淺談制動(dòng)系統(tǒng)在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用和發(fā)展

包丹丹

采埃孚集團(tuán)天合亞太有限公司 上海市 200233

1 引言

在如今的傳統(tǒng)燃油車(chē)上，剎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)主要通過(guò)駕駛員對(duì)制動(dòng)踏板的操作，然后力傳導(dǎo)到后續(xù)的真空助力器并且被放大，使得制動(dòng)泵的液壓力可以傳遞和分配到汽車(chē)各個(gè)制動(dòng)輪上的制動(dòng)器，最終產(chǎn)生制動(dòng)摩擦力，達(dá)到制動(dòng)減速的效果。這其中真空助力器的真空源就是通過(guò)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管來(lái)提供的，然而隨著新能源汽車(chē)的推行和發(fā)展，汽車(chē)不再過(guò)度依賴(lài)發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)完全被電機(jī)取代，導(dǎo)致汽車(chē)失去了真空來(lái)源，整個(gè)傳統(tǒng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)就無(wú)法在新能源汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前許多制動(dòng)系統(tǒng)零部件企業(yè)紛紛推出各種解決方案，比較主流的有這幾種：電子真空泵替代發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生真空源；智能化助力器替代整個(gè)真空助力器；分布式制動(dòng)系統(tǒng)替代整個(gè)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)

汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)原理和所有其他輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)原理一樣，通過(guò)壓力產(chǎn)生摩擦，利用摩擦力使得滾動(dòng)的車(chē)輪停止。壓力或者說(shuō)制動(dòng)力的源頭是通過(guò)駕駛員對(duì)剎車(chē)踏板的操作來(lái)產(chǎn)生的，但是由于汽車(chē)制動(dòng)所需要的制動(dòng)力非常的大，往往無(wú)法只靠人力來(lái)直接產(chǎn)生，所以需要助力器來(lái)將制動(dòng)踏板的力放大。傳統(tǒng)燃油車(chē)?yán)冒l(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣岐管來(lái)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定可靠的真空環(huán)境，然后將駕駛員對(duì)制動(dòng)踏板的制動(dòng)力通過(guò)真空傳遞到制動(dòng)泵，再由制動(dòng)泵產(chǎn)生液壓實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪的制動(dòng)力。這里的真空環(huán)境和制動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)就是整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)里非常重要的一個(gè)部件，真空助力器。

真空助力器對(duì)駕駛員有著非常大的輔助制動(dòng)作用，一旦失效或者工作異常，駕駛員在踩制動(dòng)踏板時(shí)就會(huì)遇到非常大的阻力，甚至無(wú)法制動(dòng)。因此當(dāng)前許多整車(chē)廠(chǎng)都有各種方案來(lái)保證真空助力器的可靠工作，比如更加穩(wěn)定可靠的真空環(huán)境，比如設(shè)置或者追加額外的外部獨(dú)立真空泵來(lái)確保真空度并且可以彌補(bǔ)真空助力器工作時(shí)可能發(fā)生的失效。

但是新能源汽車(chē)的出現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)了非常大的沖擊，特別是真空助力器的部分。由于新能源汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)不再是傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，而是被電機(jī)取代，沒(méi)有了真空源，該如何來(lái)保證制動(dòng)助力呢？

3 電子真空泵

我們?cè)谏厦嫣岬搅诵履茉雌?chē)對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的影響，為了解決這個(gè)問(wèn)題，無(wú)非是兩種，一種就是完全摒棄現(xiàn)有的傳統(tǒng)剎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)，不再依靠現(xiàn)在的制動(dòng)結(jié)構(gòu)，不再需要真空助力，通過(guò)研發(fā)全新的制動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出可靠的制動(dòng)系統(tǒng)；另一種則是致力于解決“真空”問(wèn)題或者助力器的問(wèn)題，通過(guò)尋找其他的真空源或者替代介質(zhì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)助力器的作用和工作。前者屬于全新的設(shè)計(jì)研發(fā)，周期長(zhǎng)投入大，往往需要大量的時(shí)間和精力。而后者利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)做改進(jìn)，無(wú)論從研發(fā)難度，還是研發(fā)時(shí)間成本上，都是目前比較理想的一種過(guò)渡方法。

