01汽車制動系統(tǒng)基本功能

傳統(tǒng)汽車的底盤主要由傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動系四部分組成，除了支撐汽車的發(fā)動機(jī)及其他零部件外，還具有接收駕駛員的操作指令，使汽車實現(xiàn)行駛、轉(zhuǎn)向以及制動等功能， 是燃油車的重要組成部分。其中，傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系以及制動系四部分相互連通、相輔相成，共同構(gòu)成了汽車底盤，也構(gòu)成了線控底盤技術(shù)的基礎(chǔ)。

圖 1 傳統(tǒng)汽車底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)

制動系主要由制動器、助力器、制動片等部件組成，主要功能是降低處于行駛過程中汽車的速度或使其停止，大致可分為行車制動和駐車制動。其中行車制動主要用于行車時降低行車速度或使汽車停止，駐車制動主要用于停車后防止汽車發(fā)生滑動。

制動技術(shù)可分為氣壓制動和液壓制動，通用和福特分別于1934年和1939年采用了液壓制動技術(shù)。后續(xù)歷經(jīng)多次迭代，到20世紀(jì)50年代，液壓助力制動器已開始規(guī)?；慨a(chǎn)上車，成為后機(jī)械式制動時代的主流制動方案。以一輛配備液壓制動系統(tǒng)的傳統(tǒng)乘用車為例：其制動系統(tǒng)主要包括制動踏板、真空助力器、制動液、制動油管、制動主缸、制動輪缸以及車輪制動器，當(dāng)駕駛員踩住制動踏板時發(fā)生作用力，推動真空助力器的后腔進(jìn)氣控制閥打開，隨即后腔充氣使壓力大于前腔形成壓力差，從而將制動力放大形成對制動主缸推桿向前的推力，推動制動主缸內(nèi)的液體進(jìn)入制動管路形成車輪制動力，由此車輪制動器得以執(zhí)行制動操作。

圖 2 真空助力器伺服制動原理

此外，隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，人們以液壓制動系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加了很多制動輔助系統(tǒng)，例如制動防抱死系統(tǒng)(ABS、1978年博世首發(fā))、牽引力控制系統(tǒng)(TCS、1986 年博世首發(fā))、穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(VDC、1992年博世首發(fā)，并推出同時集成 ABS/TCS/VDC 功能的劃時代產(chǎn)品ESP)、自動駐車功能(AUTOHOLD)、陡坡緩降控制(HDC)、剎車優(yōu)先系統(tǒng)(BOS)等，均是在原液壓制動系統(tǒng)中增設(shè)一套液壓控制裝置，控制制動管路中制動液的增減，以控制制動壓力的變化適用于不同場景。

在新能源汽車時代，由于車內(nèi)失去了由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的真空壓力來源，倒逼制動系統(tǒng)再次改造升級。目前針對此問題，提出了智能剎車系統(tǒng)(IBS)的概念，主要有兩種解決方案，分別為電子真空泵(EVP)方案和線控制動方案(EMB/EHB)：

(1)EVP方案：在原有真空助力液壓制動系統(tǒng)中增加EVP(Electronics Vacum Pump,電子真空泵)、PTS(Pedal Travel Sensor,踏板行程傳感器)和氣壓傳感器。

EVP的作用是為真空助力器提供動力源，因為電驅(qū)動乘用車沒有傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，無法為真空助力器提供真空度，真空助力器無真空下無法提供制動助力。該系統(tǒng)通常還會帶一個真空罐，用于存儲一定容積的真空，使系統(tǒng)的真空度更穩(wěn)定，同時降低EVP的啟動頻次，增長EVP使用壽命。PTS主要是為了給電機(jī)控制器提供制動信號，有效利用制動空行程進(jìn)行能量回收，提高能量回收率。

