浅析ECAS电子控制技术及其发展趋势

徐晨

【摘 要】悬架是车辆底盘系统的重要组成部分，其性能提升对于车辆在动态行驶过程中的各项综合性能都具有重要影响。近年来，在传统被动空气悬架基础上集成电子控制单元的电控空气悬架（ECAS）得到汽车工程界的广泛关注和重视。电控系统是ECAS关键核心技术的集中体现，其代表了ECAS系统的整体技术水平，相关领域的研究不仅拥有重要的工程应用价值，同时对于提升我国汽车产业的整体竞争力具有重要的研究意义。

【关键词】电控空气悬架；电子控制技术；高度控制；阻尼控制；发展趋势

0 前言

20世纪80年代，随着电控技术的快速发展，欧美日等汽车工业发达国家纷纷提出在传统被动空气悬架系统的基础上增加电子控制单元，从而构成电子控制空气悬架系统（Electronically Controlled Air Suspension，ECAS）[1]。ECAS能够实现车身高度的主动调节和阻尼自适应控制，对于改善车辆在行驶过程中的乘坐舒适性、操纵稳定性以及燃油经济性都具有重要作用，逐渐成为车辆工程界的关注焦点[2]。

目前，在国外豪华轿车上，ECAS已得到广泛应用，在高速客车和豪华城市客车上，使用率已达100%[3]。照此发展趋势，不久的将来，ECAS将替代我国现有的客车以及高级轿车悬架系统，ECAS的产品推广将迎来绝佳的外部环境。根据未来汽车的发展规划，我国将重点发展适应高速公路需要的大中型客车、专用客车，并且在颁布实施的相关标准中，对大中型客车悬架系统配置做出了明确要求，其中，高级大中型客车必须使用空气悬架。与此同时，随着重型汽车对路面破坏机理认识的进一步加深，ECAS在重型汽车中的应用也得到进一步增长。因此，随着相关市场的快速发展，ECAS的产品需求必将得到快速增长。然而，国内所装备的ECAS，其电控系统完全依赖于进口，进而导致ECAS系统成本较高，无法打破国外企业的行业垄断。

本文从“ECAS电控系统的阻尼控制技术”、“ECAS电控系统的高度控制技术”以及“ECAS电控技术的发展趋势”等三个方面对ECAS电子控制技术进行全方面的介绍，从多个角度探索ECAS电控技术发展的关键技术及解决途径。

1 ECAS阻尼控制技术

随着汽车工业的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对汽车的振动和舒适性要求越来越高，为了提高车辆的舒适性，世界各大汽车公司都对汽车振动水平制定了严格的控制标准。阻尼控制技术可以根据外界输入和汽车本身状态的变化进行悬架系统阻尼动态自适应调节，从而控制车轮动载荷，增加轮胎侧偏刚度，以减少车身加速度和姿态变化（如侧倾、横摆、俯仰等），使其更多地发挥出自身具有的隔振潜力，从而在横摆和侧倾方面获得良好的频率响应，提高汽车平顺性，并保证在弯曲路段和高速行驶时的操纵稳定性。

阻尼控制技术作为ECAS关键技术之一，其通过对减振器阻尼进行实时控制，可以有效降低车辆在不平道路行驶工况下的振动响应，从而提高车辆行驶平顺性，改善车辆ECAS系统的隔振性能。

在国外，早在1986年，就有日本研究人员开展了丰田Soarer上的ECAS系统阻尼控制研究，并且有研究人员试图将最优控制理论运用到ECAS系统的阻尼控制之中，以证实ECAS阻尼最优控制方法的适用性。1991年，德国汽车专家研究了商用车辆的ECAS阻尼控制方法，结果表明，所提出的阻尼控制方法提高了商用车辆的行驶平顺性。2008年，美国戴顿大学的科研人员就空气悬架的可控阻尼和刚度进行了研究，并完成了数值计算和试验研究。目前，ECAS在国外某些高级轿车如奔驰、奥迪以及路虎上已经有了成熟的应用，图1为一款装备于奔驰轿车中的ECAS四档可调阻尼减振器结构示意图，通过控制电磁阀y1和y2的打开或闭合可以控制减振器在伸张和压缩行程中的油液流动，从而实现减振器阻尼工作模式的改变[4]。

由此可见，国外对ECAS的研究开始较早且较为深入，并有一定的应用成果，技术相对成熟。在国内，针对ECAS阻尼控制系统的研究主要还停留在理论研究和简单的试验应用上。南京农业大学的研究人员以ECAS单轮模型作为研究对象，应用最优控制理论对ECAS阻尼控制性能进行了改善，结果表明车辆的行驶平顺性得到了一定提升。吉林大学将模糊控制与神经网络相结合，参考自适应控制的方法来研究汽车ECAS系统的阻尼非线性控制问题，结果表明该方法提高了车辆的行驶平顺性。江苏大学的科研人员采用模糊PID复合阻尼控制技术对ECAS单轮模型进行了仿真模拟和台架试验，取得了较为理想的结果。此外，国内还将许多控制方法应用到ECAS阻尼控制系统的设计之中，这里不一一列举，但总体上，与国外先进水平仍存在较大差距。与此同时，国产汽车上ECAS的普及率还不是很高，且大多核心部件依赖进口，难以实现完全自主生产。