目前最簡(jiǎn)單和直接的方法就是利用車(chē)上外部的真空泵來(lái)實(shí)現(xiàn)，外部真空泵將不再作為輔助真空泵工作，而是完全替代現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的真空源。典型的外部真空泵就是電子真空泵，當(dāng)傳感器感知到真空助力器里的真空度不足時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)并工作。這樣的方案最大的優(yōu)勢(shì)在于可以幾乎完全保留現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，原有的真空助力器和相關(guān)的管路都不需要變動(dòng)，只是需要將保持真空環(huán)境的相關(guān)接口從發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管變換到外部真空泵上，利用外部真空泵維持真空環(huán)境，剩下的制動(dòng)工作則與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)完全一樣。

由于上述方案的改動(dòng)小，特別是底盤(pán)部分，國(guó)內(nèi)大多數(shù)沿用傳統(tǒng)燃油車(chē)底盤(pán)改造的新能源汽車(chē)，幾乎都是采用的這個(gè)方案。雖然這個(gè)方案難度低，風(fēng)險(xiǎn)小，但是電子真空泵在工作的時(shí)候往往會(huì)產(chǎn)生非常大的噪音，除此之外，電子系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和壽命都不能很好的滿(mǎn)足整車(chē)可靠性的要求。所以為了解決這些缺點(diǎn)，我們需要能夠研發(fā)出更加合理可靠的方案。

4 智能制動(dòng)助力器

作為汽車(chē)零部件的領(lǐng)先企業(yè)博世公司，就最先推出了一套全新的智能制動(dòng)助力器，稱(chēng)為iBooster。從整個(gè)結(jié)構(gòu)上替代了傳統(tǒng)的真空助力器，不再依賴(lài)真空源，而是利用電控的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的助力輔助。而行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手德國(guó)大陸和采埃孚-天合也基于同樣的設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)了相關(guān)的產(chǎn)品。

這套方案簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用一個(gè)全新的由電子控制單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的助力器將傳統(tǒng)的真空助力器替代，駕駛員對(duì)剎車(chē)踏板的制動(dòng)力通過(guò)推桿機(jī)構(gòu)傳遞給這個(gè)新的助力器，而助力器通過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)載的踏板位置傳感器檢測(cè)到踏板的變化，通過(guò)預(yù)設(shè)的算法計(jì)算并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作，產(chǎn)生助力傳遞到制動(dòng)主缸，并通過(guò)后續(xù)的液壓回路實(shí)現(xiàn)最終的制動(dòng)。

這樣的設(shè)計(jì)從源頭擺脫了真空源的要求，不僅解決了現(xiàn)有電子真空泵帶來(lái)的噪聲大，壽命短的缺陷，由于電機(jī)控制的關(guān)系，還能夠和其他的電子控制系統(tǒng)結(jié)合，提供更加全面的制動(dòng)控制，這其中最重要的一個(gè)應(yīng)用就是制動(dòng)力能量回收。我們都知道，新能源汽車(chē)大量的使用電能來(lái)實(shí)現(xiàn)低排放和低油耗的標(biāo)準(zhǔn)，這就對(duì)電池續(xù)航提出了很高的要求。所以除了不斷提高電池本身的性能外，如何有效的利用汽車(chē)各種工況來(lái)給電池充電就成了另外一個(gè)突破點(diǎn)。制動(dòng)力能量回收，就是對(duì)車(chē)輛在滑行和制動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生的制動(dòng)能量進(jìn)行回收并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)存的技術(shù)，其基本的原理就是在制動(dòng)過(guò)程中，使得電機(jī)處于一個(gè)反向逆過(guò)程，產(chǎn)生逆電動(dòng)勢(shì)，以一個(gè)發(fā)電機(jī)的工作模式給車(chē)載電池進(jìn)行充電。但是這個(gè)能量回收的過(guò)程需要始終保持在一個(gè)非常理想的制動(dòng)力與能量回收關(guān)系中，傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣的控制，能量回收的效率極低，幾乎達(dá)不到給電池充電的作用。然而隨著現(xiàn)在智能制動(dòng)助力器的出現(xiàn)，助力器上的電子控制單元可以和其他電子系統(tǒng)很好的配合，在整個(gè)過(guò)程中將汽車(chē)始終保持在最佳的能量回收區(qū)間，大大提高能量回收的效率。

