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國外線控制動技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢綜述

2021-12-24 17:39:11·  來源：焉知智能底盤  
　
來源 | 周明岳，武振江，馮天驥 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展主題是電動化、 智能化網(wǎng)聯(lián)化及共享化， 這也被稱為汽車行業(yè)的新四化趨勢。汽車
來源 | 周明岳，武振江，馮天驥 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司
汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展主題是電動化、 智能化網(wǎng)聯(lián)化及共享化， 這也被稱為汽車行業(yè)的新四化趨勢。
汽車新四化被視為中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略機遇之一，不僅是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的載體， 同時也將推進新技術(shù)與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的深度融合，重塑汽車產(chǎn)業(yè)的生態(tài)體系。智能汽車需要感知、控制決策、執(zhí)行等相關(guān)技術(shù)匹配，新型智能線控底盤是智能汽車的關(guān)鍵技術(shù)。
線控技術(shù)最早源于航空領(lǐng)域 ，1972年NASA(National Aeronautics and Space Administration) 將線控技術(shù)應(yīng)用于飛機控制。汽車線傳電控(X-by-Wire)， 依靠電子信號經(jīng)汽車通訊網(wǎng)絡(luò)來傳輸如轉(zhuǎn)向、 制動等操作要求，信號載體為電子線束，傳統(tǒng)的機械以及液壓系統(tǒng)也被電子執(zhí)行器取代。
線控制動(Brake-by-Wire)技術(shù)是智能線控底盤的關(guān)鍵技術(shù)，包含傳統(tǒng)制動技術(shù)，基于動力學(xué)、運動 學(xué)、電控等多學(xué)科融合技術(shù)，技術(shù)壁壘較高。
傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)無法實現(xiàn)主動制動和制動壓力的精確、快速控制，不能滿足智能汽車對制動系統(tǒng)的要求，制動系統(tǒng)需要電動化和智能化。目前線控制動產(chǎn)品正在不斷出現(xiàn)在智能電動汽車上， 對傳統(tǒng)汽車制動行業(yè)而言， 全新的挑戰(zhàn)和機會促使制動行業(yè)不斷變革。
傳統(tǒng)制動系統(tǒng)是基于真空助力器的液壓制動系統(tǒng)，其真空來源為發(fā)動機負壓。電動車出現(xiàn)后，又出現(xiàn)了電子真空泵 EVP(Electronic Vacuum Pump)提供負壓的過度產(chǎn)品。目前電動汽車更傾向于應(yīng)用電動助力器，完全用電機助力來實現(xiàn)。
根據(jù)乘用車線控制動系統(tǒng)的實現(xiàn)形式不同，目前線控制動系統(tǒng)可分為電子液壓制動 EHB(Electro-Hydraulic Brake)系統(tǒng)和電子機械制動EMB(Electro-Mechanical Brake)系統(tǒng)兩類。
1、電子液壓制動 EHB 系統(tǒng)
EHB 沒有了真空助力器，結(jié)構(gòu)更簡單緊湊；電動 驅(qū)動， 響應(yīng)也更加迅速；方便實現(xiàn)四輪制動分別控 制；容易集成 ABS (Anti-lock Braking System), TCS(Traction Control System) 以及 ESC (Electric StabilityControl)等輔助功能，兼容性強；踏板解耦，能夠主動 制動以及能量回收。
1.1 國外研究現(xiàn)狀
EHB 系統(tǒng)仍保留了傳統(tǒng)的液壓管路部分， 是電 子和液 壓相結(jié) 合的 產(chǎn)物。典 型帶有 E-Booster 的EHB 系統(tǒng)如圖 1 所示。踏板位移和踏板力經(jīng)電子傳感器傳導(dǎo)給電子 ECU，然后經(jīng)過不同的助力形式，如 電動液壓泵高壓蓄能器或者直流電機等推動建立起液壓，液壓再分配給四個制動輪缸。
