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博世推新一代高可靠性动力总成系统
2019-12-11 20:35:58· 来源：汽车与新动力
据博世公司预测，至2020年针对自动驾驶的往返班车和出租车的需求会有所增长。该公司为了实现自动驾驶，开发了一种可缩放且具有较高可靠性的动力总成系统方案。本
据博世公司预测，至2020年针对自动驾驶的往返班车和出租车的需求会有所增长。该公司为了实现自动驾驶，开发了一种可缩放且具有较高可靠性的动力总成系统方案。本文介绍了该类动力总成系统及其后续备份部件的开发流程。
1 初始状况
不断增长的交通运输需求以及城市化的发展需要全新的机动化方案。罗伯特·博世公司以未来机动化场景为题的内部市场分析表明，直至2030年市内自动驾驶往返班车（UAS）和市内自动驾驶出租车（UAT）的保有量将显著增长（图1和图2）。同样，根据Roland Berger公司的研究预测，至2030年私人轿车的行驶里程所占比重将降低约28%，而UAT的行驶里程份额将增加约27%，因此在未来机动化场景中全自动驾驶车辆将充当关键的角色。
图1 UAS班车和UAT出租车
图2 市内全自动驾驶往返班车和出租车的市场分析
由此产生的新型车辆方案需满足不断增长的可靠性和可用性要求，还可能由此出现全新的运行特征，在此类情况下容许通过故障系统和部件以替代驾驶员实现自动驾驶。博世公司开发了满足相应要求的可缩放且容许发生故障的驱动方案，并将其用于全自动驾驶车辆。本文简要介绍了这种方案，并对具体实例作了说明。首先考察了调整车辆的相关需求，这些需求引领着未来对这种驱动装置提出的技术要求。
2 法规要求
鉴于当今驾驶员的职责，在车辆失灵的情况下需保护车辆及其乘客和周围交通环境，同时容许车辆停留在机动车道上。优秀的驾驶员通常能意识到潜在危险，并能针对整个交通环境状况选择当前最适宜的操控行为，同时按照其主观判断尽可能快地将车辆驶离繁忙的交通区域。遵照德国和已在许多其他国家生效的道路交通法规（StVO），驾驶员在此类情况下有义务适当确保车辆的安全，同时将其他随车人员面临的危险降低到最低程度。
但是，SAE 5级全自动驾驶车辆的行驶过程无需依赖驾驶员，因此在发生故障的情况下车辆需自行进入以确保乘客和其他车辆的安全状态。
进一步的法规要求还需考虑到容许的偏差规定。目前尚不存在可用于UAT和专用低速行驶（最高车速 25 km/h）往返班车（受限制的市内自动行驶班车，UAS-R）的规章。后一类车辆尚难以归入欧共体（EG）车辆类型中，因此其技术规格无法直接从车型许可规程中推导出来，不得不作出相应的假设。
3 未来安全性等级的衡量方法
为了能更好地推导出未来车辆层面安全性的要求，博世公司已开发出一种被称为安全停车等级（SSL）的全新衡量方法。这种等级定义一方面可为车辆尽力争取安全的停车地点，另一方面是其具有额外的特性参数例如故障情况下必需的车辆性能（例如最低车速或最小加速度）。图3示出了通过所定义的SSL以衡量全新的安全性目标。
图3 借助于SSL衡量新的安全性目标
基于相关层面上最重要的区分标志是预设的安全停车地点，针对当前的安全目标开始采取紧急制动（SSL G），直至最初选择的行驶目标（SSL A）。除了停车位置之外，图2还通过图示说明了参与车辆运动所必需的驱动、转向和制动3个行车子系统的功能，同时还通过示意图表示了当前每个层面所必需的能量。在紧急制动（SSL G）情况下利用了容许发生故障的制动系统，以此使车辆进入停车状态，而为了达到行驶目的地（SSL A）则必须有足够的剩余能量以及具有高可靠性的驱动、转向和制动子系统可供使用。
首次发生故障时仍需使车辆顺利行驶至安全地点，这是当前所重点研讨的论题。为了能满足高于SSLE的安全停车等级，需开发具有较高可靠性的驱动系统和部件。
4 对高可靠性动力总成系统的要求