(2)線控制動方案：相較于傳統(tǒng)的液壓制動，線控制動以電子助力器替代了真空助力、以導(dǎo)線替代液壓/氣壓管路。其工作原理為通過油門踏板傳感器將駕駛?cè)藢嶋H操作轉(zhuǎn)變成電信號 傳遞給ECU，ECU對傳輸來的相關(guān)指令實施綜合計算(傳感器監(jiān)測油門踏板的行程和力， 車速傳感器判斷汽車是否處于正常減速中)，若判定為正常動作則將信號再次傳遞給制動執(zhí)行器，最終實現(xiàn)制動。

圖 3 線控制動原理

02制動系統(tǒng)技術(shù)概覽

以市面常見的線控制動系統(tǒng)為例，根據(jù)有無液壓后備分為EHB電子液壓制動和EMB電子機(jī)械制動。其中，EHB實現(xiàn)難度較低，僅用電子元件替代傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的部分機(jī)械元件，保留傳統(tǒng)的液壓管路，當(dāng)線控系統(tǒng)失效時備用閥打開即可變成傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)，因此也可理解為線控制動系統(tǒng)發(fā)展的第一階段。

EHB根據(jù)集成度分為兩種方案: Two-Box和One-Box。

Two-Box方案中，ESC和電子助力器是相互獨立的模塊，二者互為備份冗余;

One-Box方案中，ESC與電子助力器集成為一個模塊，須額外增加備份冗余系統(tǒng)滿足自動駕駛的需求。One-Box 方案具有集成度高、成本低、能量回收效率高等優(yōu)勢，逐漸成為線控制動的主流方案。

圖 4 EHB分類(來源研報，如有侵權(quán)請聯(lián)系我刪除)

2.1 Two-Box系統(tǒng)架構(gòu)(Bosch_IBooster)

目前，市面常見的智能剎車系統(tǒng)多為Two-Box架構(gòu)，通過以eBooster+ESC組合的方案。

ESC和eBooster在車上共用一套液壓系統(tǒng)，兩者協(xié)調(diào)工作，原理如下：

eBooster和ESC共用一套制動油壺、制動主缸和制動管路。

eBooster內(nèi)的助力電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動力推動主缸活塞運動，使油壺中的制動液流入主缸管路并進(jìn)入ESC進(jìn)液閥，經(jīng)ESC中的調(diào)壓閥和進(jìn)液閥流入4個輪缸，從而建立起制動力。

當(dāng)eBooster不工作時，ESC也可以獨立控制制動液從主缸流入輪缸，從而建立制動力。

eBooster建壓的動態(tài)響應(yīng)速度比ESC主動建壓更快，且NVH表現(xiàn)更好，因此eBooster是制動控制系統(tǒng)中的主執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖 5 Two-Box系統(tǒng)架構(gòu)

在正常功能下，eBooster通過控制助力單元高效精準(zhǔn)地輔助駕駛員制動;當(dāng)eBooster出現(xiàn)故障而導(dǎo)致助力系統(tǒng)失效時，eBooster請求ESC激活HBC(Hydraulic Brake Failure Compensation)功能，HBC功能激活后，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，主缸壓力發(fā)生變化，HBC功能根據(jù)主缸壓力變化識別駕駛員制動意圖，并控制建壓泵工作主動建立輪缸壓力，從而實現(xiàn)駕駛員助力。而在eBooster和ESC都失效的情況下(如整車電源故障)，駕駛員踩下制動踏板，踏板力直接作用在推桿上，推桿推動主缸活塞移動使主缸液壓流入輪缸從而產(chǎn)生制動力，該過程為純機(jī)械建壓。

圖 6 ESC降級策略

2.2 One-Box系統(tǒng)架構(gòu)(Bosch_IPB)

以O(shè)ne-Box為例，從硬件構(gòu)型來看，汽車線控制動系統(tǒng)僅由一個ECU和一個制動單元來構(gòu)成;從軟件控制來看，線控制動系統(tǒng)僅由一個ECU控制，該ECU一般稱為ESC，ESC包含主要功能有：ABS、VCS、VDC、制動能量回收等功能。

