電子制動助力器的發(fā)展研究與應(yīng)用

摘 要：隨著電動化趨勢在全球范圍內(nèi)加速，中國汽車行業(yè)在未來數(shù)年面臨復(fù)雜的市場格局和持續(xù)的轉(zhuǎn)型壓力。自動駕駛、電動汽車、共享出行等概念的興起，預(yù)示著汽車行業(yè)的未來方向。智能汽車不僅便捷我們的出行方式，還將深刻影響城市規(guī)劃、能源消耗乃至社會結(jié)構(gòu)。底盤制動系統(tǒng)作為提升車輛性能和智能化水平的關(guān)鍵部件，已成為推動行業(yè)進步的共識和必然發(fā)展方向。傳統(tǒng)制動系統(tǒng)設(shè)計受限于結(jié)構(gòu)、整車空間布局及其能量來源不滿足智能化、電動化汽車發(fā)展需求，因此研究新能源汽車電子制動助力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)迫在眉睫。

關(guān)鍵詞：電子制動助力器 機械解耦 電動汽車

2020年9月22日，中國首次提出“雙碳”目標(biāo)，努力爭取2030年前實現(xiàn)目標(biāo)-碳達峰，同時全力以赴力爭在2060年前實現(xiàn)目標(biāo)-碳中和。近年來，全國各領(lǐng)域、各行業(yè)不斷夯實節(jié)能減排基礎(chǔ)、壓實綠色發(fā)展任務(wù)，“雙碳”目標(biāo)已經(jīng)成為引領(lǐng)中國高質(zhì)量發(fā)展的綠色引擎。在“雙碳”和汽車“新四化”（電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化）目標(biāo)的不斷推動下，汽車底盤關(guān)鍵零部件也發(fā)生著巨大的變革，尤其是制動系統(tǒng)技術(shù)已然成為各大院校、供應(yīng)商、主機廠研究熱點。

1 EBS概述

1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外相關(guān)高校與科研機構(gòu)的專家學(xué)者對汽車電子制動助力器（Electronic Brake Booster，EBS）的研究由來已久，2002年戴克集團和以研發(fā)汽車電控聞名的德國博世公司聯(lián)合推出集成了電子控制系統(tǒng)和電液制動力增壓器的制動系統(tǒng)[1]。2008年博世公司推出HAS-HEV，并將其應(yīng)用于歐洲的混動車型中。2010年日本日立公司推出一種解耦式電子機械制動助力機構(gòu)e-ACT[2]。2013年博世公司推出iBooster 第一代產(chǎn)品，2016年推出iBooster第二代產(chǎn)品[3]。

目前國內(nèi)高校和汽車零部件供應(yīng)商對電子制動助力器的研究相對較晚，由于技術(shù)、資金等原因大多停留在小批量生產(chǎn)中，尚未投入大規(guī)模生產(chǎn)。2012年朱為國等人[4]建立輪式汽車制動的力學(xué)模型，利用工程仿真軟件 MATLAB中的Simulink模塊，建立輪式汽車制動的仿真模型，將某車型的參數(shù)代入仿真軟件進行數(shù)值模擬仿真。2012年浙江亞太機電提出一種采用電磁結(jié)構(gòu)的多腔新型制動主缸來替代傳統(tǒng)真空助力器制動主缸[5-6]。2013年北京航空航天大學(xué)高峰等人[7]研制出了一種新型電動助力制動系統(tǒng)。2014年王梅俊等人[8]以汽車制動器為例，將制動時間、質(zhì)量和溫升等目標(biāo)作為博弈方進行設(shè)計，提高了制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2016年上海匯眾汽車制造有限公司提出了一種包含電動制動助力耦合裝置的電動助力制動系統(tǒng)[9]，兩者的傳動機構(gòu)都采用滾珠絲杠，伺服力和人力都是通過反饋盤進行耦合；不過，浙江亞太采用的是直流電機。

