线控悬架系统分析
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1 线控悬架系统系统发展现状
• 车辆驾乘过程中，操控性和舒适性是两个重要的评价指标，两者很难兼顾；
• 线控悬架就是根据路况实际情况自动调节悬架的高度、刚度、阻尼实现行车姿态精细化控制。
线控悬架发展必要性
➢ 平衡汽车操控性和舒适性两个指标
结构及发展现状
➢ 结构：由线控弹簧、线控减震器、线控防倾杆组成
➢ 发展现状：结构复杂、价格昂贵，目前主要是高档车型装配
2 线控悬架系统分类
2.1 按执行机构
从技术成熟度和装备率考量，空气弹簧、CDC型线控减震器最为常见。MRC型减震器减振效果好且反应速度快待后期价格下降后会有较好发展空间。线控防倾杆由于替代性较强，装备必要性相对较低。
按照执行机构分类
2.2 按外力介入程度
半主动控制方式的使用成本低近于全主动控制，其性能则接近全主动悬架系统，且具有可靠的故障状态适应能 力，为当前市场主流。随着自动驾驶等级的提升，各类传感器的接入，全主动悬架的普及度会日渐提高。
被 动
利用本身动力学特性承受车身重量和隔离车身与不规则路面间的相互作用，作为未施加控制的电控悬架使用时则属于从动悬架。
半 主 动
主要构成为电控弹簧和阻尼减震器，线控弹簧作为主要支撑结构承担车身载荷，阻尼减震器消耗来自路面的冲击能量。调节过程为反馈调节，不具备前馈调节能力。
全 主 动
全主动悬架配备有独立的执行器，可以施加额外的作用力，通过各 类传感器将系统工作中各类状态信息提供给控制系统，根据车辆行驶实时工况对悬架的阻尼、刚度、高度和车身姿态等状态参数进行前馈调节和控制，
结构及性能对比
3 线控悬架系统基本结构
3.1 线控弹簧
线控弹簧主要是调节车身高度和悬架刚度，主要应对越野路段和激烈驾驶场景；线控减震器主要调节悬架阻尼， 对优化NVH性能有很大帮助。对于消费者和主机厂而言，线控减震器的优先级高于线控弹簧。
空气悬架基本结构
主要包括储气罐、电磁阀、管路、空气泵、可调阻尼减震器、 传感器及空气弹簧子系统。
空气弹簧基本结构
四个车轮均有高度传感器，ECU判断车身高度变化，控制进排 气阀，调节弹簧的高度和刚度。
3.2 线控减震器
由于电磁阀开度变化速度低于电磁液黏度变化速度，所以MRC型线控悬架的调节速度相对较快，其阻尼力也相 对较大。目前CDC型悬架处于市场主流地位，影响MRC型悬架提高市占率的主要制约因素是成本。
CDC型线控悬架
➢ 调节对象：减震器内油液流速
➢ 主要构成：ECU、电磁阀、传感器、减震器等
MRC型线控悬架
➢ 调节对象：减震器内油液黏度
➢ 主要构成：ECU、电磁线圈活塞、电磁液、传感器、减震器等
4 线控悬架系统技术原理
4.1 空气弹簧
配备空气弹簧的车型可以在颠簸路况中通过改变车身高度，达到提升车辆通过性、减小离地间隙进而减小风阻 的作用。由于空气弹簧的作用介质为空气，气压变化存在一定滞后性，因此空气弹簧的高度调节不具备瞬时性。
线控弹簧运行原理图
➢ 悬架不在期望位置，电控装置发出信号，车身高度调节阀开始 工作，控制空气悬架回路的充/放气过程。
线控弹簧控制原理图
➢ ECU接收车辆高度、行驶速度和路况信号进行工况判断，自主改变车身高度模式。
4.2 线控减震器
线控减震器通过对路面激励信号和悬架振动信号的处理获得最佳的减震器阻尼参数，通过阻尼调节抵消部分车 轮的弹力，使传递到车身的振动幅值和频率减弱，进而提高乘坐舒适性和行驶稳定性。
线控减震器运行原理图（以CDC为例）
➢ 通过电子阀改变两个腔室间联通部分的截面积，流量一定时， 截面积的大小与流体的阻力成反比，从而改变阻尼系数。
线控减震器控制原理图
➢ ECU根据车身加速度、车轮加速度、横向加速度传感器的数据 判断车身姿态，进而对CDC的控制阀发出开度指令。
4.3 整体架构
• 线控悬架系统通常并行两套信息收集和控制系统，解决不同系统在不同路况情况下的控制耦合是其控制难点；
• 当前主流的控制方案是线控弹簧一般在稳态下调节，线控减振一般实时调节。
主动悬架整体运行原理图
➢ 线控弹簧和线控减震器通常共用一套传感器，控制系统分开
主动悬架整体控制原理图
➢ 线控悬架中线控弹簧和线控减震器通常协调运作
➢ 车身高度一般在稳态下调整，悬架阻尼则不受限制
5 线控悬架系统关键技术
5.1 控制原理
线控悬架控制系统是一种闭环自适应控制系统，不存在最优解，核心参数在标定过程中需要根据仿真模型和实 车测试结果不断标定。
线控悬架系统动力学模型
➢ 核心控制目标是车身垂直方向的加速度、响应时间等指标
全主动线控悬架仿真模型
➢ 仿真模型的主要输入信号主要有路面信号和减震器的初始阻尼， 输出信号主要是车身震动幅度和频率。
5.2 控制原理
PID（比例、积分、微分）控制是控制领域中应用最广泛、最成熟的控制方法，广泛应用于车辆的主动和半主动 悬架中。其中比例（单次调节幅度）、积分（消除静差）、微分（反映输入信号的变化趋势）参数的调节可通 过仿真测试和实车测试实现。
PID控制模型
➢ 根据线控悬架的控制机理，Fk的变化可以通过控制悬架电磁阀开度来实现.