此外，除了目前已經(jīng)推出的智能制動(dòng)助力器以外，各大汽車(chē)零部件廠(chǎng)也在全力開(kāi)發(fā)更新一代的助力器，德國(guó)大陸和采埃孚-天合就推出了集成度更好的第二代助力器，稱(chēng)作IBC。除了滿(mǎn)足現(xiàn)在智能助力器的功能，可以完全取代傳統(tǒng)真空助力器外，還集成了大家熟悉的電子穩(wěn)定系統(tǒng)，ABS和ESC功能。這樣的模塊化設(shè)計(jì)所帶來(lái)的好處不僅僅是擁有更集成化和小型化的設(shè)計(jì)，還能夠顯著的提高ABS和ESC的主動(dòng)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)榧稍O(shè)計(jì)，所有的制動(dòng)動(dòng)作都可以直接通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。

5 電子線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)

以上討論的所有研究和產(chǎn)品雖然方案不同，但原理上還是基于傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，只是在部分功能實(shí)現(xiàn)上結(jié)合了新能源汽車(chē)的特點(diǎn)，而推出的不同的解決方案。對(duì)于真正意義上改變傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的方案，可能就是業(yè)內(nèi)目前討論最多的電子線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)，EMB。 電子線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)的原理與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)完全不同，不再需要整車(chē)的液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，通過(guò)電子控制單元，直接給車(chē)輪輪轂端的制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。這樣的控制系統(tǒng)，在響應(yīng)速度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，可以做到小于100毫秒。這樣的響應(yīng)性能對(duì)于未來(lái)無(wú)人駕駛的安全性要求也有很大的幫助。此外，舍棄了傳統(tǒng)主缸、助力器等零部件，可以降低車(chē)重和成本，電子控制單元通過(guò)不同的控制模式集成，也很容易的可以實(shí)現(xiàn)各種ABS和ESC的功能，奧迪R8 e-tron就利用了電子線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)，不過(guò)只是在后輪使用。這是因?yàn)槟壳暗碾娮泳€(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)還存在著幾種缺陷。首先就是制動(dòng)力問(wèn)題，因?yàn)殡娮泳€(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)輪轂上的電機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的，輪轂的大小決定了可以選用的電機(jī)大小，而電機(jī)的大小又關(guān)系到電機(jī)的功率，功率的大小直接反映到制動(dòng)系統(tǒng)上就是制動(dòng)力的大小。所以基于目前輪轂和電機(jī)的限制，要想實(shí)現(xiàn)擁有制動(dòng)力非常大的電子線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)，是非常困難的，這也是為什么奧迪也只是在后輪應(yīng)用的原因。另外一個(gè)問(wèn)題就是對(duì)于汽車(chē)制動(dòng)可靠性來(lái)說(shuō)，需要整車(chē)擁有多備份的制動(dòng)方案，特別是對(duì)于電子系統(tǒng)，無(wú)論是電源系統(tǒng)還是通訊系統(tǒng)，都要求有多備份和高容錯(cuò)的設(shè)計(jì)，然而目前的電子線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源汽車(chē)和駕駛輔助及自動(dòng)駕駛的發(fā)展，對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的要求也會(huì)越來(lái)越高，基于當(dāng)前的技術(shù)條件和限制，現(xiàn)階段的解決方案還是更多地傾向于智能制動(dòng)助力器。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，由于電子線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，很可能會(huì)需要電子線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)與常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合的方案，同時(shí)滿(mǎn)足響應(yīng)速度和可靠性要求。這將會(huì)是未來(lái)汽車(chē)制動(dòng)零部件企業(yè)的主要研究方向和課題。