用于電動化及智能化汽車的電動助力制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢研究

孫昂 陳捷 郝雨

（1.吉林大學(xué)，長春 130023；2.中國第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長春 130011；3.一汽-大眾汽車有限公司；長春 130011）

主題詞：智能化 電動助力制動 線控 電動化

1 研究背景與意義

近年來，隨著汽車智能化和電動化技術(shù)的迅速發(fā)展，對汽車制動系統(tǒng)提出了更高的要求，不僅要求制動系統(tǒng)具備足夠的制動效能，還要具備更快的響應(yīng)速度、更精確的制動壓力控制和主動制動能力。同時在電動及混動車型上，還需要具備一定的解耦能力，能夠配合再生制動，提高制動能量回收效率以增加電動汽車的續(xù)航里程。而傳統(tǒng)的真空助力制動系統(tǒng)采用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管或者電動真空泵提供真空源，本質(zhì)上是非線控系統(tǒng)，其各項性能難以滿足汽車電動化和智能化發(fā)展對制動系統(tǒng)提出的上述要求，因此各種新型電動助力制動系統(tǒng)應(yīng)運而生。

電動助力制動系統(tǒng)是汽車智能化發(fā)展過程中的一種重要選擇[1]。電動助力制動系統(tǒng)由于采用電機(jī)或高壓進(jìn)行助力，且有獨立的ECU及控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)可以實現(xiàn)主動制動，也可以作為自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control，ACC）、自動緊急制動系統(tǒng)（Autonomous Emergency Brake，AEB）等汽車智能輔助駕駛的重要底層執(zhí)行器，是汽車智能化技術(shù)的基礎(chǔ)，在L3級以上自動駕駛技術(shù)中扮演著階段性的主要角色。

電動助力制動系統(tǒng)是汽車電動化過程中制動系統(tǒng)發(fā)展的主流發(fā)展趨勢。近年來，以純電動汽車為代表的新能源汽車迅速發(fā)展，提高汽車的續(xù)航里程成為重要研究方向。為提高續(xù)航能力，制動能量回收技術(shù)是純電動汽車發(fā)展中重要的技術(shù)選項，同時需要與制動系統(tǒng)集成，保證能量回收效率和駕駛員使用踏板的良好體驗[2]，其技術(shù)要求制動輪缸與制動踏板的實時解耦，而這樣的技術(shù)在真空助力器則無法實現(xiàn)。

電動助力制動系統(tǒng)開發(fā)是企業(yè)自主研發(fā)底盤核心技術(shù)之一，中國是汽車產(chǎn)銷最大的國家，像電動制動系統(tǒng)這樣的零部件核心技術(shù)被國際大零部件巨頭掌握。自2004年以來，BOSCH、Nissan等開始陸續(xù)進(jìn)入國內(nèi)，配套對應(yīng)的合資品牌以及部分自主品牌；本土企業(yè)（如上海匯眾及亞太電機(jī)等）的實力近年雖有長足進(jìn)步，但整體而言還比較弱，在產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)上，還無法達(dá)到國外企業(yè)的先進(jìn)水平，商用車ABS配套仍以威伯科一家獨大。因此，在新的汽車發(fā)展趨勢和發(fā)展環(huán)境中，應(yīng)大力發(fā)展我國自己的電動助力制動系統(tǒng)及其控制方法，不斷提高自主品牌的技術(shù)水平和市場份額。在汽車電動化的趨勢之下，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車電動助力制動核心技術(shù)是必然的途徑，是提升自主產(chǎn)品競爭力的重要舉措之一[3]。

2 國外技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

國外在電動助力制動系統(tǒng)方面研究起步較早，成果也相對較豐富，已出現(xiàn)很多投入使用的量產(chǎn)產(chǎn)品。

2.1 濕式EHB系統(tǒng)

電控液壓制動系統(tǒng)（Electronic Hydraulic Brake，EHB）是在真空助力制動系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該系統(tǒng)結(jié)合線控技術(shù)，電控液壓系統(tǒng)取代真空助力器，可以實現(xiàn)制動、防滑、制動力分配等功能，特別是可以集成制動能量回收，在新能源汽車產(chǎn)品上，具有廣泛應(yīng)用前景。采用高壓蓄能器提供高壓源的博世公司的EHB系統(tǒng)是典型的濕式EHB系統(tǒng)（見圖1），EHB液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