目前 EHB 有著不同的實現(xiàn)形式，按照是否集成ESC、ABS 等功能的一體化形式， 分為 One Box 形式 和 Two Box 形式。按照踏板的解耦形式又可以分為 全解偶和半解耦方式。

圖 1 EHB 系統(tǒng)
目 前 行 業(yè) 中 技 術(shù) 比 較 領(lǐng) 先 的 如 Bosch、Continental、ZF/TRW 都 擁有自 己的 EHB 產(chǎn) 品 。如Bosch 公司的 I-Booster 產(chǎn)品，如圖 2 所示。此產(chǎn)品可 適用于燃油車、混合動力汽車以及純電動汽車。電機 助力，二級齒輪推動主缸，可以模擬不同的制動踏板 感覺，也能夠進行能量回收控制，擁有機械冗余備份以及軟件備份來增加可靠性。

圖 2 Bosch 公司 I-Booster 產(chǎn)品
此外， 如 ZF/TRW 也擁有 IBC (Integrated BrakeControl)產(chǎn)品，其核心是一個由超高速無刷電機驅(qū)動 的執(zhí)行器，受旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測，編碼器向中央電子控 制單元 ECU 提供電機的轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速和位置數(shù)據(jù)。同 時被集成其中的，還有一個獨立的液壓回路，它用電子信號向系統(tǒng)傳達駕駛者的制動意圖， 保持了傳統(tǒng)液壓制動的制動踏板感覺。建壓也比較迅速，達到 1g減速度只需要 150ms。
表 1 簡列了幾家主流外資公司目前 EHB 產(chǎn)品 情況。包含三家主要的制動系統(tǒng)供應(yīng)商以及主要的 主機廠以及其附屬零部件供應(yīng)商。
表 1 EHB 產(chǎn)品情況

浙江亞太公司與清華、吉林大學(xué)合作 開發(fā)了 IEHB 產(chǎn)品。同馭汽車也生產(chǎn)出電動 Booster產(chǎn)品， 由內(nèi)置踏板位移傳感器、 踏板感覺模擬器、電 機、減速傳動機構(gòu)、制動主缸、殼體、控制器等組成，能 夠集成 AEB，陡坡緩降以及制動防俯仰等功能。蕪湖伯特利公司也開發(fā)出一體化的 WCBS 系統(tǒng)， 集成了ABS、ESC 同時兼具能量回收功能， 也能夠與 AEB、ACC 等功能交互。拿森的 NBooster 已經(jīng)搭載了百度 小巴和并與北汽新能源完成相關(guān)車型搭載協(xié)議。
國內(nèi) EHB 技術(shù)研究較國外起步較晚，國內(nèi) EHB產(chǎn)品卻緊隨主流 EHB 產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上，雖然產(chǎn)品技術(shù)水平或有一定差距， 但是卻展現(xiàn)出國內(nèi)線控制動技術(shù)不斷追趕的態(tài)勢。
2、電子機械制動 EMB 系統(tǒng)
電子機械制動 EMB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯得更簡潔了，取 消了制動系統(tǒng)的液壓備份部分， 踏板信號與執(zhí)行器之間完全靠電子信號傳輸，與 ABS、TCS、ESC 等模塊配合實現(xiàn)車輛底盤的集成控制， 是真正的線控制動系統(tǒng)。與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)以及執(zhí)行器上有著明 顯的區(qū)別，EMB 的可靠性對其商業(yè)化有著至關(guān)重要 的作用。按照制動器執(zhí)行結(jié)構(gòu)的盤式或者鼓式之分，EMB 又 可 以 分 為 機 電 盤 式 制 動 器 (Electro-Mechanical Disk Brake) 和機電鼓式制動器 (Electro-Mechanical Drum Brake)。目前更多的機構(gòu)選擇的是 機電盤式制動器。
EMB 結(jié)構(gòu)精簡，能夠降低整車質(zhì)量，易于維護， 便于安裝調(diào)試；完全解耦，制動響應(yīng)更加迅速；便于底盤域控制及智能駕駛技術(shù)發(fā)展。20世紀90年代，由Bosch，Siemens，Continental等公司率先開展相關(guān)研發(fā)和試制。圖3為電子機械制動系統(tǒng)簡圖。

