汽車線控制動(dòng)技術(shù)研究

張海山，伍星星，楊昭輝

摘 要：作為汽車制動(dòng)系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，分析線控制動(dòng)技術(shù)類型及研究現(xiàn)狀，闡述其功能特點(diǎn)和工作原理，并針對當(dāng)前熱門的I-EHB集成式線控制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)了敘述。通過分析：相較于傳統(tǒng)制動(dòng)技術(shù)，I-EHB集成式線控制動(dòng)技術(shù)在無人駕駛、再生制動(dòng)方面具有明顯優(yōu)勢，能更好地適應(yīng)不同工況下的車輛，具有廣泛的研究前景和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：線控制動(dòng);I-EHB;集成式;再生制動(dòng)

中圖分類號(hào)：U463.51 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-52-03

Research on brake by wire technology of vehicle

Zhang Haishan1， Wu Xingxing2， Yang Zhaohui3

（1.SAIC General Motors Wuling Automobile Co.， Ltd，. Guangxi Liuzhou 545007; 2.School of Mechanical andTransportation Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Guangxi Liuzhou 545006;.Lianchuang Automotive Electronics Co.， Ltd.， Shanghai 201806）

Abstract： As an important development direction of automobile braking system， the types and research status of brake by wire technology are analyzed， its functional characteristics and working principle are elaborated， and the currently popular integrated-brake by wire technology named I-EHB is described in detail.Compared with traditional brake technology， integrated-brake by wire technology named I-EHB have obvious advantages in automatic driving and regenerative braking by analyzing. It can better adapt to different working conditions of vehicles， and has a broad research prospects and application prospects.

Keywords： Brake by wire; I-EHB; Integrated; Regenerative braking

CLC NO.： U463.51 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-52-03

前言

科技進(jìn)步推動(dòng)汽車技術(shù)飛速發(fā)展，汽車質(zhì)量與性能大幅提高，我國汽車保有量也越來越大。車速的加快造成交通事故的增多，對人身安全造成了巨大的威脅。由此，汽車安全穩(wěn)定高效制動(dòng)正變得越來越重要。

汽車正向著智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、輕量化方向發(fā)展，以純電動(dòng)汽車和無人駕駛為代表的車型成為當(dāng)前汽車行業(yè)發(fā)展的主流。技術(shù)的升級(jí)提升了汽車性能，性能提升要求更安全穩(wěn)定高效制動(dòng)。但是傳統(tǒng)制動(dòng)技術(shù)體積大、響應(yīng)慢，無法適應(yīng)新型車輛的需求，不利于汽車輕量化[1]。線控制動(dòng)技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)制動(dòng)帶來的一系列問題，更為汽車制動(dòng)的快速發(fā)展帶來了新的契機(jī)與方向。

1 線控制動(dòng)技術(shù)簡介

1.1 線控制動(dòng)技術(shù)種類

線控制動(dòng)技術(shù)從航空技術(shù)領(lǐng)域引入，正被越來越多的供應(yīng)商和主機(jī)廠所重視。線控制動(dòng)取消了傳統(tǒng)制動(dòng)的真空單元，以電控模塊來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力，同時(shí)有著不小的體積優(yōu)勢。汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)目前主要分為電子液壓制動(dòng)（EHB）和電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）兩種[2]。

EMB系統(tǒng)采用電子控制，通過伺服電機(jī)直接作用于輪缸產(chǎn)生制動(dòng)力。由于取消了主缸、液壓管路等復(fù)雜的零部件結(jié)構(gòu)，制動(dòng)更迅速，制動(dòng)力的傳遞效率得到提升[3]。

EHB是將傳統(tǒng)液壓制動(dòng)技術(shù)的動(dòng)力源替換為電子控制系統(tǒng)，他取消了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中的真空供給部件和真空助力部件，用電子系統(tǒng)來提供動(dòng)力源[4-5]，同時(shí)保留了成熟的液壓部分，可以在電子助力失效時(shí)提供備用制動(dòng)，確保車輛安全。傳統(tǒng)車用12V電源即可驅(qū)動(dòng)EHB系統(tǒng)，無需設(shè)計(jì)新的供能系統(tǒng)[3，6]。

1.2 線控制動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)末開始，世界各主要制造商都對線控技術(shù)展開研究并取得了一定的階段性成果。進(jìn)入21世紀(jì)后，線控制動(dòng)的發(fā)展更加迅速，有些已經(jīng)裝備在量產(chǎn)車上。如大陸公司（Continental）的電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)MKC1，已小批量應(yīng)用在量產(chǎn)車上[7];博世公司成功開發(fā)出iBooster系統(tǒng)，并集成多種主動(dòng)安全配置，提升車輛安全性[1，8]。而在國內(nèi)，以清華大學(xué)、吉林大學(xué)為首的高校大多數(shù)僅僅是對線控制動(dòng)理論及控制方法的提出，實(shí)車試驗(yàn)及系統(tǒng)可靠性研究方面還較少[9]。其中吉林大學(xué)提出一種電子機(jī)械制動(dòng)，利用電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)方案制動(dòng)[10]。清華大學(xué)的王治中等提出了一種分布式電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，同濟(jì)大學(xué)的熊璐等人提出了雙動(dòng)力源電液制動(dòng)系統(tǒng)等，但目前均未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[11]。

