城市自动化电动车平台

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1 开发背景

城市的交通负荷不断增大，有害物排放和噪声污染越来越严重，因而对私人使用和用于货物运输的交通工具而言，其降低废气排放的要求也越来越严格。目前已实施严格的废气排放法规，同时关于市区禁止车辆通行或征收市区过路费的讨论更加速了电动车保有量的增加。

此外，电驱动满足有关功率等级、行驶里程和装载时间等方面的要求并非是衡量未来城市车辆市场效益的唯一标准。同时还应从平台方案出发，为客户提供更多的个性化选择，以获得尽可能高的成本效益，并投入实际量产。除此之外，城市运输车辆的动力性能和行驶功能应更好地与周围环境相协调，降低废气排放并应具有更高的机动性。随着城市交通拥挤日益严重，而且由于停车场的紧缺，因此车辆驾驶的灵活性显得格外重要。另外，关于面向大众的使用模式，例如共享汽车、运输及车辆服务行业等，在设计车辆时应加以全面考虑。

目前正大力开发识别环境的传感器技术、人机交互(HMI)技术以及全新的乘客保护系统，它们能有效提升车辆的自动化水平，甚至可以实现自动驾驶。因为只有通过此类技术才能成功地提高效率，并进一步提高所有乘员的安全性。同时就舒适性而言，也可减轻对驾驶员的压力。

2 对未来车辆平台的思考

根据要求，ZF公司已设计出了智能行驶底盘(IRC)，它是一种可灵活应用并满足城市机动性要求的车辆平台。ZF公司利用了企业集团现有的、针对量产进一步开发或改进的技术和系统，同时整合了用于整车的技术方案，并以全新的方式加以展现。

IRC在车辆上具体应用的首个例子就是创新的Rinspeed Oasis概念车，在经历仅6个月的总体匹配调整后，于2017年1月在国际消费电子产品展览会(CES)上公开展出[1]。该研究项目(图1)显示出了ZF公司设计的IRC平台的优点，目前已成为广泛应用的实例。IRC将轴向集成的轮边电驱动、操纵可调节式底盘、先进的转向机构与汽车地板以及电控设备相组合，并使所有功能相互协调。

图1 IRC将轴或电动驱动器与可调节式底盘结合在一起

智能网络化与机电一体化系统使得IRC更适合于未来市内交通运输，前后桥之间完整的平面地板可以适应各种车身型式。因此IRC是实现车辆高灵活性的基础，从而能用于载客或货物运输。

3 IRC技术细节

IRC之所以被称作“智能”，与其以电子控制单元和软件结构作为指挥中心有关(图2)。通过调节行驶策略，来改善整体纵横向动力学性能，同样包括对ZF公司自身系统的控制，例如对Rinspeed Oasis概念车上的行驶制动器、功率电子器件以及蓄电池管理系统的控制。

图2 IRC采用了Rinspeed Oasis 概念车的软件架构与电控驾驶策略

除此之外，IRC电控单元还包含扭矩导向功能，根据相关的需求将扭矩分配到后驱动桥，并与其他系统形成网络化连接，使车辆具备极高的机动性，特别是该电控单元也为先进的辅助系统提供了所有的接口，因而IRC也为城市运输车辆的高度自动化或自动导向行驶提供了基础。

IRC驱动由两个分别位于后轮旁的永磁式同步电动机构成，它们分别集成在组合拉杆轴上而形成电动扭转横梁(eTB)(图3)。电机可以提供的最大功率为2×40 kW，最高转速为21 000 r/min，每个电机都带有1个两级输入变速器，并集成在1个铝壳体中，总共能提供1 400 N·m的最大扭矩。在该动力条件下可使概念车的最高车速达到150 km/h ，0～100 km/h的加速时间为9 s。

图3 两个功率为40 kW的永磁同步电机被用于组合 拉杆轴上的组合或电动扭转横梁

为了开发出更多未来的潜在用途，整个平台被设计成eTB模块。相应车型不仅能设计成混合动力结构，而且也能设计成纯电动结构。

在减速工况下，IRC将电机转换为发电机运行并回收能量，或者流畅地过渡到组合式ZF制动器条件下运行。它们与其他系统相互配合，例如电子行驶动力学调节(ESC)以及在小型车应用场合中用于电动伺服转向的全电动ZF转向柱模块，其各自的软件同样也位于IRC电控单元中。

为了最大限度地简化城市车辆在使用中频繁停车和调头的操作过程，IRC在前部具有一个结构独特的双横向导臂单轮悬架：由鹅颈状车轮支架联接上下横向导臂，而转动支承在上横向导臂上的镰刀状回行杠杆确定了其传动比，通常可将前桥的转向角提高50%，最大转向角可达80°。

超大的转向角要与IRC前桥匹配，需进一步进行细节设计，下横向导臂的形状需要设计成在极限转向的情况下也不会触碰其轮缘或车轮。此时整个转向悬架处于横向导臂与车轮的上方，因此转向力也不会增大。这种新颖的结构设计在Rinspeed Oasis概念车上得以体现，采用这种IRC能非常好地实现对各种轮距的调节。