在博世的EHB系統(tǒng)中，仍保留傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)的車輪制動器、輪缸和制動主缸，在正常工作時，制動器（制動輪缸）踏板獨立工作，完全解耦。EHB系統(tǒng)具有一定的失效備份功能[6]，即當(dāng)系統(tǒng)失效時，駕駛員踩下踏板時，系統(tǒng)會自動啟動液壓制動的主缸、輪缸，最后將制動力傳遞到制動器，完成制動過程。

圖2 EHB液壓系統(tǒng)圖[5]

2.2 博世公司eBKV

早在1999年，大眾在開發(fā)純電動車過程中，就想采用電機(jī)直接推動主缸的設(shè)計，博世為大眾開發(fā)了eBKV系統(tǒng)。但由于德國電機(jī)工業(yè)當(dāng)時無法完全滿足大眾的需求，因此采取了妥協(xié)的設(shè)計，繼續(xù)使用高壓蓄能器彌補(bǔ)電機(jī)能量的不足，但是與濕式EHB不同的是，推動制動主缸的是電機(jī)。大眾將這套系統(tǒng)稱之為eBKV，2009年首次在大眾E-UP上使用，保時捷911Spyder也曾搭載此系統(tǒng)。

eBKV的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖可知，eBKV由電子助力器、主動存貯裝置和ESC三個主要部分組成。

eBKV有三個工作階段，如圖4所示。開始階段，液壓制動（綠色）和電機(jī)助力（紅色）制動混合運行；中間階段，電機(jī)獨立運行；第三階段，當(dāng)汽車將制動至停駛，液壓制動和電機(jī)助力制動混合運行。在整個制動過程中，液壓制動和電機(jī)制動協(xié)調(diào)配合，保證總體制動強(qiáng)度恒定（藍(lán)色）。

當(dāng)車輛處于再生制動模式時，為實現(xiàn)踏板解耦，由踏板和電機(jī)閥體推出的制動液必須有裝置存儲，eBKV中配備有主動存貯裝置（Aktive Speicher），如圖5、圖6所示。主動存儲裝置用以存儲推出的制動液，并在需要液壓制動介入時，按需求重新導(dǎo)出制動液[7][8]。

圖3 eBKV結(jié)構(gòu)圖[7]

圖4 制動方式切換[7]

圖5 主動存儲裝置[7]

圖6 eBKV電動助力器[7]

2.3 日立公司e-ATC

濕式EHB系統(tǒng)過于復(fù)雜，響應(yīng)時間略長，高壓蓄能器怕振動，可靠性不高，體積大，成本高，維修費用昂貴（奔馳E級、SL級、CLS級更換一個SBC需要20 000元人民幣）。

干式EHB的原理很簡單，之所以出現(xiàn)較晚，是因為汽車對制動系統(tǒng)的可靠性要求極高，必須留出足夠的性能冗余。最大的難點在于電機(jī)，要求電機(jī)體積較小，轉(zhuǎn)速很高（超過10 000 r/min），同時扭矩很大，散熱又要好。電機(jī)的減速器也是難點，要求很高的加工精度，并且要和主缸液壓系統(tǒng)做系統(tǒng)優(yōu)化。因此直到2011年，日本日立公司才推出了全球第一個干式EHB，也就是e-ATC（圖7、圖8），并成功應(yīng)用在日產(chǎn)聆風(fēng)Leaf和英菲尼迪M車型上[6][7][9]。

圖7 e-ATC的結(jié)構(gòu)圖[10]

圖8 e-ATC的實物圖[11]

2.4 博世公司iBooster

2013年博世發(fā)布了電子機(jī)械制動助力裝置—第一代iBooster，該裝置采用電機(jī)推動主缸，去掉了高壓蓄能器。特斯拉全線使用了第一代iBooster，還有大眾全部的新能源車、保時捷918、凱迪拉克的CT6以及雪佛蘭Bolt EV都使用了第一代iBooster。該機(jī)構(gòu)具有主動制動，失效備份，與再生制動系統(tǒng)配合工作，助力比可變，實現(xiàn)汽車智能輔助駕駛等多種功能，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 博世公司第一代iBooster結(jié)構(gòu)圖[11]

