义柏研究院｜线控转向专题研究：汽车横向控制的“高科技指挥棒”

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转向系统已历经三次变革，驾乘体验不断提升，第四次重大变革在即

为提升驾驶体验，汽车转向系统朝着操作更加灵敏、结构更加可靠和功率消耗更低的方向不断发展。影响汽车横向操控的关键因素——汽车转向系统经历了从机械转向系统（MS）到机械液压助力转向系统（HPS），再到电动液压助力转向系统（EHPS）直至发展到电动助力转向系统（EPS），最终走向线控转向系统（SBW）的发展历程。

其中，第一代转向系统为纯机械结构。传统转向系统是机械系统，即驾驶员操纵方向盘，通过转向器和拉杆将转向意图传递到转向车轮从而实现转向运动。由于机械转向操作费力而且安全性较差，随后机械液压助力转向系统（HPS）应运而生，即利用发动机动力带动油泵给机械转向提供液压助力，这样操作方向盘变得更加轻松。但是液压助力系统在高速行驶时，由于方向盘反馈力量太小，容易出现“丢方向”的感觉，即用轻微的力就可转动方向盘。同时，发动机动力作为油泵动力，所以发动机用于行驶的动力会有部分损耗。

图表：HPS结构示意图

资料来源：东北证券

为解决方向盘“丢方向”和发动机动力损失的问题，经过改进电子液压助力转向系统（EHPS）诞生。电子液压助力转向系统在原液压助力转向系统上进行了改进，将油泵改为电机驱动。同时增加了控制单元，让助力大小根据汽车车速来匹配，车速高时助力小、手感更好，车速低时，助力大、更省力，从而方向盘操作上更稳定可靠。

图表：EHPS结构示意图

资料来源：中为咨询，东北证券

汽车转向控制技术的第三次划时代革命：EPS用机电一体化技术取代了传统的液压技术。EPS与传统液压助力转向（HPS）最大的区别是摒弃了液压系统，利用驱动电机直接带动转向轴或转向齿轮，转向齿条在电子控制单元下直接实现助力转向，省去液压助力系统，更环保，更节能，更人性化以及更安全可靠。EPS还会结合轮速传感器信号，以便在低速行驶时提供较大的转向助力，在高速行驶时则会减少转向助力。

高性能EPS升级趋势明显。不同种类的EPS提供的转向助力存在差异，电机的布置位置越靠近转向器，助力传动效率越高，性能越好。因此就传动效率而言，R-EPS 和DP-EPS >P- EPS > C-EPS。随着新能源汽车轴距逐渐渗透以及智能化的快速发展，转向系统逐步从C-EPS 向更高性能的DP-EPS和R-EPS升级。

图表：汽车转向的发展路径

资料来源：耐世特，天风证券

随着线控技术的发展，代表未来技术发展方向的线控转向系统（SBW）也将逐步开始应用渗透，即将开启第四次技术革命。线控转向系统（Steering-By-Wire）是传感器将驾驶员的操纵指令转换成电信号传送给控制器，控制器分析信号、并将指令发送给执行机构，最终由功能装置实现目标指令。线控转向取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接部件，彻底摆脱了机械固件的限制，完全由电能来实现转向。线控转向系统不仅具有传统机械转向系统的所有优点，更可以实现机械系统难以做到的，角传递特性的优化。

图表：汽车转向的发展路径

资料来源：天风证券

线控转向技术革新带来量价齐升，政策引导叠加技术成熟，蓝海市场爆发在即

高阶自动驾驶要求实现主动动力输出，驱动线控技术加速落地。集成式电子电气架构加速线控底盘技术应用，线控底盘融合各子系统及底盘域控，可以实现底盘运动控制运算的集成化、协同化，线控转向有望受益电子电气架构升级实现加速落地。

此外，新国标放宽了物理解耦的法律约束，有利于线控转向系统进一步落地。2022 年 1 月 1 日，汽车转向系统新国标正式实施，取代已经执行超过20年的GB 17675-1999，新国家转向标准的重要变化是将解除以往对转向系统方向盘和车轮物理解耦的限制。目前，国外已经放开线控转向上车的相关法规限制，允许线控转向量产。

2022年 4 月，《线控转向技术路线图》征求意见稿正式发布。线控转向的总体目标是在 2025 年、2030 年分别实现国际领先的 L3+、L4+级自动驾驶线控转向系统，线控转向的渗透率分别达到 5%、30%。