连接车辆前部和尾部的IRC机架被设计成平坦的地板，即通常的乘客车厢地板，为实现多种多样的车身方案或车厢结构方案提供了基础(图4)。可适用于包括双座休闲车、轻型客车、轻型货车和自动驾驶汽车。物流需求正在不断增长，正如2016年ZF公司未来研究项目[2]所预测的那样。

图4 双座休闲车、电动轻型客车、电动轻型货车与自动驾驶汽车

4 可靠和明确的HMI通讯

除了使用新的可能性和创新的车身方案之外，在高度自动化行驶的工况下，还需要按扩展用途定制HMI。目前HMI系统的一个应用实例是由ZF公司在Rinspeed Oasis概念车上具体应用的方向盘系统，这种系统无转向摆臂，重要功能被直接集成在方向盘上，共有10个电容传感器区域被分配在方向盘轮圈中(图5)。

图5 功能采成的方向盘系统，方向盘轮圈中 被分为10个电容传感器区域

驾驶员通过轻击或抚摸方向盘上的特定区域就能打开转向灯、鸣响喇叭或操作娱乐系统和导航仪，此外可变指令和相应的激活姿态还能反作用于传感器区域。为了更舒适起见，只要车辆处于自动驾驶模式，Oasis方向盘可翻转移位或暂停使用。集成的识别功能可判断驾驶员的手是否握在方向盘上，并作为实现安全可靠自动驾驶功能的先决条件。

除了在概念车上已实施的功能之外，ZF公司已表示在概念驾驶员座舱中人-机之间的交流功能还能设计得更为简化、精确和可靠。以静电充电原理为基础的新颖触摸屏，通过虚拟触摸键或开关就能进行操作已作为ZF概念车中驾驶员座舱中的重点方案。与大多数显示屏不同，驾驶员无需为了选择某项功能而不得不转移双眼和注意力。同时，屏幕显示行驶速度等参数，在尽可能高的可靠性前提下可以让用户适应视觉感观。

此外，ZF概念车驾驶员座舱具有基于摄像机的人脸识别功能，同样能改善在自动驾驶模式中重要的监控功能，例如能够可靠并实时地查明驾驶员是否在专注驾驶或是否处于良好的驾驶状态。

5 安全气囊重新定位及其任务

如果在车辆自动驾驶期间要求方向盘能改变形状或者能将其翻起来，甚至可完全置于仪表盘中，那么安全气囊就必须另外布置到一个新的位置，以便能继续发挥其功能，这也是保留被动安全性必不可少的要素。

ZF公司提供了一种创新的解决方案，采用车顶安全气囊[3]，即集成在挡风玻璃上方顶棚中的安全气囊装置。目前该装置即将批量生产，用于雪铁龙Cactus轿车并作为副驾驶安全气囊，这种解决方案(图6)为车厢内部节省了不少空间。

ZF公司同样开发了一种安全气囊布置于驾驶员与副驾驶员之间，在发生侧面碰撞情况下它能使驾驶员更好地稳定在相对一侧。如果驾驶员和副驾驶员座位都有人的话，能够减轻随之可能引起的碰撞。除此之外，对于像Rinspeed Oasis概念车那样侧面结构较薄弱的小型城市车辆，可以通过应用预碰撞系统来触发乘员保护。这是主、被动安全系统逐渐网络化的实例，要比预警式或整体式安全系统更为人们所熟悉。

6 用于自主行驶的主动保险带

在该领域中的进步取决于“自动驾驶仪”在轿车上的实际应用和可接受程度，随着自动化技术的不断进步，电子计算机终究会承担方向盘控制的功能，那么驾驶员就可以专注于驾驶之外的工作，例如安全带是否始终绷紧以及车辆是否直行。

Rinspeed Oasis概念车上的ZF主动安全系统能在功能不受限制的情况下满足该需求。在安全带收紧方式上，主动安全带锁与一种新型的电动调节端套相组合能使安全带从乘员身体上明显凸起。这些措施有助于进一步提高自动驾驶状态时的舒适性，同时又能给予乘员更多的活动自由度。如果网络化安全系统识别到潜在的危险状况，安全带会瞬间绷紧。该功能同时也能用作驾驶员的警告指示，使其立即注意到交通状况并认真操控车辆。因为驾驶员必须实时遵守各项规则，即使在上车时，安全带锁和端套需与旋转座椅一起布置，以便提高乘员的舒适性。

主动安全系统依然是自动驾驶功能的重要基础，成为开发关注的焦点。传感器、转向机构以及动力驱动装置中的执行器越来越成熟，工作能力也越来越强，并且通过智能网络化相互连接，能更有效地将对人群的碰撞风险降到最低程度。也许在将来能对交通状况作出前瞻性的评估并自动快速地作出合适的应对措施。