第一代iBooster集成了電機(jī)與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，結(jié)合傳感器與ECU，改變運動方向，推動助力閥體，與踏板推桿一起推動主缸活塞，建立制動壓力。第二代iBooster改進(jìn)了傳動方案，使系統(tǒng)集成化程度更高。

iBooster可根據(jù)制動特性曲線調(diào)整踏板感覺以適應(yīng)不同汽車生產(chǎn)商及一些特定品牌的要求。iBooster可以在各裝配廠進(jìn)行快速方便的重新編程，實現(xiàn)助力比可變，如圖10、圖11所示。這讓汽車廠商可以為車輛匹配各種不同的駕駛風(fēng)格和駕駛模式，駕駛員可自主選擇偏舒適或者偏運動風(fēng)格的制動感覺。

圖10 多種駕駛風(fēng)格[12]

圖11 第二代iBooster[12]

2.5 大陸公司MK-C1

德國大陸汽車電子公司首先將干式EHB和ESC、ABS集成到同一個制動系統(tǒng)里，推出產(chǎn)品MK-C1，并且相比于iBooster，MK-C1具備更強(qiáng)的駕駛員踏板感調(diào)節(jié)能力，見圖12、圖13。

MK-C1的工作原理和iBooster的工作原理相近，MK-C1系統(tǒng)助力利用無刷電機(jī)直接驅(qū)動主缸，采用滾珠絲杠傳動，利用Simulator Actuator模擬踏板感覺。但MK-C1具有更高的集成度，在起到制動助力的同時，也將ABS/ESC的相關(guān)部件都集成到了屬于one-box-system。阿爾法羅密歐的Guilia是首先搭載MK-C1系統(tǒng)的量產(chǎn)車。MK-C1集失效備份、主動制動、再生制動與解耦功能于一體，與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)比，該系統(tǒng)功能集成度高，因此結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量都大大減少[8][13]。

圖12 MK-C1實物[14]

圖13 MK-C1輕量化[14]

類似的集成化電子液壓制動系統(tǒng)還有美國ZF TRW公司的集成化制動控制IBC系統(tǒng)[15][16]，美國LSP公司的集成化智能制動系統(tǒng)IBS[10][17]。

2.6 電子機(jī)械制動系統(tǒng)（EMB）

上世紀(jì)90年代，歐洲著名的零部件公司將用于飛機(jī)的EMB （Electromechanical Braking System）系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，一些設(shè)計已經(jīng)用于汽車產(chǎn)品上，沒有大批量應(yīng)用的原因是成本高的問題，圖14是博世公司的EMB系統(tǒng)。

圖14 Bosch公司EMB系統(tǒng)[18]

3 國內(nèi)技術(shù)研究及發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)在EHB系統(tǒng)和EMB系統(tǒng)方面的研究起步較晚，目前主要還停留在理論和試驗研究階段。清華大學(xué)、吉林大學(xué)以及同濟(jì)大學(xué)等高校等做了相關(guān)研究。

3.1 吉林大學(xué)研發(fā)的電子機(jī)械制動系統(tǒng)

吉林大學(xué)專利“具有人力放大作用的線控及助力復(fù)合功能的制動系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)（CN 104709263 A）如圖15所示。

圖15 具有人力放大作用的線控及助力復(fù)合功能的制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[19]

該系統(tǒng)按照踏板行程的不同，可分為多種工作模式：小行程線控制動模式、中等行程制動模式、大行程放大助力制動模式。基于踏板行程大小，電子控制單元控制電磁閥通斷，從而供給不同大小的制動助力。在小行程線控制動時，踏板主缸和制動踏板完全解耦，制動力由電機(jī)直接推動主缸或者再生制動產(chǎn)生。中等行程制動時，電機(jī)助力與人的踏板力共同推動主缸建立制動壓力。繼續(xù)增大踏板行程，進(jìn)入大行程放大助力制動模式，控制電磁閥將人力缸前腔與主缸相連，根據(jù)帕斯卡原理放大駕駛員踏板力所建立的壓力。該系統(tǒng)還同時具備主動制動和失效備份的功能[19][20]。

3.2 同濟(jì)大學(xué)I-EHB系統(tǒng)

同濟(jì)大學(xué)自主開發(fā)了一款電動助力制動系統(tǒng)（CN 104787020），并將其命名為I-EHB，其基本結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 I-EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[21]