资料来源：信达证券，义柏绘制

多重助力下，线控转向量价齐升，将实现市场拓容。目前乘用车转向市场以EPS为主，价值量大约在1000-2000元，对应2021年中国汽车转向市场规模达约400亿元。未来，我们预计线控转向单车价值量达4000～5000元，2025年线控转向市场规模有望达85亿元，对应2025年中国汽车转向市场规模也将突破657亿元。假设2030年线控转向的综合渗透率为30%，线控转向市场规模为239 亿元，25-30 年复合增速达 23%。长期来看，线控转向将随着智能化持续升级，高阶自动驾驶系统的成熟进一步渗透，远期市场规模有望超过千亿。

图表：线控转向市场规模预测

资料来源：东吴证券，信达证券，华经产研，共研网，公开信息

03‍

冗余中间态EPS是推进转向从EPS到全线控转向迭代的必经之路

 

短期容错冗余型EPS将成为主流，为全面线控化打下扎实基础

 

线控转向系统较EPS取消了方向盘与转向轮之间的机械连接装置。EPS 与 SBW 本质区别是 EPS 转向信号来自驾驶员，而 SBW 来自算法。具体而言，线控转向相较于EPS取消了方向盘和转向轮之间的物理连接，物理解耦状态下转向力矩完全依靠下方的转向执行器来输出，而下方转向执行器输出力的方向和大小依赖于控制算法给定的控制信号，转向完全由控制算法判断操纵。算法可以通过离合器耦合，执行方向盘的输入信号；也可以通过解耦，根据自动驾驶的转向要求，实现脱离方向盘的独立转向。

 

图表： EPS V.S. 线控转向

资料来源：公开信息

 

由于取消机械连接，线控转向对软件算法性能要求更高，目前主要通过双重冗余方案来实现技术过渡。电信号驱动的线控转向需要保证足够的可靠性和鲁棒性，转向时所有控制都通过电信号实现，因此必须保证复杂的程序运算不会出错，否则将导致严重的驾驶事故。目前主要通过冗余方案来实现传统转向往线控转向的平滑过渡：一方面提升计算程序的性能，另一方面提供冗余备份。

 

冗余EPS系统主要由机械系统部件、转矩转角传感器总成（TAS）以及电控单元组成。以R-EPS为例，机械系统主要由齿轮齿条副、滚珠丝杠传动机构、皮带传动单元、转向横拉杆等组成。可支持的最大齿条力达到16kN以上，能够满足豪华轿车、SUV以及商务车的要求。转矩转角传感器总成用于检测转向扭矩和方向盘转角，主流的冗余传感器方案通常能够提供4路转矩信号和2路转角信号，显著提升了安全性。多套独立并行的冗余控制系统会同时工作并分担总的输出需求，若其中一个系统出现故障，则其余系统可以独立提供剩余助力，从而避免完全无助力的情况。但要实现多重冗余，也必须处理好不同系统之间的功能同步、数据共享等技术难点。

 

其中，电控单元是冗余EPS系统的核心部分，由助力电机以及驱动和控制单元组成。助力电机通常采用六相或十二相无刷直流电机，由于单点失效导致其中三相无法正常驱动时，剩余部分仍可正常工作，为转向系统提供助力。驱动和控制单元集成在电机的后端，由驱动板、控制板、散热器、外壳等组成。基于双三相无刷直流电机的全冗余电控方案采用了双路独立外部供电、双路外部 CAN/CANFD 通信以及冗余的转矩、转角传感器信号。电机驱动单元、电机位置传感器、电源管理单元、主控 MCU 也都采用了双备份的冗余架构，主控MCU最高支持 ASIL-D 功能安全等级。双 MCU 之间采用 CANFD 通信，实现信号交互、力矩指令传递、故障诊断信号交互等，可以起到相互监控的作用，必要时支持主辅切换，提升了整个系统的安全性和可靠性。

 

图表：冗余EPS设计图

资料来源：汽车制动网，东北证券

 

冗余EPS 关键技术为冗余策略与安全机制。在冗余 EPS 的双 MCU 架构中，双 MCU （ECU A 和 ECU B）都实现完整控制功能，上电初始化后默认分配主从角色。正常工作状态下，双系统均进行力矩指令计算，但是响应主系统分配的扭矩指令。如果系统发生单点失效，双MCU 根据故障诊断与处理机制判断是否进行主从切换，必要时从系统切换为主系统。冗余 EPS 已经成为当前 L3+自动驾驶场景下的核心技术，相比传统的非冗余 EPS，冗余 EPS 需要更加复杂的系统架构和更加复杂的功能来保证车辆的安全性、可靠性和驾驶体验，因此也有更高的技术壁垒。

