某電動汽車ebooster智能剎車系統設計研究

張歡歡

某電動汽車ebooster智能剎車系統設計研究

張歡歡

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 新能源乘用車公司新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

文章分析了電動汽車ebooster智能剎車系統的結構、工作原理，基于公司某款純電動汽車，設計了以智能剎車系統為核心的行車制動系統方案，定義了整車制動性能目標，定義了智能剎車系統的功能、性能目標、功能安全及故障診斷策略，通過高附、低附標定及整車制動性能試驗，驗證了智能剎車系統的功能、性能等關鍵指標。

電動汽車；制動系統；智能剎車系統

引言

近年來，隨著自動駕駛技術蓬勃發展，間接催生了相關零部件的火爆，其中的智能剎車系統，一般簡稱ibooster或ebooster（為表述方便，本文后續將“智能剎車系統”均簡稱為“ebooster”），是公認的自動駕駛技術核心部件之一。ebooster是一種新型的乘用車制動系統，在設計之初就完全考慮了自動駕駛需求，且具有降低油耗，節省電能，可實現制動能量回收最大化以及剎車柔性控制等優勢，適用于傳統燃油車、混合動力汽車和純電動汽車，可適應未來汽車電動化與自動化的發展趨勢[1]。特別是當前純電動車，搭載智能剎車系統、具備L2及以上智能駕駛功能的產品正在積極進入市場，創造嶄新的使用體驗，大幅提升了產品的競爭力。因此，研究ebooster正逐漸成為各大主機企業和制動系統零部件企業的熱門課題。

1 ebooster的結構和工作原理

1.1 結構

總體上，ebooster由制動主缸、電動助力器、踏板行程傳感器、制動液儲液罐、制動踏板安裝接口和前圍板安裝接口等組成，其中電動助力器包括助力電機和控制單元ECU。ebooster是當前具備智能駕駛功能的電動車或燃油車制動系統的核心部件，如圖1所示。

1.2 工作原理

傳統燃油車在駕駛員踩下制動踏板后，制動踏板會利用機械力直接推動真空助力泵，再由真空助力泵推動制動主缸產生液壓制動力，推動制動卡鉗夾緊制動盤，從而制動。但新能源和混合動力車型沒有發動機，或者在純電動模式下，真空助力泵失去助力源，無法工作。那么，不需要真空助力泵、且能滿足智能駕駛緊急制動需求的制動系統應運而生[2]，這就是ebooster。ebooster的助力源是電機，其工作原理與當前大多數純電動車使用的電動真空助力系統大致類似，見圖2所示。

1—前圍板安裝接口；2—電動助力器（助力電機+控制單元ECU）；3—制動主缸；4—制動液儲液罐；5—踏板行程傳感器；6—制動踏板安裝接口。

圖2 ebooster工作原理

當駕駛員踩下制動踏板時，集成在ebooster上的踏板行程傳感器可采集到制動踏板有位移，輸出位移信號給電控單元ECU，驅動電機產生助力扭矩。因此駕駛員踩制動踏板實際是輸出制動需求，并未產生對主動主缸的機械推動力。助力電機產生的助力扭矩進一步驅動蝸輪蝸桿減速機構，能使齒條總成產生放大十多倍的推力，從而驅動推桿，繼而推動制動主缸活塞前進，在制動主缸及管路內產生制動壓力[3]。ebooster產生的制動壓力性能見圖3曲線所示。

圖3 制動壓力曲線

制動壓力曲線由四段線段構成：

線段①，空行程區，本質就是防止駕駛員誤踩制動踏板。

線段②，制動力飛躍區，此區間制動踏板力開始制動。

線段③，制動力放大區，ebooster上集成的助力電機對制動踏板力按比例放大，產生大于駕駛員施加的制動踏板力幾倍或十數倍的助力。

線段④，踏板驅動區，此時需要駕駛員踩較大的踏板力機械放大制動。

同時，為了滿足不同駕駛員不同的駕駛習慣與要求，這個標準制動壓力曲線可以通過標定與調節，調整為下方的運動模式曲線或上方的舒適模式曲線[1]，甚至多數電動車同時標定出上述多種制動壓力曲線，可由駕駛員自行選擇。

2 某電動車行車制動系統方案

2.1 行車制動系統結構及性能目標

本文研究的純電動車是一款標準A級轎車，最高車速150 km/h，百公里加速時間7.6 s。綜合工況續駛里程530 km，具有高性能、長續航的特點。車輛具備智能駕駛L2級及以上功能所需的ebooster等電動底盤系統，行車制動系統性能優秀，系統結構見圖4。