圖 3 EMB 系統(tǒng)簡圖
踏板信號以及車輛信號首先傳導(dǎo)到 ECU， 決策 后再向 4 個車輪制動模塊發(fā)出制動指令。車輪制動模塊上的電機驅(qū)動制動摩擦材料塊， 然后實現(xiàn)摩擦制動。每一個車輪都有一個制動模塊，可以單獨分別控制， 每個模塊的驅(qū)動電機也都有單獨的電機控制器。4 個模塊作用下，實現(xiàn)制動力分配，制動穩(wěn)定性控制等功能。輪邊執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)集成了轉(zhuǎn)角傳感器、 扭矩傳感器， 結(jié)構(gòu)上又有將電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直線運動的機械機構(gòu)，輪邊工作環(huán)境惡劣，是 EMB 開發(fā)難 度所在。
當前的 EMB 實現(xiàn)并沒有標準形式，現(xiàn)將各個公司的EMB進行簡要介紹。
Continental 公司的 EMB執(zhí)行器如圖 4 所示。電機在控制器作用下旋轉(zhuǎn)，通過 行星齒輪減速增扭， 再通過滾珠絲杠機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為直線推動，從而達到制動盤壓緊摩擦制動效果。如果需要解除制動，需要反向轉(zhuǎn)動電機。這種方式原 理簡潔，容易控制，制動間隙也可以根據(jù)磨損情況， 通過電機控制器來隨時調(diào)節(jié)。缺點是減速增扭機構(gòu)對制動扭矩提升有限，整個系統(tǒng)比較依賴電機特性。

圖 4 Continental 公司的 EMB 簡圖
Siemens 公司的 EMB 采用了自增力機構(gòu)，如圖 5 所示。電機驅(qū)動楔形塊運動，主動、從動楔形塊又將摩擦塊和制動盤壓緊。用過機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)增力大小調(diào)節(jié)，對制動扭矩增加明顯，能夠達到較好的制 動減速效果，也能夠降低電機成本。缺點是機械工藝 及精度要求較高，電機轉(zhuǎn)矩控制要求較高。

圖 5 Siemens 公司的 EMB 簡圖
Bosch 公司的 EMB 則采取電機外置結(jié)構(gòu)， 如圖 6 所示。電機驅(qū)動內(nèi)部行星輪系，再通過螺紋芯軸等 行星齒輪機構(gòu)產(chǎn)生直線運動， 從而推動摩擦塊壓緊 制動盤，達到減速效果。內(nèi)部還有作用不同的電磁離 合器，這種結(jié)構(gòu)更加緊湊，復(fù)雜性較高。

圖 6 Bosch 公司的 EMB 簡圖
EMB 中力矩電機的設(shè)計，堵轉(zhuǎn)中電機的考驗，惡 劣環(huán)境如熱、水、泥等考驗，都對電機提出了較高要 求。執(zhí)行機構(gòu)的復(fù)雜性、42V 電源、傳感器、MCU 以及 功能安全等也對 EMB 的進一步商業(yè)化提出了要求。
3、線控制動關(guān)鍵技術(shù)
3.1 功能安全技術(shù)
線控制動系統(tǒng)的功能安全，是一項針對電子，電氣以及可編程電子安全控制系統(tǒng)的產(chǎn)品安全設(shè)計指 導(dǎo)規(guī)范。歐美已經(jīng)頒布了針對道路交通的產(chǎn)品設(shè)計標準（ISO 26262）。由于在電子系統(tǒng)中，不可能做到 萬無一失的絕對安全，消滅危險源，因此只能通過增 加一些安全機制來提高安全等級，實現(xiàn)安全目標。
ISO 26262 標準為汽車安全提供了一個生命周 期（管理，開發(fā)，生產(chǎn)，經(jīng)營，服務(wù)，報廢）理念，并在這 些生命周期階段提供必要的支持。標準涵蓋功能安 全方面的整體開發(fā)過程（包括需求，設(shè)計，實施，集 成，驗證，確認和配置）。ISO 26262 采用車輛安全完 整 等級 （ASIL） 來 判斷系 統(tǒng)的 功 能 安 全 程 度 ，由ASILA-ASILD 四個等級組成， 等級越高說明功能安 全的評估越嚴格， 針對系統(tǒng)的硬件和軟件開發(fā)也就 越復(fù)雜。