 

图表：冗余策略与安全机制示意图

资料来源：汽车制动网，东北证券

 

短期，预计容错冗余型EPS将作为线控转向的过渡中间态，满足L3及以上的自动驾驶需要。当前电动助力转向（EPS）可分为两种类型：一是适配小于等于L2等级的电动助力转向EPS，二是适配大于等于L3等级的容错冗余型电动助力转向EPS。适配L2等级的EPS中除了原先的辅助助力系统，还增加了一些线控接口指令。而后者容错冗余型EPS现阶段有它的特殊性，对于大于等于L3的状态，就要保障Fail-operational。即在失效时能够保证一定转向功能或降级转向功能，停车或行驶到安全区域提醒驾驶员EPS已失效，这是非常重要的冗余容错功能。因此，短期内容错冗余型EPS将快速渗透，替换部分现有的EPS。最终完全物理解耦的线控转向将随着技术迭代成熟而逐渐渗透应用。

 

图表：线控转向发展与自动驾驶等级

资料来源：电动邦

 

线控转向硬件结构与EPS相似，主要难点在于算法复杂度大幅提升、软件系统调教。目前，路感模拟、主动转向控制等核心技术尚不成熟叠加冗余备份带来额外的硬件成本，一直阻碍着线控转向落地。但从EPS与SBW结构对比来看，硬件侧较为相似且并不存在较大的技术壁垒。而SBW完全取消机械连接（机械解耦），核心区别仍是软件算法复杂度大幅提升。所以冗余容错型EPS的过渡应用可为全线控转向应用铺路：一方面冗余容错架构在此期间将适配L3+的自动驾驶需求，另一方面全线控转向软件算法在此过程中将完善迭代。

 

图表：线控转向难点在于软件调教

资料来源：公开信息

 

冗余容错型EPS已有小批量应用，全线控车型未来可期

 

供给侧，冗余容错EPS已实现应用。20世纪50年代，TRW和Kasselmann提出了线控转向的设想，不过受制于电子控制技术当时仅停留在概念层面。直到20世纪90年代，线控转向技术才有较大进展。

 

2013年，英菲尼迪Q50是第一款应用线控转向技术的量产车型，但依然保留了机械连接装置。当汽车通电，离合器就把机械连接断开，DAS线控主动转向取消了方向盘与车轮之间的机械连接，由三套相互独立的ECU电子控制单元综合计算路况和驾驶者操作意图，以线缆控制转向电机操纵车轮转向。当三个互检电脑察觉到有任何异常时，离合器就迅速连通恢复为传统机械式电动助力转向保证紧急情况下的机械转向功能。但英菲尼迪Q50线控转向系统并没有全面市场化形成规模效应，且发生了因线控转向技术隐患而召回的事件。

 

2022年，搭载线控转向系统的丰田bZ4X上市，该车型取消了转向器和转向柱的机械连接，这是首次在量产车型中完全取消了方向盘和转向轴之间的机械连接。该线控转向系统在任何一边转动的最大角度为150度，这意味着左右打死最大转动300度，不到一圈（360度），在急转弯时可避免尴尬的手腕打结问题。丰田在线控转向也采用冗余设计满足自动驾驶的安全要求，通过丰田的相关专利以及丰田集团内转向系统JTEKT公司的宣传资料可以看到，丰田转向系统在左侧传统电动助力转向系统和右侧线控转向系统中都在系统中加入了备用供电模块，基于锂电池和电容在传统发电机和12V电源的基础上提高系统供电的稳定性和多样性。此外，其采用的故障可操作级别转向系统从电源、通信总线、扭矩传感器、电机角度传感器、微处理器、功率驱动和电机线圈各器件都实现冗余容错和差异化。

 

图表：丰田线控转向设计架构

资料来源：公开信息

 

需求侧，主机厂在线控转向领域动作频频。此前，特斯拉ModelS Plaid采用全新的平底矩形方向盘，实际是为了满足未来自动驾驶出行的用户需求，背后也能映射出特斯拉正在规划线控转向等底盘控制技术的应用，从而最大程度精简转向和制动系统的机械结构。2022年9月，吉利与海拉共同开发量产就绪的线控转向系统解决方案，预计2026年实现量产；2022年10月，蔚来与采埃孚签署战略合作协议，双方将合作开发线控转向产品。