ABS 可以將車輪滑移率保持在理想值，并防止車輪抱死;

TCS 用于保持車輛加速穩(wěn)定，通過發(fā)動機(jī) ECU(Electronic Control Unit)或者VCU和制動系統(tǒng)來調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的過度滑轉(zhuǎn)，保持驅(qū)動力處在最佳車輪滑轉(zhuǎn)率范圍;

VDC 用于轉(zhuǎn)向角過大或者轉(zhuǎn)向速率過快的工況，控制器根據(jù)橫擺角速度或者質(zhì)心側(cè)偏角與目標(biāo)值的偏差判斷車輛是否跟隨駕駛員轉(zhuǎn)向意圖，并對各個車輪進(jìn)行有針對性的制動，減輕駕駛員操作負(fù)擔(dān)并防止車輛側(cè)滑。

博世推出的IPB(Integrated Power Brake)就是典型的One-Box架構(gòu);

圖 7 Bosch IPB總成

其工作原理如下：

圖 8 IPB的工作原理

正常工作時，閥1、4、5吸合，2、3斷開。駕駛員踩踏板后制動液進(jìn)入主缸和踏板模擬器并建立壓力，踏板力-踏板行程曲線由主缸和踏板模擬器特性決定。與此同時，IPB ECU識別踏板位移信號，依據(jù)標(biāo)定好的踏板位移-系統(tǒng)壓力曲線控制電機(jī)建壓，產(chǎn)生車輛減速度。在縱向及橫擺運動控制中，通過ABS/ESC液壓調(diào)制模塊對各輪輪缸壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，對于IPB制動系統(tǒng)，踏板位移-減速度曲線是可以通過刷新標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行更改的。 IPB降級模式比較復(fù)雜，不同的失效類型對應(yīng)不同的降級模式，這里對助力失效(如IPB斷電)進(jìn)行討論。在此種模式下，IPB進(jìn)入機(jī)械backup模式，閥1，4，5關(guān)閉，2，3打開，駕駛員踩踏板建立的壓力直接進(jìn)入輪缸并產(chǎn)生車輛減速度。根據(jù)法規(guī)ECE R13-H要求，系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生不小于2.44m/s^2的制動減速度。 因制動踏板解耦，無需過多考慮主缸需液量對踏板位移的影響，IPB的主缸缸徑可比傳統(tǒng)brake apply系統(tǒng)小，機(jī)械backup模式下，相同踏板力下系統(tǒng)產(chǎn)生壓力較高。

2.3 ABS技術(shù)

ABS技術(shù)，又稱為制動防抱死系統(tǒng)，顧名思義，就是指防止在汽車行車制動時車輪出現(xiàn)抱死的情況。所謂抱死，是指汽車車輪在制動時停止轉(zhuǎn)動，以盤式剎車為例。剎車的時候，制動系統(tǒng)推動剎車片夾住車輪上的剎車盤，通過巨大的摩擦力使車輪停止轉(zhuǎn)動，車輛就會由于輪胎和地面間的摩擦力而停下來。剎車的實質(zhì)，其實就是將車輛的動能轉(zhuǎn)換為剎車片與剎車盤之間，以及輪胎和路面之間發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的熱能。如果讓車輪停止轉(zhuǎn)動的制動力(剎車片與剎車盤之間的摩擦力)超過了輪胎和路面之間的靜摩擦力，那么輪胎就會在路面上發(fā)生滑動，而車輪并不轉(zhuǎn)動，這種現(xiàn)象就是車輪抱死。車輪一旦被抱死，不再滾動，那么在路面上滑行的汽車就像是在冰面上滑動的冰球，完全失去控制方向的能力，無法躲避障礙，還容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，非常危險。當(dāng)在濕滑路面上剎車時，由于輪胎與路面之間的靜摩擦力很小，比較容易被制動力超過，造成抱死。而在干燥路面上大力急剎車的時候，要是制動力非常大，也會超過輪胎和地面之間的靜摩擦力，同樣造成抱死。 在沒有ABS的年代，有經(jīng)驗的駕駛員會通過“點剎”來防止車輪抱死，也就是踩一點剎車后再松一點剎車，不斷反復(fù)。ABS實際上就是在ECU控制下的自動點剎。在需要緊急制動的情況下，駕駛員只需要大力踩死剎車，專心控制方向。ABS會自動根據(jù)傳感器獲得的信息高速做出交替剎車和松開剎車的動作，點剎的速度可以高達(dá)每秒十幾次。ABS還可以通過控制剎車液的壓力自動調(diào)整每個車輪上剎車的力度，以達(dá)到最佳的剎車效果，同時保證車輪不被抱死。