當(dāng)I-EHB處于常規(guī)制動模式時，常開電磁閥Valve 1通電關(guān)閉，常閉電磁閥Valve 2通電打開。駕駛員踩下制動踏板，次級主缸Secondary cylinder中的制動液不進(jìn)入儲液罐Reservoir，而是進(jìn)入踏板感覺模擬器PFE中，以使駕駛員獲得良好的踏板感覺。此時被推動的解耦液壓缸Decoupling cylinder中的制動液通過打開的電磁閥Valve 2進(jìn)入儲液罐Reservoir中，完成解耦過程。駕駛員踩下制動踏板時，踏板行程傳感器Displacement sensor采集駕駛員的踏板行程信息并通過控制線路傳遞到電控單元ECU中，ECU綜合判斷駕駛員的駕駛意圖，控制電機(jī)Motor通過傳動機(jī)構(gòu)推動制動主缸建立相應(yīng)的制動壓力。

當(dāng)I-EHB的驅(qū)動電機(jī)Motor失效時，系統(tǒng)檢測到電機(jī)失效，立即對電磁閥Vavle 1、Valve 2斷電，常開電磁閥Valve 1斷電打開，常閉電磁閥Valve 2斷電關(guān)閉。此時，駕駛員踩下制動踏板，制動液會通過電磁閥Valve 1進(jìn)入儲液罐Reservoir中。同時，由于電磁閥解Valve 2關(guān)閉，解耦液壓缸Decoupling cylinder中的制動液不會進(jìn)入儲液罐Reservoir中，因此解耦液壓缸中的制動液可以被看作是一個剛體。駕駛員踩下制動踏板，通過踏板推桿、解耦液壓缸中制動液、解耦液壓缸缸體、齒條、主缸推桿直接推動制動主缸建壓，完成電機(jī)失效情況下的失效備份。

I-EHB的驅(qū)動電機(jī)Motor失效并且解耦液壓缸Decoupling cylinder出現(xiàn)漏液時，系統(tǒng)檢測到這一故障，立即對電磁閥Valve 1、Valve 2斷電，常開電磁閥Valve 1斷電打開，常閉電磁閥Valve 2斷電關(guān)閉。解耦液壓缸Decoupling cylinder中的制動液通過電磁閥Valve 1進(jìn)入儲液罐Reservoir中。當(dāng)解耦液壓缸Decoupling cylinder被完全壓縮排出液壓腔內(nèi)所有制動液時，制動踏板與制動主缸Master cylinder耦合，駕駛員可通過踩下制動踏板推動主缸建壓。與只有驅(qū)動電機(jī)Motor失效的情況不同，當(dāng)解耦液壓缸Decoupling cylinder同時出現(xiàn)漏液時，駕駛員必須先將解耦液壓缸Decoupling cylinder完全壓縮，克服這段空行程才能實現(xiàn)建壓，這段空行程的長度即為解耦液壓缸液壓腔的長度[21][22]。

4 電動助力制動系統(tǒng)研究面臨的主要挑戰(zhàn)

4.1 電控液壓制動系統(tǒng)EHB面臨的主要挑戰(zhàn)

（1）目前已經(jīng)出現(xiàn)的EHB系統(tǒng)，無論是干式還是濕式系統(tǒng)，由于均需要液壓系統(tǒng)參與，因此不能算是純粹的線控系統(tǒng)；

（2）由于仍保留液壓結(jié)構(gòu)，雖然利用電機(jī)驅(qū)動，但響應(yīng)時間不夠迅速，作為智能輔助駕駛系統(tǒng)的底層執(zhí)行器，仍有提升的空間；

（3）主動制動力有提升空間；

（4）集成度不夠高，雖然相比于濕式EHB的3 boxes（ESP、Booster、高壓蓄能器），iBooster等系統(tǒng)的two boxes（ESP、Booster或者EHB、踏板感覺模擬器）的方案大大提升了集成度，縮減了體積，但是仍有向1 box進(jìn)步的可能，MK-C1和IBS等系統(tǒng)已經(jīng)開始采用one box方案；

（5）對電動汽車而言，EHB有一定的漏液短路隱患。

4.2 電子機(jī)械制動系統(tǒng)EMB面臨的主要挑戰(zhàn)