 

图表：部分车企及 Tier1 线控转向产品布局情况

资料来源：佐思汽研，东北证券

 

从供需两端看，以上行业动态均预示着智能（含线控）转向系统逐渐走入消费大众市场，将为传统机械连接时代画上一个句号，开启线控的新纪元。2025年，伴随L3+自动驾驶渗透率提升，线控转向有望在高端车型上实现批量应用。2030年，随着线控转向技术成熟度提升、成本下探、高阶自动驾驶渗透率的进一步提升，线控转向有望得以普及，渗透率进一步提升。

 

 

 

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 具备核心电控软件开发能力的中国厂商将有望实现弯道超车

 

EPS时代，国内厂商受限于国际领先的工艺，市场被国外巨头垄断

 

EPS作为汽车底盘核心技术之一,一直被国外零部件巨头垄断。EPS 行业格局集中且技术壁垒较高，由海外巨头博世、采埃孚、捷太格特与耐世特主导。中国EPS转向系统超过80%的市场份额掌握在国际企业手中，中国企业产品与国际企业相比软硬件层面均存有差距。

 

图表：2021年乘用车EPS行业竞争格局

资料来源：天风证券，义柏绘制

 

上游核心零部件受制约，国内中游EPS厂商发展面临瓶颈，议价能力较弱。硬件层面，国内厂商受限于复杂机械结构，且蜗轮蜗杆、皮带、丝杠螺母副等上游零部件对材料、工艺要求极高；软件层面，电控、电机、软件算法、标定和系统集成等的综合能力困境也一直制约着国内厂商的发展。而国际企业凭借成熟的技术优势作为中游转向系统方案提供商一直有较强议价能力。

 

目前，EPS时代部分国内厂商已经基本实现机械部件的突破例如转向节、转向柱及拉杆，但核心ECU、传感器、电控多数采取外采或联合开发的形式，软件算法自主研发能力较为欠缺。则无论是即将渗透的冗余容错型EPS还是未来的全线控转向，攻克电控软件是国内转向厂商的核心难关。不具备电控软件自研核心能力的厂商很难从做机械结构换道到线控转向。

 

图表：EPS零部件自供情况（未标注内容为无公开资料可查询）

资料来源：华西证券

 

线控转向变革，本土企业有望弯道超车实现突围

 

SBW时代，国内外几乎同步开始研发，拉齐起跑线。随着自动驾驶水平进一步提高，SBW的崛起给行业带来新的机遇，众多国内外厂商均开始发力线控转向系统。但从量产进度来看，当前无论是国际厂商还是本土厂商均未实现线控转向技术的大规模量产，海外厂商与国内厂商实则并未在SBW技术上拉开身位差距。在本土企业大举研发投入的背景下，与海外厂商同步起跑，国内厂商有望弯道超车。

 

依托于中国强大的供应链优势及新能源车基本盘，国产化势不可挡。国内线控转向行业处于早期导入阶段，未来国内不少创业公司将陆续实现量产，会逐步对博世、捷太格特等公司产品进行国产替代。并且，海外巨头在项目开发响应速度、配合度上均不及国内厂商。电控背景下，国内企业可绕过蜗轮、皮带控制、丝杆螺母副等卡脖子环节实现超车。

 

线控转向系统研发难度大，底盘域其他环节厂商难以跨界入局

 

底盘域不同环节研发难度均超高，仅国际一流厂商博世、采埃孚等实现制动、转向双布局。线控制动、线控转向环节均具备较高的研发难度，并且研发体系区别度较大，一般厂商极难跨域开发。即使博世、采埃孚制动及转向均有布局，但实际上博世的制动部件更受认可，同时采埃孚转向部件更受认可，制动和转向很难同时兼得。以此类推，国内初创企业在制动能力还未完全成熟的情况下几乎不可能同时兼顾转向开发。

 

 

 

 

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总结

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汽车“新四化”浪潮加剧供应链重塑，智能座舱、智能驾驶、智能网联、新能源汽车控制电子等核心环节重视程度逐日提升。其中底盘环节是汽车的灵魂，传动系、行驶系、转向系和制动系均迎来线控技术的变革，不断优化底盘的操纵性。线控转向量产前夜，国内厂商与海外厂商几乎同步起步，具备电控软件实力的本土厂商有望在我国这片新能源汽车产业沃土上实现转向核心零部件的国产化腾飞。