1.2 EBS的基本結(jié)構(gòu)

目前市面上已量產(chǎn)了多種電子液壓制動助力系統(tǒng)各具特色，但基本機構(gòu)都相差無幾。大體上電子液壓制動系統(tǒng)共分成4大部分：制動踏板單元、液壓驅(qū)動單元、制動執(zhí)行單元、控制系統(tǒng)[10]。

制動踏板單元包含制動踏板、制動踏板開關(guān)、踏板模擬器等，可通過踏板模擬器中不同剛度彈簧的搭配，實現(xiàn)不同踏板感覺和踏板力的調(diào)整，為駕駛員提供舒適的制動踏板感覺。同時通過采集踏板位移傳感器信號，通過標(biāo)定踏板位移與液壓力的關(guān)系曲線，識別駕駛員請求的制動目標(biāo)壓力。

液壓驅(qū)動單元包括“電機+渦輪蝸桿減速機構(gòu)”。為滿足法規(guī)失效減速度2.44m/s2，電動汽車制動主缸最大建壓能力需要超過150bar，因此在將電機作為液壓壓力動力來源的電子液壓制動系統(tǒng)中，均需要加裝減速增扭裝置，以減小電機轉(zhuǎn)速增大最大輸出轉(zhuǎn)矩的目的，進而在一定程度上減小優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本。

制動執(zhí)行單元包括主缸，液壓管路，輪缸等。這些機構(gòu)跟傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)保持一致，將推動主缸的推力轉(zhuǎn)化成制動器的液壓力，最后通過摩擦力作用在制動盤上產(chǎn)生相應(yīng)的制動力矩[11]。

控制系統(tǒng)包括電子控制單元、液壓力控制單元、液壓力傳感器、踏板位移傳感器以及踏板力傳感器。ECU通過PTS傳感器解析駕駛員踩下制動踏板時的行程，將位移信號轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給控制器并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生制動壓力。HCU通過液壓力傳感器實時反饋液壓力作為控制算法的輸入量，向液壓控制模塊的進出液電磁閥發(fā)送PWM控制信號，精確調(diào)節(jié)制動壓力，使車輛實現(xiàn)平穩(wěn)、高效的制動。

1.3 EBS的工作原理

電子制動助力器主要基于驅(qū)動電機和踏板位移傳感器來工作。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，踏板位移傳感器會檢測踏板的位置和運動速度，并將這些信號傳送給電子控制單元（ECU）。ECU根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和車輛的行駛狀態(tài)，計算出所需的制動力，然后驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。電機通過傳動機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，推動制動主缸活塞，從而產(chǎn)生制動壓力，實現(xiàn)精確且高效的制動助力。（圖1）

2 EBS與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的比較

2.1 傳統(tǒng)真空助力器工作原理

傳統(tǒng)真空助力器主要由真空伺服氣室和控制閥組成。制動時，踏板力通過推桿推動控制閥，使真空伺服氣室右腔與大氣相通，左腔仍保持真空，從而產(chǎn)生壓力差，推動膜片帶動推桿助力制動主缸活塞運動，實現(xiàn)對制動踏板力的放大，幫助駕駛員更輕松地制動車輛。（圖2）

2.2 傳統(tǒng)真空助力器缺點

2.2.1 硬件方面

（1）體積大、質(zhì)量重不利于車輛空間布局與輕量化設(shè)計。

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、增加成本與難度。

（3）若涉及更改硬件，開發(fā)周期長，費用高。

（4）真空助力器配ESC主動制動壽命短。

2.2.2 功能方面

（1）依賴發(fā)動機產(chǎn)生真空源，占用整車空間大，布置困難，不適應(yīng)新能源汽車發(fā)展。

（2）MVP、EVP需要發(fā)動機額外做功導(dǎo)致車輛油耗增加。

（3）踩踏板建壓過程中真空助力器噪音大。

（4）真空助力器配ESC制動響應(yīng)慢、動力不穩(wěn)定（尤其是高原空氣稀薄地方）、舒適性差。

（5）不支持能量回收及長時間無人駕駛。

（6）不支持踏板調(diào)節(jié)，駕駛體驗差。

2.3 EBS方案優(yōu)點

（1）電子制動助力器滿足制動系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。具有建壓響應(yīng)快（≤250ms）、穩(wěn)定性強、安全性高（≥160萬次）等特性，進一步增強了駕駛員對更加復(fù)雜駕駛場景的駕馭，幫助車輛獲得更高的減速度，減小制動距離。