2汽車線控制動(dòng)工作原理

2.1 EMB系統(tǒng)

EMB系統(tǒng)完全不同于傳統(tǒng)的真空助力液壓制動(dòng)系統(tǒng)，EMB作為純機(jī)械系統(tǒng)，使用控制模塊和伺服電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。EMB系統(tǒng)主要由踏板模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊等組成，系統(tǒng)有4套獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)，分別位于四個(gè)輪轂的輪缸處，并且配有獨(dú)立的控制器，以便實(shí)現(xiàn)四輪制動(dòng)力的獨(dú)立調(diào)節(jié)。

EMB系統(tǒng)的主控制器通過接收踏板位移傳感器的位移信號(hào)，以及整車其他ECU發(fā)出的車速信號(hào)、方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)等相關(guān)信號(hào)，分析后控制四個(gè)獨(dú)立的控制器向?qū)?yīng)的電機(jī)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)化為所需的制動(dòng)力，進(jìn)行制動(dòng)。車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，每個(gè)車輪制動(dòng)系統(tǒng)分配的制動(dòng)力不一樣，從而達(dá)到平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的目的。EMB系統(tǒng)由于沒有了液壓制動(dòng)管路的存在，避免的制動(dòng)液泄露的風(fēng)險(xiǎn)，有利于環(huán)保。同時(shí)由于是獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)，布局上更加靈活 [12]。但是由于制動(dòng)電機(jī)的增多以及功率的加大，12V電源無法滿足制動(dòng)需求，42V電源成為限制EMB發(fā)展的重要因素。同時(shí)由于沒有備用的制動(dòng)系統(tǒng)，安全性還有待提升[13]。

2.2 EHB系統(tǒng)

EHB系統(tǒng)不同于EMB系統(tǒng)，只用了一個(gè)伺服電機(jī)和一套控制器為系統(tǒng)提供動(dòng)力，取消了部分傳動(dòng)制動(dòng)部件，但保留了成熟的液壓部分。EHB系統(tǒng)目前主要有兩種：一種由液壓泵和高壓蓄能器提供動(dòng)力源（P-EHB）;另一種由電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)為動(dòng)力源（I-EHB），同時(shí)集成電控模塊。P-EHB系統(tǒng)獲取制動(dòng)信號(hào)后，向電動(dòng)液壓泵發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，將足夠的制動(dòng)液泵入高壓蓄能器，利用高速開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)。

I-EHB系統(tǒng)主缸液壓力由電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)提供，電機(jī)接收來自控制器的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)直接推動(dòng)主缸活塞對制動(dòng)主缸進(jìn)行建壓。相較于P-EHB，I-EHB結(jié)構(gòu)更加緊湊、響應(yīng)快速，更易于集成諸如EPB、ESP等多種主動(dòng)安全功能[14-15]，解耦單元使得整套系統(tǒng)靈活制定制動(dòng)方案，不僅節(jié)約了成本，更可縮短車輛的開發(fā)周期。

3 I-EHB系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

I-EHB系統(tǒng)是一種集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，不同于P-EHB系統(tǒng)的動(dòng)力源，而是以電機(jī)+減速機(jī)構(gòu)來代替，內(nèi)部集成電控模塊，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。圖1為Bosch公司的iBooster系統(tǒng)。

圖1 ?Bosch公司iBooster系統(tǒng)

3.1 I-EHB系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)

3.1.1 意圖獲取模塊

意圖獲取模塊主要有制動(dòng)踏板、踏板位移傳感器、踏板感覺模擬器等，制動(dòng)踏板經(jīng)過踏板位移傳感器將駕駛員所踩的制動(dòng)踏板位移信號(hào)發(fā)送給I-EHB的ECU。踏板感覺模擬器用來模擬真實(shí)狀態(tài)的腳感與路感。踏板和主缸之間完全解耦，腳感較輕，更便于能量回收。

3.1.2 分析控制模塊

分析控制模塊是整個(gè)線控制動(dòng)的核心，主要為I-EHB的ECU。ECU通過踏板獲取駕駛員的制動(dòng)意圖后，根據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出最佳制動(dòng)力，控制制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行。ECU由嵌入式芯片、信號(hào)采集及處理電路、通訊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、冗余電路及I/O口等組成。

