淺談制動系統在新能源汽車上的應用和發展

包丹丹

采埃孚集團天合亞太有限公司 上海市 200233

1 引言

在如今的傳統燃油車上，剎車制動系統主要通過駕駛員對制動踏板的操作，然后力傳導到后續的真空助力器并且被放大，使得制動泵的液壓力可以傳遞和分配到汽車各個制動輪上的制動器，最終產生制動摩擦力，達到制動減速的效果。這其中真空助力器的真空源就是通過汽車發動機進氣歧管來提供的，然而隨著新能源汽車的推行和發展，汽車不再過度依賴發動機，甚至發動機完全被電機取代，導致汽車失去了真空來源，整個傳統汽車制動系統就無法在新能源汽車上實現。為了解決這個問題，目前許多制動系統零部件企業紛紛推出各種解決方案，比較主流的有這幾種：電子真空泵替代發動機產生真空源；智能化助力器替代整個真空助力器；分布式制動系統替代整個傳統制動系統。

2 傳統汽車制動系統

汽車的制動系統原理和所有其他輪式運動機構的制動原理一樣，通過壓力產生摩擦，利用摩擦力使得滾動的車輪停止。壓力或者說制動力的源頭是通過駕駛員對剎車踏板的操作來產生的，但是由于汽車制動所需要的制動力非常的大，往往無法只靠人力來直接產生，所以需要助力器來將制動踏板的力放大。傳統燃油車利用發動機的進氣岐管來產生一個穩定可靠的真空環境，然后將駕駛員對制動踏板的制動力通過真空傳遞到制動泵，再由制動泵產生液壓實現對車輪的制動力。這里的真空環境和制動力傳遞機構就是整車制動系統里非常重要的一個部件，真空助力器。

真空助力器對駕駛員有著非常大的輔助制動作用，一旦失效或者工作異常，駕駛員在踩制動踏板時就會遇到非常大的阻力，甚至無法制動。因此當前許多整車廠都有各種方案來保證真空助力器的可靠工作，比如更加穩定可靠的真空環境，比如設置或者追加額外的外部獨立真空泵來確保真空度并且可以彌補真空助力器工作時可能發生的失效。

但是新能源汽車的出現，對傳統制動系統帶來了非常大的沖擊，特別是真空助力器的部分。由于新能源汽車的動力系統不再是傳統的發動機，而是被電機取代，沒有了真空源，該如何來保證制動助力呢？

3 電子真空泵

我們在上面提到了新能源汽車對傳統制動系統的影響，為了解決這個問題，無非是兩種，一種就是完全摒棄現有的傳統剎車制動系統，不再依靠現在的制動結構，不再需要真空助力，通過研發全新的制動控制技術，設計出可靠的制動系統；另一種則是致力于解決“真空”問題或者助力器的問題，通過尋找其他的真空源或者替代介質，來實現助力器的作用和工作。前者屬于全新的設計研發，周期長投入大，往往需要大量的時間和精力。而后者利用現有的基礎結構做改進，無論從研發難度，還是研發時間成本上，都是目前比較理想的一種過渡方法。

目前最簡單和直接的方法就是利用車上外部的真空泵來實現，外部真空泵將不再作為輔助真空泵工作，而是完全替代現在發動機所產生的真空源。典型的外部真空泵就是電子真空泵，當傳感器感知到真空助力器里的真空度不足時，就會啟動并工作。這樣的方案最大的優勢在于可以幾乎完全保留現有的制動系統結構，原有的真空助力器和相關的管路都不需要變動，只是需要將保持真空環境的相關接口從發動機的進氣歧管變換到外部真空泵上，利用外部真空泵維持真空環境，剩下的制動工作則與傳統制動系統完全一樣。

由于上述方案的改動小，特別是底盤部分，國內大多數沿用傳統燃油車底盤改造的新能源汽車，幾乎都是采用的這個方案。雖然這個方案難度低，風險小，但是電子真空泵在工作的時候往往會產生非常大的噪音，除此之外，電子系統的工作穩定性和壽命都不能很好的滿足整車可靠性的要求。所以為了解決這些缺點，我們需要能夠研發出更加合理可靠的方案。

4 智能制動助力器

作為汽車零部件的領先企業博世公司，就最先推出了一套全新的智能制動助力器，稱為iBooster。從整個結構上替代了傳統的真空助力器，不再依賴真空源，而是利用電控的方式來實現制動力的助力輔助。而行業的競爭對手德國大陸和采埃孚-天合也基于同樣的設計方案，開發了相關的產品。