1—左前制動器；2—ebooster；3—ESC控制器；4—右前制動器；5—EPB控制器；6—制動管路；7—右后制動器帶EPB卡鉗總成；8—后輪速傳感器；9—左后制動器帶EPB卡鉗總成；10—制動踏板總成。

整車制動性能目標見表1。

表1 本文研究的某純電動車整車行車制動性能目標

序號性能項目單位目標值 1常溫制動50 km/h初速度制動距離m≤13 2修正后MFDDm/s2≥9.0 3踏板力N≤500 4穩定性 未超出2.5 m通道寬 580 km/h初速度制動距離m≤27.5 6修正后MFDDm/s2≥9.5 7踏板力N500±50 8穩定性 未超出2.5 m通道寬 9100 km/h初速度制動距離m≤45 10修正后MFDDm/s2≥9.5 11踏板力N≤500 12穩定性 未超出2.5 m通道寬 13120 km/h初速度制動距離m≤63 14修正后MFDDm/s2≥9.5 15踏板力N≤500 16穩定性 未超出2.5 m通道寬 17熱衰退-熱態性能100 km/h初速度制動距離m≤45 18修正后MFDDm/s2≥9.5 19踏板力N≤500 20穩定性 未超出2.5 m通道寬 21熱衰退-恢復性能100 km/h初速度制動距離m≤45 22修正后MFDDm/s2≥9.5 23踏板力N≤500 24穩定性 未超出2.5 m通道寬

2.2 ebooster功能定義

本文研究的ebooster系統功能主要有三個方面，一是基礎功能，二是制動能量回收功能，三是AVH功能。具體詳述如下：

2.2.1基礎功能

（1）負載匹配功能。受車輛制動管路，基礎負載一致性、安裝等因素影響，導致不同車輛的制動系統壓力與體積關系特性（PV特性）偏差較大，為保證不同車輛的制動平順性及踏板感均滿足要求，ebooster需對當前車輛的負載進行匹配。

（2）售后加液排氣功能。為提高售后車輛加液排氣效率，ebooster需要識別加液排氣工況，放開靜態限位，并在加液排氣完成后負載匹配。

（3）壓力協調功能。當車輛觸發ABS功能時，為保證實際制動主缸壓力在合理范圍內，同時優化緩解ABS觸發時制動踏板抖動情況，ebooster需要在ABS觸發期間調節制動主缸壓力，使主缸壓力維持在合理范圍內。

（4）轉轂模式識別功能。當車輛安裝在轉轂上開展試驗時，由于前輪在轉轂上旋轉，后輪固定不動，導致報出ABS故障，使得整車無法能量回收。因此，ebooster、ABS、整車控制器均需要識別此工況，允許此時車輛能量回收。

（5）推桿零位匹配功能。由于整車裝配差異及制動踏板機械件差異，會導致車輛裝配后制動踏板零位對應的傳感器占比存在偏差，為保證下線車輛制動踏板開度信號一致性，需針對下線車輛匹配推桿零位。

（6）故障代碼及軟硬件版本號網絡上報功能。為了方便車輛遠程監控系統讀取ebooster故障代碼及其軟硬件版本號，需ebooster具備網絡上報功能。其中針對故障碼，只發最新的故障碼，不發歷史故障；上報故障等級最高的故障碼。

2.2.2制動能量回收功能

本系統可實現踏板解耦系統與協調式回饋策略的制動能量回收功能，即串聯式制動能量回收。根據制動踏板開度等解析駕駛員制動意圖，基于駕駛員制動需求協調分配電回饋制動和液壓制動，且在驅動電機能力、車輛穩定性、系統結構限制等條件允許下最大可能的分配給電回饋制動。電動車同時滿足以下條件才可以使能串聯制動能量回收，具體如下：

（1）整車處于ready狀態；

（2）整車擋位為前進擋；

（3）駕駛員踩下制動踏板；

（4）未發生禁止能量回收的相關故障；

（5）未發生ABS觸發等影響車輛穩定性的工況。

2.2.3 AVH駐車控制

（1）AVH駐車控制。ebooster收到整車控制器發出的AVH請求后，判斷可否使能AVH功能。如可使能，則進入駐車階段。駐車控制模式有車輛剎停工況、大電機駐車后NBS接管兩種。

