汽車線控制動技術研究

張海山，伍星星，楊昭輝

摘 要：作為汽車制動系統的重要發展方向，分析線控制動技術類型及研究現狀，闡述其功能特點和工作原理，并針對當前熱門的I-EHB集成式線控制動技術進行詳細了敘述。通過分析：相較于傳統制動技術，I-EHB集成式線控制動技術在無人駕駛、再生制動方面具有明顯優勢，能更好地適應不同工況下的車輛，具有廣泛的研究前景和應用前景。

關鍵詞：線控制動;I-EHB;集成式;再生制動

中圖分類號：U463.51 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

科技進步推動汽車技術飛速發展，汽車質量與性能大幅提高，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，汽車安全穩定高效制動正變得越來越重要。

汽車正向著智能化、電動化、網聯化、輕量化方向發展，以純電動汽車和無人駕駛為代表的車型成為當前汽車行業發展的主流。技術的升級提升了汽車性能，性能提升要求更安全穩定高效制動。但是傳統制動技術體積大、響應慢，無法適應新型車輛的需求，不利于汽車輕量化[1]。線控制動技術不僅解決了傳統制動帶來的一系列問題，更為汽車制動的快速發展帶來了新的契機與方向。

1 線控制動技術簡介

1.1 線控制動技術種類

線控制動技術從航空技術領域引入，正被越來越多的供應商和主機廠所重視。線控制動取消了傳統制動的真空單元，以電控模塊來實現制動力，同時有著不小的體積優勢。汽車線控制動系統目前主要分為電子液壓制動（EHB）和電子機械制動（EMB）兩種[2]。

EMB系統采用電子控制，通過伺服電機直接作用于輪缸產生制動力。由于取消了主缸、液壓管路等復雜的零部件結構，制動更迅速，制動力的傳遞效率得到提升[3]。

EHB是將傳統液壓制動技術的動力源替換為電子控制系統，他取消了傳統制動系統中的真空供給部件和真空助力部件，用電子系統來提供動力源[4-5]，同時保留了成熟的液壓部分，可以在電子助力失效時提供備用制動，確保車輛安全。傳統車用12V電源即可驅動EHB系統，無需設計新的供能系統[3，6]。

1.2 線控制動技術發展現狀

自20世紀末開始，世界各主要制造商都對線控技術展開研究并取得了一定的階段性成果。進入21世紀后，線控制動的發展更加迅速，有些已經裝備在量產車上。如大陸公司（Continental）的電子液壓制動系統MKC1，已小批量應用在量產車上[7];博世公司成功開發出iBooster系統，并集成多種主動安全配置，提升車輛安全性[1，8]。而在國內，以清華大學、吉林大學為首的高校大多數僅僅是對線控制動理論及控制方法的提出，實車試驗及系統可靠性研究方面還較少[9]。其中吉林大學提出一種電子機械制動，利用電機和減速機構方案制動[10]。清華大學的王治中等提出了一種分布式電液復合制動系統，同濟大學的熊璐等人提出了雙動力源電液制動系統等，但目前均未實現量產[11]。

2汽車線控制動工作原理

2.1 EMB系統

EMB系統完全不同于傳統的真空助力液壓制動系統，EMB作為純機械系統，使用控制模塊和伺服電機進行制動。EMB系統主要由踏板模塊、控制模塊、驅動執行模塊等組成，系統有4套獨立的制動系統，分別位于四個輪轂的輪缸處，并且配有獨立的控制器，以便實現四輪制動力的獨立調節。

EMB系統的主控制器通過接收踏板位移傳感器的位移信號，以及整車其他ECU發出的車速信號、方向盤轉角信號等相關信號，分析后控制四個獨立的控制器向對應的電機發出制動信號，電機通過減速機構將電機扭矩轉化為所需的制動力，進行制動。車輛轉向時，每個車輪制動系統分配的制動力不一樣，從而達到平穩轉向的目的。EMB系統由于沒有了液壓制動管路的存在，避免的制動液泄露的風險，有利于環保。同時由于是獨立的制動系統，布局上更加靈活 [12]。但是由于制動電機的增多以及功率的加大，12V電源無法滿足制動需求，42V電源成為限制EMB發展的重要因素。同時由于沒有備用的制動系統，安全性還有待提升[13]。

2.2 EHB系統

EHB系統不同于EMB系統，只用了一個伺服電機和一套控制器為系統提供動力，取消了部分傳動制動部件，但保留了成熟的液壓部分。EHB系統目前主要有兩種：一種由液壓泵和高壓蓄能器提供動力源（P-EHB）;另一種由電機和減速機構為動力源（I-EHB），同時集成電控模塊。P-EHB系統獲取制動信號后，向電動液壓泵發出相應的電信號，將足夠的制動液泵入高壓蓄能器，利用高速開關閥實現車輛的制動。