（2）EBS配備有制動感覺切換功能，用戶可以體驗真實踏板感，能夠滿足不同駕駛風(fēng)格的制動體驗。EBS設(shè)置有三擋制動感覺可供駕駛員選擇，分為舒適（Comfortable）、正常（Normal）、運動（Sport）三種制動模式。在駕駛員踩下相同踏板位移時，三種制動感覺所對應(yīng)的制動助力大小有所不同。駕駛員可以通過中控顯示屏選擇合適的制動助力模式。（圖3）

（3）EBS具有能量回收功能。目前絕大多數(shù)新能源汽車（如：五菱星光S、云海、繽果、哪吒X等）為了降低能耗、提高續(xù)駛里程，通過驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)再生制動的特性，電子助力制動器可配備傳統(tǒng)ABS/ESC、獨立實現(xiàn)能量回收、可回收90%以上的能量。

（4）線控制動是實現(xiàn)智能駕駛的重要功能。EBS控制器通過CAN總線得到外部制動請求、制動目標(biāo)并得知處于線控制動模式，通過控制電機帶動蝸輪蝸桿、齒輪齒條減速機構(gòu)使得齒條向前運動，齒條對主缸施力后，對主缸液路建壓，由液壓管路將制動液輸送至卡鉗活塞，進而推動卡鉗夾緊制動盤完成制動過程。

（5）不受發(fā)動機約束。傳統(tǒng)真空助力器依賴發(fā)動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生真空，發(fā)動機熄火或怠速時，真空度不足會導(dǎo)致助力減弱或消失，影響制動性能。電子制動助力器有獨立電源，不依賴發(fā)動機工況，即使發(fā)動機熄火也能正常提供制動助力，保證制動可靠性，尤其在啟停頻繁的城市駕駛中優(yōu)勢明顯。

（6）良好的NVH。借助先進的電子控制算法和傳感器反饋，精確控制EBS系統(tǒng)的制動壓力調(diào)節(jié)和部件動作，從制動踏板到車輪制動分泵，整個制動執(zhí)行過程平穩(wěn)、柔和，減少因控制不當(dāng)導(dǎo)致的壓力突變和振動使車身、底盤等部位產(chǎn)生不必要的抖動，保證駕乘舒適性。

3 EBS發(fā)展前景

隨著汽車行業(yè)智能化、電氣化不斷發(fā)展，傳統(tǒng)真空助力器已經(jīng)不滿足市場需求，加之消費者對車輛制動性能的要求越來越高，固新型制動系統(tǒng)—電子液壓制動開發(fā)升級顯得尤為重要。EBS系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)真空助力器在新能源汽車上真空度不足的問題，同時提高制動響應(yīng)速度，增加動力穩(wěn)定性、舒適性，除此之外電子助力制動器還提高了能量回收效率，延長電動車的續(xù)航里程。隨著新能源汽車的普及，EBS的需求將持續(xù)增長。據(jù)統(tǒng)計2024年上半年，中國乘用車EBS前裝搭載率已達到45.8%，其中新能源車的EBS裝配率遠超燃油車。隨著智能駕駛技術(shù)的成熟，EBS的滲透率將突飛猛進。

4 結(jié)語

綜上所述電子制動助力器憑借其精確的控制性能、高效的能量利用以及與智能駕駛系統(tǒng)的良好兼容性，在現(xiàn)代汽車制動領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。研究深入剖析其工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)以及優(yōu)勢，為相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。未來隨著汽車智能化、電動化進程的加速，電子制動助力器有望在更廣泛的場景中發(fā)揮關(guān)鍵作用，持續(xù)推動汽車安全與性能的提升。

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