（2）AVH釋放控制。當進入AVH后，駕駛員踩下加速踏板、拉起EPB、駐車超時、駕駛員離開、下電、關閉AVH

開關后，ebooster需要退出AVH功能。釋放控制模式有泄壓、夾緊EPB后AVH釋放、AVH超時釋放、請求接管四種。

2.3 ebooster功能安全及故障定義

整車上電初始化后，ebooster自檢無任何故障且與整車控制器通訊正常，熄滅制動系統故障燈。整車控制器接收到ebooster上報的故障后，實施相應的功能安全策略。ebooster系統故障定義為7級。具體見表2。

表2 ebooster功能安全及故障定義

故障等級故障說明ebooster助力模式整車功能安全策略 制動系統故障燈整車故障燈整車限速/(km/h) 無故障完整識別&實現駕駛員意圖正常助力。滅滅 故障等級1完整識別&實現駕駛員意圖（網絡故障BUSOFF）正常助力。滅滅 故障等級2完整識別&部分實現駕駛員意圖（NBS溫度大于120℃且＜131℃）限制助力（隨電壓和溫度變化而降低最大助力，減速度＞0.3g)。紅燈滅50 故障等級3模糊識別&實現駕駛員意圖(位移傳感器雙路故障或傳動機構嚴重震顫）默認助力（若駕駛員踩下制動踏板，車速大于30 kph時，默認制動0.3g；車速小于30 kph時，默認制動0.15g）。紅燈紅燈50 故障等級4無法識別駕駛員意圖（位移傳感器雙路故障且制動開關信號異常）限速助力（若駕駛員踩下制動踏板，車速大于30 kph時，默認制動0.3g；車速小于30 kph時，默認制動0.15g）。紅燈紅燈15 故障等級5完整識別&無法實現駕駛員意圖（控制器內部電路故障或制動強度嚴重異常）①無法助力。②正常發出回收扭矩請求。紅燈紅燈15 故障等級6無法完整識別&無法實現駕駛員意圖（控制器內部電路故障或制動強度嚴重異常且位移傳感器雙路故障）①無法助力。②若駕駛員踩下制動踏板，由VCU提供備份扭矩制動。紅燈紅燈15 故障等級7無法完整識別&無法實現駕駛員意圖（控制器內部電路故障或制動強度嚴重異常且位移傳感器雙路故障且制動開關信號異常）①無法助力。②若駕駛員踩下制動踏板，由VCU提供備份扭矩制動。紅燈紅燈15

3 ebooster性能標定

一般的，配置ebooster系統的整車，需開展兩輪高附和一輪低附性能標定，其中第二輪高附為性能驗證。每輪標定均依據定義的ebooster系統功能，在高、低附路面上，按照使用工況，調節ebooster電控單元、整車控制系統等相關控制器的軟件，以達成最優的ebooster系統性能。

3.1 高附性能標定

高附主要標定ebooster的靜態及動態踏板感、ABS工作過程中的制動主缸壓力協調性能、不同工況下能量回收提供的最大減速度值及減速穩定性、各工況下的AVH性能、故障注入后的整車表現、整車摩擦片及極限摩擦片在顛簸路上的踏板感魯棒性等。具體標定內容及性能目標見表3。