为了设计出一种合适的汽车动力总成系统方案，通常需为提高可靠性而采取各种不同的措施（图4），这些措施通常包括工艺措施，以排除开发和生产差错以提高可靠性。因为在使用寿命期内部分具有磨损特性的部件呈现出相对较低的可靠性，因此例如基于预防性而更换零件的维护保养措施也是该方案的重要组成部分。一些外部措施，例如专用的相互作用系统或预警系统在发生车辆事故情况下可通过路旁电子显示屏而临时关闭高速公路车道，也会以此明显影响未来的技术要求。诸如针对驱动装置的超耐热设计等其他方面的措施都会引起更高的部件成本、尺寸质量以及更高的结构空间需求，为此应尽量避免。本文重点关注了“系统备份”和“部件备份”两方面的处理方法。
图4 提高可靠性可能采取的措施
5 高可靠性动力总成系统的布局
从各种不同的使用情况、法规、标准、设备制造商（OEM）和市场中推断出相关技术要求。为了满足上述要求，可选用多种不同的技术手段，由此足以获得整个备份系统的布局，从而使成本降至最低，这类布局建立在备份部件的基础上。借助于形态学可实现多种多样的潜在方案，图5示范性地示出了3种备选方案。
图5 3种高可靠性的动力总成系统示范性布局方案
（EM=电机； INV=换流器； DIF=差速器； HV=高电压）
一种备选方案是以具有内部备份的电机（双重三相方案）和一个具有高可靠性的换流器为基础来实现（图5布局 1）。例如，如果在蓄电池先发生故障的情况下还应具有在故障状态下运行的能力，由此可使用图4中的布局 2。另一种可在故障状态下实现正常运行的方式是使用系统层面上完整的备份部件（图4布局 3），此时两套驱动装置可使用相同的部件（相同备份），或者应用不同技术或不同设计方法的部件（不同备份）。图5中的布局 3也可满足较高的实用性要求，图6中示出了一种基于此条件的替代方案（布局 4），其是以具有高可靠性的电机为基础的。汽车电路中的每套动力牵引装置具有独立的能源和功率电子器件，并且通过六相中的三相为一个带有传统逆变器的异步电机或同步电机供电。为了避免单点故障，两套备份系统不应共用部件，这就意味着每个逆变器和每个蓄电池都应具有其自身的电控单元，两套分开的电系统中的每一套系统都应为降级运行而具备必要的扭矩和功率，由此某套子系统若发生故障就会被切断。与布局 3相比，可省去第二个变速器，动力总成系统的结构就会更为简易。
图6 具有高可靠性的动力总成系统布局建议方案（缩写同图4）
6 用于班车的高可靠性动力总成系统设计
一个具体的解决方案是可缩放的模块化48 V动力总成系统，该系统一方面可用于在空间受限制的区域实现低速行驶的UAS-R型班车，另一方面可用于以较高速度行驶的小型简易UAT出租车。
这种动力总成系统最多由两个电动车桥组成，其又各自配装1～2个电机（图7左图）。这种方案的主要特点是变速器方案灵活高效，并在差速器后可选用行星齿轮组，因此从700 kg直至更大质量以及在最高车速20～120 km/h的车型都能采用相同的中央主变速器驱动，以便在产品中实现尺寸缩放效果。
图7 用于UAS-R和简易UAT的高可靠性动力总成系统的可缩放模块化方案
根据使用情况可相应采用1～2个电动车桥，而每个车桥最多使用2个电机，这就能确保安装功率具有足够的缩放性以及不同电机的灵活性。
在一个研究项目框架中已开发并制造出了一种具体车型，同时为UAS-R班车使用场合配备了2个对称的车桥，其各自安装了2个相同的电机，这种车桥设计示于图7右图。除了电机和带有附加行星齿轮组之外，其还在电机与变速器之间配备了离合器和失效保护制动器。
7 结论
随着全自动车辆技术的突飞猛进，对车辆每个系统和部件的可靠性和实用性提出了新要求，而上述系统和部件是在发生故障时可使车辆成功过渡到安全状态，本文据此讨论了对未来车辆动力总成系统的要求。
本文讨论了不同的高可靠性动力总成系统布局以及在发生故障时系统所面临的各类现象。为了在低速行驶的UAS-R班车上使用，已开发出了一种可缩放的电动车桥。通过其缩放性，相关系统可有效适用于不同等级和使用情况的自动化车辆，例如UAT出租车和UAS-R班车。以此能降低小批量生产的成本，其能将相同的部件应用于不同的用途。
【德】 A.KILIC等
【翻译】范明强
【编辑】伍赛特
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