關于乘用車制動踏板開關信號可靠性及應用解決方案

徐秦 竇瑞

摘 要：文章主要針對目前大量普及應用的機械式制動踏板開關的應用局限性，總結分享更加適用目前整車控制可靠性需求的應用解決方案，相關解決方案同樣適用于其他類型機動車輛。

關鍵詞：霍爾；雙回路；制動燈開關；轉角傳感器；車載新技術

中圖分類號：U463.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0138-03

Abstract： Aiming at the application limitation of mechanical brake pedal switch which is widely used at present， this paper summarizes and shares the application solution which is more suitable for the demand of vehicle control reliability at present. Related solutions also apply to other types of motor vehicles.

Keywords： Hall； double loop； brake light switch； angle sensor； new on-board technology

引言

目前，基本所有M1類車型都在大量的搭載應用各種車載安全技術，而制動踏板開關的信號作為駕駛員安全類操作意圖的輸入信號源，所承擔的作用發生了顛覆性的變化，這使得所有行業產品工程師都在思考如何提升或者達到相應系統對信號源的苛刻要求；本文將結合本人的工程開發經驗，基于本人早期發表的相似文章，進一步總結和完善相應的工程開發應用技術解決方案，作為制動產品工程師的工程開發參考。

1 制動燈開關或者制動信號源重要性概述

制動踏板開關的信號作為駕駛員安全類操作意圖的輸入信號源，其承擔的不再僅僅是作為后制動尾燈和高位制動燈的點亮控制輸入（目前各工程師對于制動燈點亮的時機以及車輛間一致性也提出了更加苛刻的要求），還作為截至目前多安全或者舒適類輔助駕駛功能的控制輸入，其安全等級要求及重要性可以通過圖1進行直觀的體現：

2 制動燈開關發展的現狀

2.1 制動燈開關的發展歷程

制動燈開關的結構和形式經歷整車技術的快速發展，同步經歷了快速的隨同變更和變化歷程，簡要概括為以下歷程：

（1）單回路機械滑片式制動燈開關。

（2）單回路機械觸點式制動燈開關。

（3）雙回路機械滑片式制動燈開關。

（4）雙回路機械觸點式制動燈開關。

（5）雙回路霍爾式制動燈開關。

（6）制動踏板轉角傳感器。

（7）制動踏板行程傳感器。

2.2 傳統機械式制動燈開關的優缺點及影響

傳統機械式制動燈開關（包含單回路、雙回路、滑片式、觸點式），在很長一段汽車技術發展歷程中得到了廣泛的應用，但是這并不能改變和適應汽車技術發展對于其日益嚴格的要求。

2.2.1 傳統機械式制動燈開關的特點

總結傳統機械式制動燈開關的特點如下：

（1）機械結構組件結構復雜，總裝過程管控困難，產品一致性差。

（2）信號誤差大，用于控制輸入可靠性差。

（3）運動部件為金屬硬接觸，磨損快，工作耐久性差。

（4）通電狀態，運動金屬控件產生電火花，接觸點電火花腐蝕嚴重，易導致接觸不良，電阻變大，最終導致輸出信號錯誤、失真、控制器ECU無法正常識別等。

（5）開關在制動踏板總成上的布置設計需要專門予以設計和工藝管控，才能保證信號觸發的真實性以及信號出發時機的準確性。

（6）機械式制動燈開關的成本相對較低。

2.2.2 傳統式機械式開關可靠性問題的后果評估

制動燈開關信號不可靠的輸出，可能會導致下列問題：（1）制動尾燈異常點亮、常亮或者抖亮（異常閃滅）。（2）發動機控制器ECU工作異常，表現如加速異常、加速限制以及定速巡航功能異常退出、無法開啟、油耗計算表現異常等。（3）PEPS工作異常，車輛無法正常點火IGon。（4）電子駐車系統間歇性無法正常釋放，功能降級等。（5）ABS/ESP檢測信號故障，功能降級。（6）車輛能量回收系統工作異常。（7）ACC自適應巡航系統功能降級，無法正常開啟等。備注：制動信號異常可能導致的問題包含但不限于以上列舉內容。

3 針對傳統制動燈開關局限性的技術解決方案

針對傳統機械式制動燈開關的局限性，而制動信號又需要滿足整車系統日益嚴苛的質量和安全等級需求，本文特提出下文所述解決方案。

3.1 基于現有機械式開關制定安全冗余判斷的技術解決方案

基于現有機械式開關，為彌補開關本身可靠性的問題，本人建議可以采用以下兩個方案予以優化和解決；兩個方案分別基于ESP配置和ABS配置，基于不同配置硬件特性的不同，分別制定了應對技術方案，但不限于該方案，產品集成工程師甚至可以雙方案結合靈活根據實車需求予以應用，方案示意如圖2、圖3。