3.2 低附性能標定

低附主要標定ebooster在冰雪等低附路面上的踏板感、特殊工況及失效后的安全性、AVH性能等。具體標定內容及性能目標見表3。

4 整車制動性能試驗驗證

4.1 常規制動試驗

完成標定后的整車，試驗結果如圖5所示，基本符合整車制動性能目標，ebooster標定有效。

4.2 制動踏板感試驗

完成標定后的整車，踏板力與減速度、踏板行程與減速度試驗結果見圖6、圖7，符合整車制動性能要求，ebooster標定有效。

圖6 本文研究的電動車踏板力—減速度曲線

圖7 本文研究的電動車制動踏板行程—減速度曲線

表3 高附性能標定

性能項目標定工況標定內容 踏板感靜態踏板感車輛靜態踏板感、靜態踏板力。 動態踏板感①標定車輛動態踏板感。②標定減速度及時跟隨駕駛員意圖。 制動主缸壓力協調低附著路面觸發ABS①消除各工況下ABS觸發過程中的車輛抖動。②標定車輛穩定性。③標定制動主缸壓力特性。 對接路面觸發ABS 對開路面觸發ABS 壞路觸發ABS 減速帶觸發ABS 砂石路面觸發ABS 能量回收滑行后制動標定滑行回收過渡到制動能量回收過程中車輛減速度。 驅動后制動標定驅動扭矩過渡到制動扭矩過程中車輛減速度。 能量回收中換擋標定換擋過程中，車輛減速度。 能量回收退出標定制動扭矩退出過程中車輛減速度。 AVH平地踩停駐車起步消除踩停進入AVH過程的異響，起步拖滯和異響。 坡道踩停駐車起步消除踩停進入AVH過程的異響和溜車，起步溜車、拖滯和異響。 坡道滑停駐車起步消除滑停進入AVH過程的異響、溜車，起步溜車、拖滯和異響。 功能安全與故障ebooster無法助力標定ebooster供電斷開時或控制器失效后的車輛制動能力。 Ebooster降助力標定ebooster位移傳感器故障或其他部件故障后降級助力時的車輛制動力。 魯棒性長時間顛簸驗證正常狀態下的摩擦片，長時間劇烈顛簸后的制動效能是否衰退。 極限摩擦片長時間顛簸驗證極限狀態下的摩擦片，長時間劇烈顛簸后的制動效能是否衰退。

表4 低附性能標定

性能項目標定工況標定內容 常規踏板感靜態踏板感-慢踩標定靜態下的踏板感要求 靜態踏板感-快踩標定不同速度快速踩下制動踏板的助力特性 動態踏板感-純液標定踏板行程與減速度對應關系 動態踏板感-純電標定純電制動時的踏板感與純液一致 動態踏板感-電液協調標定電液混合制動時，踏板感與純液制動時一致 動態踏板感-輸入調節標定制動減速度與踏板位移的線性關系 能量回收踏板感滑行后制動能量回收的踏板感消除制動踏板抖動和車輛的減速度抖動 驅動后制動能量回收的踏板感 能量回收中換擋的踏板感 能量回收退出的踏板感 能量回收介入的踏板感 能量回收中ABS介入的踏板感 不同SOC下，能量回收能力不同的踏板感驗證滑行能量回收能力差異對踏板感的影響 觸發ABS時踏板感低附著路面觸發ABS時踏板感①消除ABS觸發過程中抖動②標定車輛穩定性③標定制動主缸液壓特性 對接路面觸發ABS時踏板感 對開路面觸發ABS時踏板感 高附著路面觸發ABS時踏板感 特殊工況連續點踩消除車輛抖動 階梯制動消除車輛抖動 功能安全與故障ebooster無法助力標定ebooster供電斷開時或控制器失效后的車輛制動能力 ebooster降級助力標定ebooster位移傳感器故障或其他部件故障后降級助力時的車輛制動力 NVH車輛靜態，以不同速度踩制動驗證ebooster震動噪音表現 車輛動態，以不同速度踩制動 執行外部制動請求 AVH功能邏輯驗證駐坡性能，起步 建壓觸發AVH驗證駐坡性能，起步

5 總結

本文分析了電動汽車ebooster智能剎車系統的結構、工作原理，基于公司某款純電動汽車，設計了以智能剎車系統為核心的行車制動系統方案，定義了整車制動性能目標，定義了智能剎車系統的功能、性能目標、功能安全及故障診斷策略，通過高附、低附性能標定及整車制動性能試驗，驗證了智能剎車系統的功能、性能等關鍵指標，供業內參考。

[1] 徐世賢.智能剎車系統:CN201261395Y[P].2009.

[2] 陳超.基于iBooster和ESC的純電動車制動能量回收控制研究[D].合肥:合肥工業大學,2020.

[3] 杜莎.博世iBooster助推汽車電氣化與自動駕駛發展[J].汽車與配件,2017(23):42-43.

Design and Research of an Electric Vehicle's ebooster Intelligent Braking System

ZHANG Huanhuan

（New Energy Vehicle Academy, New Energy Vehicle Group, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, the structure and working principles of the intelligent braking system, abbreviated as ebooster, are analyzed. Based on an electric vehicle, an intelligent braking system is designed as the core of the driving braking system. The function and performance targets, the function safety and the fault diagnosis strategies are defined. In the end, the key indexes of the intelligent brake system are verified by the high attached and low attached calibration as well as the vehicle braking performance tests.

Electric vehicle;Brake system;Intelligent braking system

A

1671-7988(2021)22-32-06

U471.15

A

1671-7988(2021)22-32-06

CLC NO.: U471.15

張歡歡（1983—），女，現任江淮汽車集團股份有限公司 新能源乘用車公司新能源汽車研究院副院長，負責整車系統集成及純電動車平臺產品開發工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.008