圖 9 ABS工作原理

從圖4可以看出，當(dāng)常規(guī)制動時，ABS不起作用，但是即使在這種情況下，輪速傳感器也一直監(jiān)測著車輪的減速度，當(dāng)輪速傳感器信號表明車輪正在趨于抱死時，ECU給液壓調(diào)節(jié)單元發(fā)出控制指令，激活輸入閥，輸入閥的動作將制動回路與主缸斷開，停止制動壓力繼續(xù)增長，由于輸出閥此時仍處于關(guān)閉狀態(tài)，使壓力保持不變，這就是保壓狀態(tài)。這種狀態(tài)下，如果輪速傳感器的信號表示車輪依舊減速太快，ECU就給液壓調(diào)節(jié)單元發(fā)出控制指令，打開輸出閥，制動液在回油泵的作用下從制動回路回到制動主缸，制動輪缸的壓力減小，使車輪的制動減弱，這就是減壓狀態(tài)。當(dāng)輪速傳感器的信號表明由于制動液壓力的減小車輪重新加速時，ECU停止向液壓制動單元發(fā)出電流，關(guān)閉輸出閥，打開輸入閥，此時制動液的壓力又增大，又使車輪開始減速，每秒鐘這一循環(huán)重復(fù)四到六次。這就達(dá)到防止車輪抱死的目的。

2.4 TCS技術(shù)

牽引力控制系統(tǒng)簡稱TCS，又稱驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)。它能防止車輛尤其是大馬力車在起步、加速時驅(qū)動輪打滑，維持汽車行駛的穩(wěn)定性;本質(zhì)上，TCS是ABS系統(tǒng)在汽車上的衍生產(chǎn)物。從汽車?yán)碚摻嵌?，TCS主要是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動力矩的大小，保證該力矩不超過輪胎與路面的最大附著力，提高車輛安全性。

以混動汽車為例(涵蓋發(fā)動機(jī)和電機(jī))，TCS的常見控制方式如下：

發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度、點火參數(shù)和調(diào)節(jié)燃油供給量三種方法可以控制發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)是通過控制發(fā)動機(jī)節(jié)氣門的開度角來控制進(jìn)氣量，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的輸出扭矩。采用這種控制方式時，發(fā)動機(jī)工作平穩(wěn)，但響應(yīng)較慢。

點火參數(shù)調(diào)節(jié)是指減小點火提前角，燃油供給調(diào)節(jié)是指減小供油量或暫停供油，這兩種控制方法響應(yīng)較快，但可能會引起發(fā)動機(jī)的不正常工作。

發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是最早應(yīng)用的牽引力控制方式，它在低附路面上或在高速時控制效果比較好。但是發(fā)動機(jī)響應(yīng)較慢，而且會同時調(diào)節(jié)所有驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩，因此主要在低附路面和高速時使用，提高汽車的行駛穩(wěn)定性。

驅(qū)動輪制動力矩調(diào)節(jié)