作為純粹的線控系統(tǒng)，EMB系統(tǒng)在原理上幾乎完美，克服了傳統(tǒng)EHB的大部分缺點。EMB系統(tǒng)響應(yīng)時間迅速，僅為90 ms，比iBooster快了30 ms，大大縮短了制動距離，集成度極高，無液壓制動管路，不存在漏液問題，是完全解耦的制動系統(tǒng)，可完美配合再生制動，制動平臺開放度更高。

但是EMB同時存在著諸多挑戰(zhàn)[14]：

（1）沒有失效備份，對可靠性要求極高。

（2）制動力不足的挑戰(zhàn)。EMB系統(tǒng)必須布置在輪轂中，小電機(jī)無法滿足普通轎車制動功率1-2 kW的要求。

（3）工作環(huán)境惡劣，工作溫度高的挑戰(zhàn)。

（4）需要針對底盤開發(fā)對應(yīng)的系統(tǒng)，難以模塊化設(shè)計，導(dǎo)致開發(fā)成本極高。

因此綜上所述，線控化的EHB系統(tǒng)仍然是最為可行的制動系統(tǒng)方案。

5 電動助力制動系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢

在汽車電動化和智能化技術(shù)的大潮下，汽車制動系統(tǒng)將產(chǎn)生新的發(fā)展趨勢。

趨勢1：擺脫真空源

首先要求制動系統(tǒng)不再使用真空源助力，需要采用新的助力源，因此各種電動助力制動系統(tǒng)開始出現(xiàn)。

趨勢2：體積、質(zhì)量更小、集成度更高

帶有高壓蓄能器的濕式EHB系統(tǒng)過于復(fù)雜、體積和質(zhì)量均很大，并且響應(yīng)時間略長，成本高、維修費用昂貴，新型制動系統(tǒng)向去掉高壓蓄能器的方向發(fā)展。

趨勢3：系統(tǒng)更開放，可與其他底盤控制子系統(tǒng)配合

為了提高整車的綜合行駛性能，要求制動系統(tǒng)是一個更加開放的平臺，能夠和其他底盤控制子系統(tǒng)集成。

趨勢4：再生制動與踏板解耦

為了解決電動汽車和混合動力汽車的續(xù)航里程問題，出現(xiàn)了制動能量回收技術(shù)，為了與再生制動協(xié)調(diào)工作，要求制動系統(tǒng)在保證高的制動能量回收效率的同時具有解耦能力，液壓制動系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)駕駛員的制動需求合理分配再生制動力和液壓制動力。

趨勢5：適用于智能駕駛輔助系統(tǒng)

隨著汽車智能化技術(shù)的發(fā)展，制動系統(tǒng)的另一個發(fā)展趨勢就是應(yīng)能夠與ESC、ACC等汽車智能輔助駕駛匹配，能夠作為智能駕駛輔助系統(tǒng)的重要底層執(zhí)行器。這就要求制動系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的主動制動能力以及更快的響應(yīng)速度和更精確的制動壓力控制。

趨勢6：人機(jī)共駕

隨著執(zhí)行控制層面人機(jī)共駕技術(shù)的發(fā)展，要求制動系統(tǒng)具有能夠個性化定制踏板感覺和制動特性的能力，車輛匹配各種不同的駕駛風(fēng)格和駕駛模式。

趨勢7：具備更平順的“軟”停車功能、更好的NVH性能

這要求制動系統(tǒng)響應(yīng)必須足夠精確、迅速和舒適。例如當(dāng)車輛開啟ACC自適應(yīng)巡航時，博世的iBooster可以確保車輛在制動直到停駛過程中的制動舒適性，在此過程中幾乎不產(chǎn)生任何振動和噪聲。

趨勢8：系統(tǒng)線控化

EHB系統(tǒng)無論是干式還是濕式，并不能夠算是純粹的線控制動系統(tǒng)，仍然需要保留液壓系統(tǒng)以放大制動力。因此近年來，純粹的線控制動系統(tǒng)—電子機(jī)械制動系統(tǒng)EMB成為研究熱點，該系統(tǒng)響應(yīng)時間更快，平臺開放度更高，同時不會有漏液隱患，這對電動汽車具有重要意義。

綜上所述，隨著汽車技術(shù)向低碳化、智能化發(fā)展，制動系統(tǒng)未來的研究方向?qū)⒀刂@8大趨勢進(jìn)行，即未來的制動系統(tǒng)將向更節(jié)能、更開放、更精確、更快速、更智能、更安全、更舒適的方向發(fā)展[23][24]。