2 ECAS高度控制技术

车辆在不同道路行驶工况下对车身高度有着不同的需求，换句话说，拥有车身高度自适应调节功能的车辆比常规车辆具有更加卓越的性能。ECAS可以通过对空气弹簧进行充放气实现车身高度的自适应调整，这是传统悬架所不能具备的独特功能。早期的ECAS系统主要是通过高度机械阀来实现车身高度的自适应调节，但是由于机械阀的不可控性，这种系统经常会出现车身高度在目标值附近出现振荡的现象，同时车身高度的调节精度较低。

ECAS通过电子控制技术实现对进入（车高提升）或流出（车高降低）空气弹簧内的气体流量进行精确控制，从而保证车身高度调节的准确性和可靠性。ECAS车身高度调节主要由两部分组成：

（1）高度整体性调节：一般而言，ECAS车身高度拥有多个模式，如高速行驶模式，此时车身高度应比正常高度降低一定幅度，这样带来的优势包括两个方面，一方面车身降低可以减少汽车的迎风面积，进而降低风阻，提高车辆燃油经济性，另一方面，降低车身高度可以提高车辆高速行驶时的稳定性。与此同时，针对越野模式，车身高度一般要比正常高度提升一定幅度，以防止悬架撞击限位块。对于大客车，当需要上下客时，通过降低车门一侧的车身高度，可以方便旅客上下车。

（2）高度稳定性调节：当车辆稳定行驶在一定工况下，此时车身高度目标值固定不变，但是若出现载荷分布不均或大幅度变化的情况，车身高度实际值便会偏离目标值，从而不能保证车辆综合性能的最优。此时，车身高度稳定性调节功能便开始启动，通过对空气弹簧进行充放气将车身高度重新调节至目标值或目标值附近的允许误差范围之类，以实现车身高度的保持和稳定。

目前，针对ECAS车身高度控制的研究已得到汽车领域研究人员的广泛重视，韩国学者针对闭式ECAS车高调节系统开展了滑模变结构控制系统的设计[5]，研究结果表明，所设计的控制系统能够有效调节车身高度，同时对于车高调节过程中的整车姿态也有较好的控制效果。国内对ECAS车高调节的研究主要集中在高校等科研院所，江苏大学研究人员对客车ECAS车高调节系统进行了深入分析，在此基础上，开发了模糊PID、神经网络PID等智能控制器，提高了ECAS车高调节的控制精度。

3 ECAS电控技术的发展趋势

随着电子控制技术的快速发展，集成化、自动化、智能化将成为未来ECAS电控技术的主要发展趋势。目前，ECAS阻尼控制技术和高度控制技术的研究主要针对单一的控制目标，即阻尼控制只考虑阻尼对ECAS整体性能的影响，而高度控制研究则对阻尼作用进行了忽视，事实上，二者之间通过空气弹簧可变刚度的独特特性互相影响、互相耦合，不能只作简单的分开，需要综合考虑，因此，如何设计集成阻尼和高度的ECAS电控系统是当前需要解决的技术问题之一。同时，车辆面临的行驶工况往往复杂多变，当前的ECAS电控系统普遍存在不能完全适应车辆复杂行驶工况的难题，设计高度自动化的ECAS电控技术，全面考虑车辆在不同行驶工况下对ECAS系统性能的不同要求， 是未来ECAS电控系统发展的重要方向。智能化是未来控制理论的研究重点，控制理论已经逐渐由现代控制理论向智能控制发展，针对ECAS电控系统高度集成化、自动化的高性能要求，引入智能控制理论，推进ECAS电控技术不断向前发展，设计智能化的ECAS控制系统，是ECAS研发人员未来需要重点考虑的突破方向。

4 结论

ECAS是车辆底盘系统的重要组成部分，只有开发出高效可靠的电控系统才能充分发挥其性能优势。目前我国在该领域研究基础较为薄弱，相关产品对国外依赖性较强，这对于我国由汽车大国迈向汽车强国的转变存在不利影响。国内相关科研单位和政府部分应高度重视，促进ECAS电控技术快速发展，提高我国汽车产业在国际市场上的竞争优势。

【参考文献】

[1]徐兴. ECAS客车车身高度非线性系统控制的研究[D].

[2]贺亮，朱思洪. 带附加空气室空气弹簧垂直刚度和阻尼实验研究[J].

[3]江浩斌，孙鹏，汪若尘，等. 电控空气悬架中的新型可调阻尼减振器设计[J].

[4]陈龙，喻力，崔晓利. 阻尼多状态切换减振器的性能仿真与试验[J].

[5]汪少华. 电控空气悬架车高调节与整车姿态控制研究[J].

[责任编辑：曹明明]