基于PID控制原理的仿真模型
➢ 通过调节Kp 、Ki、 Kd三个系数的数值，系统的控制效果和性质也会发生变化。
5.3 容错技术
• 为了维持系统的安全可靠运行，通常需要进行硬件冗余和软件容错处理，其中硬件冗余主要采用备份方式执行；
• 被动容错系统的原理简单来讲就是根据预设的故障类型提供对应的“应急预案响应”
系统安全及可靠技术
➢ 线控悬架系统发生故障时，PID悬架前期设定的Kp、Ki、Kd的参数为固定值，无法快速适应变化。因此需要容错机制对控制信号做增益和补偿处理。
被动容错系统
➢ 被动容错控制主要是针对预先己知的故障类型，设计固定不变 的容错控制律，使得在发生预设故障时，系统对其不敏感（例 如传感器失效），这种方法不需要预先对故障进行诊断，也不需要实时对控制律进行调整，实施时间及费用均较低。
主动容错可以对控制律进行在线诊断、生成、调整，进而将系统性能维持在一个可控的范围内。主动容错技术 大大提高了故障处理能力，应用更为广泛，是未来的发展趋势。
主动容错控制系统结构原理图
➢ 主动容错系统的理论基础是FDD（故障自检反馈系统），当系 统发生故障时，诊断单元进行检测、诊断，并控制反馈/前馈控 制器，获得合适的容错控制律，保证闭环系统的稳定性
主动容错系统设计流程图
➢ 主动容错控制系统实施过程中，首先建立系统模型，并在此基础上建立系统故障模型；根据系统特点设计FDD系统，之后设计基于补偿规则的容错控制律。
6 线控悬架系统特点分析
线控悬架可以在不同工况下，满足驾乘平顺性和车辆操控性要求。但因其结构复杂，对整车的故障率、安全风 险、能耗均产生一定负面影响。
主要优势
- 刚度可调，可改善汽车转弯时出现的侧倾以及制动和加速等引 起的车身点头和后坐等问题。
2. 汽车载荷变化时，能自动维持车身高度不变
3. 碰到障碍物时，能瞬时提高底盘和车轮、越过障碍，使汽车的 通过性得到提高
4. 可抑制制动时的点头，充分利用车轮与地面的附着条件，加速 制动过程，缩短制动距离
5. 使车轮与地面保持良好的接触，提高车轮与地面的附着力，增 加汽车抵抗侧滑的能力
主要劣势
- 结构复杂、故障的机率和危害远高于传统悬挂系统
2. 线控悬架尤其是空气弹簧，由于没有备份一旦出现严重泄漏事 故，行车姿态会出现剧烈变化，提高安全风险
3. 线控悬架相对传统悬架增加了电机、控制器、传感器、储气罐 等配置，重量和能耗有所提升
4. 线控悬架的智能性有待提升，恶劣天气以及不良路面均会对自 动控制系统产生不良干扰
7 线控悬架系统市场状况-技术延伸
除了常规的底盘支持和减震作用外，线控悬架因其较好的负载适应性和很低的固有频率，已延展到了商用车的 驾驶舱室和驾驶员座椅，大幅提高了长途驾驶舒适性和抗疲劳性。
技术延展 – 重卡驾驶舱空气弹簧
➢ 使用4只带内置式高度控制阀和行程敏感式液压减震器的空气弹 簧液压减震支柱，来保持驾驶室的震动特性。
技术延展 – 商用车驾驶员线控悬架座椅
➢ “空气弹簧+液压减震”直接移植到了驾驶员座椅，既可以自由 调节座椅高度，也可以降低座椅震动频率和振幅。
8 线控悬架系统L3/L4/L5级悬架方案
悬架系统与自动驾驶技术路线弱相关，线控选悬架的发展方向以技术成熟和经济性角度的自我完善为主。技术 路线方面，线控悬架将伴随着传感器接入信号的增加，沿着智能化程度不断加深的方向发展。
不同级别自动驾驶系统对线控悬架的影响
L4级以上 硬件备份（备份弹簧或限位块）
➢ 高级别自动驾 驶系统运行过程中，悬架内部会内置备份弹簧和限位块， 防止极端漏气情况方式。
