)節(jié)系統(tǒng)開展了滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]，研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠有效調(diào)節(jié)車身高度，同時(shí)對(duì)于車高調(diào)節(jié)過程中的整車姿態(tài)也有較好的控制效果。國(guó)內(nèi)對(duì)ECAS車高調(diào)節(jié)的研究主要集中在高校等科研院所，江蘇大學(xué)研究人員對(duì)客車ECAS車高調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了深入分析，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等智能控制器，提高了ECAS車高調(diào)節(jié)的控制精度。

3 ECAS電控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著電子控制技術(shù)的快速發(fā)展，集成化、自動(dòng)化、智能化將成為未來ECAS電控技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。目前，ECAS阻尼控制技術(shù)和高度控制技術(shù)的研究主要針對(duì)單一的控制目標(biāo)，即阻尼控制只考慮阻尼對(duì)ECAS整體性能的影響，而高度控制研究則對(duì)阻尼作用進(jìn)行了忽視，事實(shí)上，二者之間通過空氣彈簧可變剛度的獨(dú)特特性互相影響、互相耦合，不能只作簡(jiǎn)單的分開，需要綜合考慮，因此，如何設(shè)計(jì)集成阻尼和高度的ECAS電控系統(tǒng)是當(dāng)前需要解決的技術(shù)問題之一。同時(shí)，車輛面臨的行駛工況往往復(fù)雜多變，當(dāng)前的ECAS電控系統(tǒng)普遍存在不能完全適應(yīng)車輛復(fù)雜行駛工況的難題，設(shè)計(jì)高度自動(dòng)化的ECAS電控技術(shù)，全面考慮車輛在不同行駛工況下對(duì)ECAS系統(tǒng)性能的不同要求， 是未來ECAS電控系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。智能化是未來控制理論的研究重點(diǎn)，控制理論已經(jīng)逐漸由現(xiàn)代控制理論向智能控制發(fā)展，針對(duì)ECAS電控系統(tǒng)高度集成化、自動(dòng)化的高性能要求，引入智能控制理論，推進(jìn)ECAS電控技術(shù)不斷向前發(fā)展，設(shè)計(jì)智能化的ECAS控制系統(tǒng)，是ECAS研發(fā)人員未來需要重點(diǎn)考慮的突破方向。

4 結(jié)論

ECAS是車輛底盤系統(tǒng)的重要組成部分，只有開發(fā)出高效可靠的電控系統(tǒng)才能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)在該領(lǐng)域研究基礎(chǔ)較為薄弱，相關(guān)產(chǎn)品對(duì)國(guó)外依賴性較強(qiáng)，這對(duì)于我國(guó)由汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變存在不利影響。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位和政府部分應(yīng)高度重視，促進(jìn)ECAS電控技術(shù)快速發(fā)展，提高我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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[責(zé)任編輯：曹明明]