制動系統(tǒng)是設(shè)計汽車安全的關(guān)鍵系統(tǒng)。線控制動系統(tǒng)要求高可靠性， 目前需求冗余備份來保障可 靠性。以電動助力器來說，當驅(qū)動電機發(fā)生故障時， 需要有機械系統(tǒng)來做備份。電機驅(qū)動器也需要軟件備份及硬件備份。制動工況比較復(fù)雜，經(jīng)常會出現(xiàn)長 時間制動， 制動過熱等現(xiàn)象， 對機電系統(tǒng)的過載性 能，耐高溫性能有較大考驗，需要充分考慮。
3.2 踏板模擬
傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)中，駕駛員在踩踏制動時，能夠 感受到真空助力器以及液壓系統(tǒng)的反饋， 整車在不同制動壓力的驅(qū)動下，建立起相應(yīng)的減速度，給駕駛 員建立起制動踏板感。踏板踩踏速度、踏板力、踏板 行程以及對應(yīng)壓力和減速度的建立都影響制動踏板 感覺。傳統(tǒng)的制動踏板感覺是基于制動樣件選型來 調(diào)整， 每個企業(yè)也都有基于樣件的踏板感覺 DNA。目前制動踏板感覺評價， 主要是通過主觀評價評分和客觀數(shù)據(jù)測試兩種方式。
線控制動， 踏板感覺從基于樣件調(diào)整到從零開 始設(shè)計模擬。完全的設(shè)計模擬，可調(diào)整范圍就相對寬 泛，不會受限于樣件選型，可以靈活設(shè)計調(diào)整踏板感 曲線。一方面可以去模擬傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的踏板感覺， 另一方面也可以讓消費者適應(yīng)新的踏板感覺。甚至可以將制動踏板和油門踏板集成， 完全通過電子化 的設(shè)計以及能量回收的配合來建立新的踏板感覺。是否需要沿用傳統(tǒng)車的制動踏板感覺標準和開發(fā)模 式，這是線控制動的全新選擇。
3.3 汽車動態(tài)穩(wěn)定性控制
汽車主動安全領(lǐng)域的 ABS，TCS 以及 ESC 都是 涉及制動系統(tǒng)的汽車主動安全控制系統(tǒng)。尤其是ESC 系統(tǒng)的核心技術(shù)和產(chǎn)品，目前應(yīng)用廣泛，但是其 核心技術(shù)仍然掌控在少數(shù)零部件供應(yīng)商手中， 國內(nèi)突破 ESC 匹配和量產(chǎn)的技術(shù)壁壘一直存在。尤其是 現(xiàn)在線控制動的技術(shù)裝車需求不斷增加， 少數(shù)制動 行業(yè)的供應(yīng)商如 Bosch 等推動電動助力器和 ESC 技 術(shù)集成一體化匹配搭載， 進一步掌握汽車的核心控 制系統(tǒng)。
國內(nèi)制動系統(tǒng)供應(yīng)商大多供應(yīng)基礎(chǔ)制動系統(tǒng)， 一旦主機廠開始要求集成穩(wěn)定性控制的線控制動裝車， 傳統(tǒng)國內(nèi)制動系統(tǒng)供應(yīng)商的生存空間就會 被進一步擠壓。ESC 中用于進行壓力調(diào)節(jié)精度和響 應(yīng)速度調(diào)節(jié)的電磁閥等液壓控制單元設(shè)計與生產(chǎn)技 術(shù)，ESC 的控制技術(shù)，底盤綜合控制技術(shù)以及控制器技術(shù)，ESC 評價方法等都是 ESC 的關(guān)鍵所在。
Bosch 的電子穩(wěn)定性控制 ESP (Electric StabilityProgram) 最早是通過將 ABS 控制技術(shù)擴大至加速、 轉(zhuǎn)彎、滑行等汽車行駛工況中得來的，并申請了專利 保護。雖然各汽車公司產(chǎn)品叫法不同，但是其功能大多類似。如本田公司的 VSA(Vehicle Stability Assist)， 豐田的 VSC (Vehicle Stability Control)， 寶馬的 DSC(Dynamic Stability Control) 以及現(xiàn)在歐美官方的 ESC名稱。
3.4 制動能量回收技術(shù)
新能源汽車的制動能量回收使得其具有傳統(tǒng)汽車無法比擬的優(yōu)勢。在制動過程中，電機發(fā)電將汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存， 電機發(fā)電和基礎(chǔ)制動系統(tǒng)協(xié)同作用，實現(xiàn)汽車制動過程。能量回收延長了汽車的續(xù)航里程， 同時也減少了基礎(chǔ)制動系統(tǒng)的消耗和熱衰退等，增加制動器使用壽命。制動過程中需要考 慮驅(qū)動輪與非驅(qū)動輪的分別控制， 電池 SOC 的狀 態(tài)，回收電流和功率的實時調(diào)節(jié)，不同轉(zhuǎn)速下電機回 收能力， 汽車行駛工況以及整車制動穩(wěn)定性和制動 踏板感覺。制動能量回收的相關(guān)技術(shù)目前國內(nèi)外都有相關(guān)研究。