方案說明：針對本解決方案，建議產品工程師盡量根據實車的具體情況，圖2、圖3或者圖2、圖3相結合，活用制動液壓信號、硬線信號的相互交驗，提升信號的可靠性，并制定相應的降級工作模式，提升系統工作可靠性，制定出更加完善的解決方案。

3.2 基于制動燈開關本身可靠性出發的技術解決方案

從開關本身可靠性的提升，經過大量的工程開發經驗，建議可以通過下述途徑不同程度的解決或者優化制動信號可靠性的問題。

3.2.1 霍爾式制動燈開關技術的應用

顧名思義，霍爾式制動燈開關，無論從結構形式、布置、裝配、調試、電路設計還是從根本原理上，均已經顛覆了傳統機械式制動燈開關：基于霍爾效應，采用一組到兩組霍爾芯片，加上外部磁感應元，通過非接觸式運動產生電信號，并輸入相應的控制器。該類型傳感器可以規避很多機械式制動燈開關的缺陷，極大的提升其工作可靠性，但仍不能解決控制精準性和一致性的缺陷。

（1）霍爾式制動燈開關的布置設計

霍爾式制動燈開關，常用的布置方案有兩種：

a.布置到鑄鋁制動主缸及其組件上。

b.布置到制動踏板側方位轉軸處相關組件上。

兩種布置方案請分別參見圖4、圖5。

同傳統式機械制動開關，產品工程師需要根據車輛的基礎制動系統的選型結果，設定最佳的信號觸發位置點，同時確保零位一致性（在裝配工藝上增加傳感器的標定工序），保證信號觸發與實際車輛狀態的匹配合理性。根據經驗，產品工程師可參考系統產生5-8bar的系統液壓時的主缸行程（mm）或者踏板轉軸轉動角度（°）作為信號觸發位置點。

（2）霍爾式制動燈開關的信號輸出?；魻柺街苿訜糸_關的信號輸出信號為數字信號，由高低電平對于制動踏板的工作狀態予以表示，如圖6所示：

（3）霍爾式制動燈開關器件端接口電路。當產品工程師確定霍爾式制動燈開關的選型后，根據選型特性，采集信號的器件端接口電路不能沿用采用傳統機械式制動燈開關的設計，器件必須根據選型后的制動燈開關的信號輸出特性進行相應的硬件接口電路設計以及對于軟件信號處理策略。

3.2.2 踏板行程傳感器技術的應用

踏板行程傳感器技術的應用相對于霍爾式制動燈開關的技術應用，又更進一步，彌補了霍爾制動燈開關的不足點，通過傳感器模擬信號的輸出，軟件接收并按照輸出函數解析信號，由于信號的線性無盲點特性，使得各控制單元可以非常精準的根據踏板的輸入狀態進行一致性較好的功能控制，使得功能更加可靠，性能更加優秀。

（1）踏板行程傳感器的布置。踏板行程傳感器的布置方式基本和霍爾式制動燈開關的布置方式相同，因此在本章節不再做過多的描述，參見3.2.1中的（2），其中應用較多的為圖5所示的轉角傳感器實現方式。踏板行程傳感器也是利用霍爾原理實現信號的采集與輸出，觸發元件與采集元件非接觸運動，目前已經廣泛應用于新能源車型。

（2）踏板行程傳感器的輸出信號格式。踏板行程傳感器區別于霍爾式開關，將輸出線性模擬信號，通過固定的函數，控制單元可以將電壓信號準確的解析為角度信號或者位移信號，通過踏板杠桿比設計參數可以獲得連續的制動踏板行程信息，無論從控制的精準性、控制的可靠性、控制的擴展性以及控制方式和策略的靈活性，都將得到較好的解決，使得很多自動化功能得以很好的實現。踏板行程傳感器輸出信號格式如圖7（示例）所示。

通過一定的函數關系（函數式中實際會根據產品特性存在修正算法，產品開發供方會提供詳細函數，用作軟件解析數據用），如下：

Sp=（US-U0）/（UA-U0）*SA

θp=（US-U0）/（UA-U0）*θA

可以將輸出電壓解析為行程或者轉角信息，最終結合踏板結構參數，得到最終的控制信息。

（3）器件端接口電路。關于器件端的接口電路設計，由于傳感器電路設計的不統一性，本文不作具體討論，產品工程師務必注意確認傳感器接口電路與接收器件端接口電路對的匹配性。

4 結束語

本文根據本人的實際車型工程開發經驗，總結出針對傳統制動踏板開關信號可靠性局限性的三個大方向的工程開發解決方案（由于產品本身存在設計差異性，因此本文并不涉及更多具體關于產品的技術信息），并分別對于三種解決方案進行相應的技術概述，用于整車制動系統產品工程師在進行新開品的開發時，結合項目車型定位、車載技術需求、成本現狀、供應體系現狀等綜合狀況，基于本文提供解決方案進行車型定制開發方案的制定以及進一步的完善。

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