這套方案簡單來說，就是利用一個全新的由電子控制單元和電機驅動機構組成的助力器將傳統的真空助力器替代，駕駛員對剎車踏板的制動力通過推桿機構傳遞給這個新的助力器，而助力器通過內部轉載的踏板位置傳感器檢測到踏板的變化，通過預設的算法計算并轉換成相應的電機執行動作，產生助力傳遞到制動主缸，并通過后續的液壓回路實現最終的制動。

這樣的設計從源頭擺脫了真空源的要求，不僅解決了現有電子真空泵帶來的噪聲大，壽命短的缺陷，由于電機控制的關系，還能夠和其他的電子控制系統結合，提供更加全面的制動控制，這其中最重要的一個應用就是制動力能量回收。我們都知道，新能源汽車大量的使用電能來實現低排放和低油耗的標準，這就對電池續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各種工況來給電池充電就成了另外一個突破點。制動力能量回收，就是對車輛在滑行和制動的過程中產生的制動能量進行回收并轉變為電能儲存的技術，其基本的原理就是在制動過程中，使得電機處于一個反向逆過程，產生逆電動勢，以一個發電機的工作模式給車載電池進行充電。但是這個能量回收的過程需要始終保持在一個非常理想的制動力與能量回收關系中，傳統的制動系統完全無法實現這樣的控制，能量回收的效率極低，幾乎達不到給電池充電的作用。然而隨著現在智能制動助力器的出現，助力器上的電子控制單元可以和其他電子系統很好的配合，在整個過程中將汽車始終保持在最佳的能量回收區間，大大提高能量回收的效率。

此外，除了目前已經推出的智能制動助力器以外，各大汽車零部件廠也在全力開發更新一代的助力器，德國大陸和采埃孚-天合就推出了集成度更好的第二代助力器，稱作IBC。除了滿足現在智能助力器的功能，可以完全取代傳統真空助力器外，還集成了大家熟悉的電子穩定系統，ABS和ESC功能。這樣的模塊化設計所帶來的好處不僅僅是擁有更集成化和小型化的設計，還能夠顯著的提高ABS和ESC的主動制動響應時間，因為集成設計，所有的制動動作都可以直接通過制動系統來執行。

5 電子線控制動系統

以上討論的所有研究和產品雖然方案不同，但原理上還是基于傳統的制動系統，只是在部分功能實現上結合了新能源汽車的特點，而推出的不同的解決方案。對于真正意義上改變傳統制動系統的方案，可能就是業內目前討論最多的電子線控制動系統，EMB。 電子線控制動系統的原理與傳統制動系統完全不同，不再需要整車的液壓系統來實現制動，通過電子控制單元，直接給車輪輪轂端的制動執行機構進行控制，實現制動。這樣的控制系統，在響應速度上要遠遠高于傳統的制動系統，可以做到小于100毫秒。這樣的響應性能對于未來無人駕駛的安全性要求也有很大的幫助。此外，舍棄了傳統主缸、助力器等零部件，可以降低車重和成本，電子控制單元通過不同的控制模式集成，也很容易的可以實現各種ABS和ESC的功能，奧迪R8 e-tron就利用了電子線控制動系統，不過只是在后輪使用。這是因為目前的電子線控制動系統還存在著幾種缺陷。首先就是制動力問題，因為電子線控制動系統是通過輪轂上的電機結構實現制動的，輪轂的大小決定了可以選用的電機大小，而電機的大小又關系到電機的功率，功率的大小直接反映到制動系統上就是制動力的大小。所以基于目前輪轂和電機的限制，要想實現擁有制動力非常大的電子線控制動系統，是非常困難的，這也是為什么奧迪也只是在后輪應用的原因。另外一個問題就是對于汽車制動可靠性來說，需要整車擁有多備份的制動方案，特別是對于電子系統，無論是電源系統還是通訊系統，都要求有多備份和高容錯的設計，然而目前的電子線控制動系統，無法實現。

6 結語

隨著新能源汽車和駕駛輔助及自動駕駛的發展，對于制動系統的要求也會越來越高，基于當前的技術條件和限制，現階段的解決方案還是更多地傾向于智能制動助力器。但從長遠的發展趨勢，由于電子線控制動系統的優勢，很可能會需要電子線控制動系統與常規制動系統結合的方案，同時滿足響應速度和可靠性要求。這將會是未來汽車制動零部件企業的主要研究方向和課題。