I-EHB系統主缸液壓力由電機通過減速機構提供，電機接收來自控制器的制動信號，經過減速機構直接推動主缸活塞對制動主缸進行建壓。相較于P-EHB，I-EHB結構更加緊湊、響應快速，更易于集成諸如EPB、ESP等多種主動安全功能[14-15]，解耦單元使得整套系統靈活制定制動方案，不僅節約了成本，更可縮短車輛的開發周期。

3 I-EHB系統關鍵技術

I-EHB系統是一種集成式電子液壓制動系統，不同于P-EHB系統的動力源，而是以電機+減速機構來代替，內部集成電控模塊，整個系統結構更加緊湊。圖1為Bosch公司的iBooster系統。

圖1 ?Bosch公司iBooster系統

3.1 I-EHB系統主要組成結構

3.1.1 意圖獲取模塊

意圖獲取模塊主要有制動踏板、踏板位移傳感器、踏板感覺模擬器等，制動踏板經過踏板位移傳感器將駕駛員所踩的制動踏板位移信號發送給I-EHB的ECU。踏板感覺模擬器用來模擬真實狀態的腳感與路感。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線控制動的核心，主要為I-EHB的ECU。ECU通過踏板獲取駕駛員的制動意圖后，根據相應的算法計算出最佳制動力，控制制動系統的執行。ECU由嵌入式芯片、信號采集及處理電路、通訊電路、電機驅動電路、冗余電路及I/O口等組成。

3.1.3 液壓執行模塊

分析控制模塊為線控制動的執行部分，包括伺服電機、減速機構、制動主缸等。伺服電機作為驅動電機，與減速機構連接，可直接使用傳統車載12V電源，減速機構可增強整個系統的扭矩，獲得更大制動力。伺服電機接收來自ECU的制動信號，通過減速機構推動制動主缸建壓。

3.2 I-EHB系統工作過程

I-EHB系統通過意圖獲取模塊、分析控制模塊、液壓執行模塊等幾個模塊協調完成整個制動過程，I-EHB系統協調控制示意圖如圖2所示。

圖2 ?I-EHB系統協調控制示意圖

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力位移信號，以及其他外部ECU發出的方向盤轉角、輪速、橫擺角速度等信號，來獲取駕駛員的駕駛意圖，利用算法計算得出車輪所需的最佳制動力。在制動踏板與主缸完全解耦條件下，踏板感覺模擬器可以根據駕駛員的制動動作輸出線性的腳感同時反饋車輛制動狀態。制動力轉化為電信號輸出給伺服電機，電機和減速機構連接，通過減速機構將電信號大小轉變為齒條行程大小，推動制動主缸活塞，最終完成建壓。制動主缸液壓力信號將實時反饋給I-EHB的ECU，用于精確控制主缸壓力以及對制動主缸保壓。

當車輛處于緊急狀態下需要急停或者制動系統電子助力失效時，如圖3所示，I-EHB提供備用機械制動系統。駕駛員快速緊急制動，迅速克服系統內部的解耦腔，此時制動踏板推桿將直接作用于制動主缸，主缸液壓力大小直接由制動踏板提供，一定程度上保證緊急情況下的制動安全。

圖3 ?I-EHB系統助力失效制動示意圖

3.3 I-EHB系統控制方法

在傳統制動系統中，主缸液壓力完全來自制動踏板推進的深度，因此，制動時無法精確控制主缸液壓力。對于駕駛新手來說，駕駛經驗不足不僅影響車輛制動感覺，更影響車輛在緊急狀況下整車制動的安全性。I-EHB系統由于采用了電控單元，同時制動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系統主缸液壓力的控制，實際上就是對伺服電機的控制，利用ECU根據相應的控制算法計算駕駛員需要的最佳制動力，將最佳制動力轉化為電機的電流信號或者命令力矩，從而完成主缸的建壓。

圖4 ?PID控制策略圖

如圖4所示，對以電動機+減速機構為動力源的I-EHB系統的控制算法，大多以閉環反饋控制為主。在閉環控制中，比例積分微分控制（PID控制）是一種最常用的控制方法，同時可通過參數整定變化多種控制結構，獲得不同的控制效果。運用在I-EHB系統中的主要控制思路是通過液壓力傳感器將主缸液壓力實時反饋給ECU，將ECU計算出的期望主缸液壓力和輸出的實際主缸液壓力進行對比，然后將二者之間的偏差值利用ECU中設好的PID算法對其整定，輸出一個最合適的量給電機，對主缸液壓力進行補償。

4 結論

隨著線控制動的不斷發展與技術完善，已逐漸成為汽車新技術發展的主流。相較于傳統制動方式，線控制動技術有著不可替代的優勢，大大提高了車輛的安全性和舒適性。I-EHB系統作為新型電子液壓制動系統，對其進行研究不僅能進一步提高汽車的制動性能，還有利于無人駕駛汽車智能化程度的發展，為更多的車輛電控系統的理論研究與應用奠定了寶貴的基礎。

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