制動能量回收系統(tǒng)的中協(xié)調(diào)分配電制動力矩和 制動力矩是關(guān)鍵技術(shù)之一， 控制策略的研究基本圍繞這一點展開。豐田的再生電液制動系統(tǒng)在 Prius 車 上實現(xiàn)，同時也兼顧了踏板感覺。
3.5 車載網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)
線控系統(tǒng)對車載通訊網(wǎng)絡(luò)提出了新的性能需 求。目前基于事件觸發(fā)的總線系統(tǒng)將會不能滿足新 的需求，尤其是系統(tǒng)對通信的高速率、可靠性、容錯 支持以及滿足消息傳輸實時和確定性的要求。
基于時間觸發(fā)的確定性的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是滿足安全關(guān)鍵性實時控制的最佳選擇。目前有TTCAN，Byteflight，F(xiàn)lexRay，TTP/C 等通信網(wǎng)絡(luò)標準。其中應(yīng) 用最多的是 FlexRay，TTP/C 兩個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。目前大 眾集團和德爾福傾向選擇 TTP/C 來作為線控網(wǎng)絡(luò)的 協(xié) 議 標 準 。BMW，NXP，Bosch 以 及 GM 傾 向 選 擇FlexRay 來作為協(xié)議標準。
TTP/C 是專門為安全關(guān)鍵實時控制系統(tǒng)而設(shè)計的通信協(xié)議，基于TDMA (Time Division MultipleAccess)的訪問方式，能夠支持多種容錯策略，提供容錯的時間同步以及廣泛的錯誤檢測機制。FlexRay是專為車內(nèi)局域網(wǎng)設(shè)計的一種具備故障容錯的高速車載總線系統(tǒng)，基于時間觸發(fā)的機制，具有高帶寬、容錯性好等特點，在實時性、可靠性以及靈活性等方面優(yōu)勢明顯。FlexRay有兩個信道， 最高速率都可以達到10Mbps，能更好的實現(xiàn)冗余，使得消息具有容錯能力。
目前看，車載通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用的技術(shù)的商業(yè)化還在雛形，CAN通信仍占主導(dǎo)。但是隨著智能汽車的發(fā)展，車載通訊網(wǎng)絡(luò)的變革也將很快出現(xiàn)。
3.6 傳感器技術(shù)
制動系統(tǒng)傳感器如，踏板力、行程、扭矩、溫度、 電機轉(zhuǎn)角位移等傳感器， 這些傳感器對制動系統(tǒng)的控制執(zhí)行有著至關(guān)重要的作用。傳感器不僅包含制動系統(tǒng)傳感器，同時還包括整車速度，轉(zhuǎn)速以環(huán)境感 知傳感器。
未來的制動系統(tǒng)一定是智能主動制動系統(tǒng)，能夠依據(jù)精確、 分辨率高傳感器信息來感知、 控制決 策、動態(tài)執(zhí)行。因此成本低、可靠性好、精度高、體積 小的傳感器是發(fā)展線控制動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。多功能化、智能化、集成化的傳感器并和計算機芯片集成是未來發(fā)展趨勢。
4、結(jié)束語
線控制動技術(shù)當前正在引領(lǐng)汽車線控技術(shù)的發(fā)展，率先大批量多車型應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。目前線控制動系統(tǒng)更多的應(yīng)用形式是 EHB，EHB 將在今 后一段時間占據(jù)線控制動市場， 這是汽車電動化以及智能化發(fā)展所必需。EMB 由于技術(shù)條件較高，成 本較高，冗余備份以及熱可靠性技術(shù)等還需完善，目 前來看，EMB 商業(yè)化之路的優(yōu)先級明顯低于 EHB。
制動行業(yè)正在變革， 未來將是線控制動系統(tǒng)蓬 勃發(fā)展的時期，汽車底盤電動化，域控制等都離不開線控制動系統(tǒng)，這是中國制動行業(yè)抓住機會，趕超世界一流制動技術(shù)水平的好時機。
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