驅(qū)動輪制動力矩調(diào)節(jié)是比較常用的控制方式，是指在打滑的驅(qū)動輪上施加適當(dāng)?shù)闹苿恿?，從而控制其滑轉(zhuǎn)率在最佳范圍內(nèi)。這種控制方式響應(yīng)較快，而且對有獨立通道的制動系統(tǒng)可以獨立控制各車輪的制動力矩，這種方式在分離路面上效果較好;但長時間對驅(qū)動輪施加制動力矩會導(dǎo)致制動器過熱;汽車中高速行駛時，可能造成驅(qū)動輪的驅(qū)動力相差較大而對車輛穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以中高速時不宜使用。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)速或電流來控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式響應(yīng)快、靈敏度高且精確，比制動力矩的調(diào)節(jié)響應(yīng)更快，而且控制方便，電機(jī)轉(zhuǎn)矩在混合動力汽車中起“削峰填谷”的重要作用，所以電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是混合動力汽車牽引力控制的重要控制方式。

圖 10 TCS用途

圖 11 TCS控制框圖

上圖描述了兩個控制功能，一個是發(fā)動機(jī)扭矩調(diào)節(jié)，其通過與發(fā)動機(jī) ECU 通訊，請求驅(qū)動單元通過調(diào)節(jié)電子節(jié)氣門、燃油量和點火提前角來減少發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，如果車輛為汽油機(jī)，則由發(fā)動機(jī) ECU通過控制空燃比或延遲點火時間以實現(xiàn)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)實際轉(zhuǎn)矩(電機(jī));另一個是制動力矩調(diào)節(jié)，在液壓控制系統(tǒng)的作用下，請求制動力矩介入制動打滑車輪，在這兩個控制功能共同作用下保持驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速在理想范圍內(nèi)以提高復(fù)雜工況下汽車的加速性能。

2.5 VDC技術(shù)

VDC 控制主要用于防止車輛側(cè)向失穩(wěn)，比如限制汽車在高速行駛或者在附著力較低的路面上可能會發(fā)生轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度的現(xiàn)象，并且將車輛橫向穩(wěn)定性、跟隨理想橫擺角速度和抑制質(zhì)心側(cè)偏角作為目標(biāo)。車輛橫向失穩(wěn)產(chǎn)生的原因主要來自以下三個方面：

轉(zhuǎn)彎離心力的作用下，輪胎的彈性效應(yīng)和側(cè)偏特性，使得輪胎產(chǎn)生側(cè)偏角，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)橫向偏移;

轉(zhuǎn)彎時突然的制動和驅(qū)動，使得輪胎的側(cè)偏剛度減低，因此車輛側(cè)滑;

駕駛員誤操作，比如快速打方向盤并且制動，車輛進(jìn)入非線性區(qū)域，質(zhì)心側(cè)偏角迅速增大，偏離期望軌跡。

圖 12 VDC控制原理

VDC 接收車身物理狀態(tài)如速度、橫擺角速度、側(cè)向加速度;車輪的物理特性如車輪滑移率;方向盤轉(zhuǎn)角信號和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，并在極端工況下通過發(fā)動機(jī)扭矩調(diào)節(jié)與橫擺力矩修正共同用于調(diào)節(jié)車輛橫向穩(wěn)定性。首先根據(jù)質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度、方向盤轉(zhuǎn)角和車速的門限設(shè)定以識別車輛是否存在側(cè)滑危險，并將其作為 VDC 介入判斷辦法;然后，在不同工況下修正并計算目標(biāo)橫擺角速度，并結(jié)合與車輛實際橫擺角速度差值和質(zhì)心側(cè)偏角，將失穩(wěn)