3.1.3 液壓執(zhí)行模塊

分析控制模塊為線控制動(dòng)的執(zhí)行部分，包括伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)主缸等。伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與減速機(jī)構(gòu)連接，可直接使用傳統(tǒng)車載12V電源，減速機(jī)構(gòu)可增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的扭矩，獲得更大制動(dòng)力。伺服電機(jī)接收來自ECU的制動(dòng)信號(hào)，通過減速機(jī)構(gòu)推動(dòng)制動(dòng)主缸建壓。

3.2 I-EHB系統(tǒng)工作過程

I-EHB系統(tǒng)通過意圖獲取模塊、分析控制模塊、液壓執(zhí)行模塊等幾個(gè)模塊協(xié)調(diào)完成整個(gè)制動(dòng)過程，I-EHB系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制示意圖如圖2所示。

圖2 ?I-EHB系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制示意圖

在車輛正常工況下，I-EHB的ECU接收踏板位移傳感器從踏板采集的制動(dòng)力位移信號(hào)，以及其他外部ECU發(fā)出的方向盤轉(zhuǎn)角、輪速、橫擺角速度等信號(hào)，來獲取駕駛員的駕駛意圖，利用算法計(jì)算得出車輪所需的最佳制動(dòng)力。在制動(dòng)踏板與主缸完全解耦條件下，踏板感覺模擬器可以根據(jù)駕駛員的制動(dòng)動(dòng)作輸出線性的腳感同時(shí)反饋車輛制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出給伺服電機(jī)，電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)連接，通過減速機(jī)構(gòu)將電信號(hào)大小轉(zhuǎn)變?yōu)辇X條行程大小，推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞，最終完成建壓。制動(dòng)主缸液壓力信號(hào)將實(shí)時(shí)反饋給I-EHB的ECU，用于精確控制主缸壓力以及對制動(dòng)主缸保壓。

當(dāng)車輛處于緊急狀態(tài)下需要急?；蛘咧苿?dòng)系統(tǒng)電子助力失效時(shí)，如圖3所示，I-EHB提供備用機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。駕駛員快速緊急制動(dòng)，迅速克服系統(tǒng)內(nèi)部的解耦腔，此時(shí)制動(dòng)踏板推桿將直接作用于制動(dòng)主缸，主缸液壓力大小直接由制動(dòng)踏板提供，一定程度上保證緊急情況下的制動(dòng)安全。

圖3 ?I-EHB系統(tǒng)助力失效制動(dòng)示意圖

3.3 I-EHB系統(tǒng)控制方法

在傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中，主缸液壓力完全來自制動(dòng)踏板推進(jìn)的深度，因此，制動(dòng)時(shí)無法精確控制主缸液壓力。對于駕駛新手來說，駕駛經(jīng)驗(yàn)不足不僅影響車輛制動(dòng)感覺，更影響車輛在緊急狀況下整車制動(dòng)的安全性。I-EHB系統(tǒng)由于采用了電控單元，同時(shí)制動(dòng)踏板與主缸活塞之間完全解耦，使得主缸液壓力控制更加迅速與精確。對于I-EHB系統(tǒng)主缸液壓力的控制，實(shí)際上就是對伺服電機(jī)的控制，利用ECU根據(jù)相應(yīng)的控制算法計(jì)算駕駛員需要的最佳制動(dòng)力，將最佳制動(dòng)力轉(zhuǎn)化為電機(jī)的電流信號(hào)或者命令力矩，從而完成主缸的建壓。

圖4 ?PID控制策略圖

如圖4所示，對以電動(dòng)機(jī)+減速機(jī)構(gòu)為動(dòng)力源的I-EHB系統(tǒng)的控制算法，大多以閉環(huán)反饋控制為主。在閉環(huán)控制中，比例積分微分控制（PID控制）是一種最常用的控制方法，同時(shí)可通過參數(shù)整定變化多種控制結(jié)構(gòu)，獲得不同的控制效果。運(yùn)用在I-EHB系統(tǒng)中的主要控制思路是通過液壓力傳感器將主缸液壓力實(shí)時(shí)反饋給ECU，將ECU計(jì)算出的期望主缸液壓力和輸出的實(shí)際主缸液壓力進(jìn)行對比，然后將二者之間的偏差值利用ECU中設(shè)好的PID算法對其整定，輸出一個(gè)最合適的量給電機(jī)，對主缸液壓力進(jìn)行補(bǔ)償。

4 結(jié)論

隨著線控制動(dòng)的不斷發(fā)展與技術(shù)完善，已逐漸成為汽車新技術(shù)發(fā)展的主流。相較于傳統(tǒng)制動(dòng)方式，線控制動(dòng)技術(shù)有著不可替代的優(yōu)勢，大大提高了車輛的安全性和舒適性。I-EHB系統(tǒng)作為新型電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，對其進(jìn)行研究不僅能進(jìn)一步提高汽車的制動(dòng)性能，還有利于無人駕駛汽車智能化程度的發(fā)展，為更多的車輛電控系統(tǒng)的理論研究與應(yīng)用奠定了寶貴的基礎(chǔ)。

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