工況區(qū)分為過度轉(zhuǎn)向、不足轉(zhuǎn)向、反舵和激轉(zhuǎn);車輛處在不足轉(zhuǎn)向情況下，制動內(nèi)后側(cè)車輪，如果內(nèi)后輪出現(xiàn)抱死，則協(xié)調(diào)制動內(nèi)前車輪，車輛處在過度轉(zhuǎn)向情況下，制動外前輪，如果前外輪出現(xiàn)抱死，則協(xié)調(diào)制動前內(nèi)側(cè)車輪。最后，根據(jù)車輛橫擺力矩與制動力的動力學(xué)關(guān)系，確定被控車輪制動力矩以產(chǎn)生目標(biāo)橫擺力矩。

2.6 EPB技術(shù)

EPB(電子駐車制動)是線控技術(shù)在駐車系統(tǒng)的應(yīng)用。EPB 采用電信號傳輸，實現(xiàn)了駐車制動的電子化控制，具有更快的響應(yīng)速度。L2 的ACC/AP/AEB 等功能中，EPB起到請求和解除駐車的作用。 當(dāng)駕駛員按動 EPB 按鈕時， EPB 的控制模塊接到來自按鈕的信號，

控制模塊向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)施加電流使其轉(zhuǎn)動，電機(jī)釋放的轉(zhuǎn)矩在降速、增扭后，通過輸 出軸螺紋副或滾珠絲杠副將電動制動單元輸出的扭矩轉(zhuǎn)化為直線推力，推動制動活塞運動， 將推力轉(zhuǎn)化為制動塊壓緊至制動盤的壓力，進(jìn)而實現(xiàn)車輛車速減少或駐車制動。

圖 13 EPB執(zhí)行機(jī)構(gòu)

集成型 EPB 可聯(lián)動 ABS/ESC 等核心安全系統(tǒng)。根據(jù)是否有單獨 EPB ECU 劃分，EPB可分為ECU獨立型和ECU集成型，集成型EPB將EPB和ESC系統(tǒng)整合在一個控制器里，降低了ECU成本和線束等部件布局的復(fù)雜性，并且 EPB 硬件更加模塊化(可整合ABS、ESC、 ACC等功能)，提高車輛行駛的安全性。因技術(shù)要求，集成型EPB需要企業(yè)具備ESC的生產(chǎn)能力。

圖 14 ECU集成式EPB 圖 15 ECU獨立式EPB

2.7 小結(jié)

可以看到，從ABS技術(shù)誕生開始，逐步衍生出了TCS、VDC等技術(shù)。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，已逐漸將上述功能都融入到一個ECU中;其本質(zhì)還是根據(jù)車輛當(dāng)前狀態(tài)通過調(diào)節(jié)制動液壓、發(fā)動機(jī)力矩、電機(jī)力矩來合理分配驅(qū)動力、制動力，以達(dá)到保持車輛制動和穩(wěn)定的目的。

03發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的發(fā)展，底盤相關(guān)控制會逐步趨向于域控的形式。底盤域控制器是包括域主控硬件、操作系統(tǒng)、算法和應(yīng)用軟件等組成的整個系統(tǒng)的統(tǒng)稱，是一個大的運算平臺， 在“中央集成+域控制器”架構(gòu)下， 底盤域控制器將作為汽車“小腦”，其作用如下：

接受上層感知層和決策層的指令;

建立統(tǒng)一的車輛動力學(xué)概率模型，實現(xiàn)多執(zhí)行系統(tǒng)的優(yōu)化協(xié)同控制;

將上層決策指令傳遞給各線控底盤子系統(tǒng) ECU，實現(xiàn)動力控制。底盤域控能夠?qū)崿F(xiàn)底盤傳感系統(tǒng)整合與信號融合，優(yōu)化整車功能安全等級與駕乘體驗，是實現(xiàn)線控底盤運算集成化的必要構(gòu)件。目前，主機(jī)廠將更多精力放在“大腦”(智能駕駛域控制器)上，而開發(fā)流程較為復(fù)雜、調(diào)校周期較長的“小腦”(底盤域控制器) 更多交由第三方供應(yīng)商協(xié)作完成。

圖 16 底盤域控架構(gòu)

審核編輯：湯梓紅