汽車電子制動系統的電力驅動技術與安全提升

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0135-0：

ElectricBrive Technology and Safety Enhancement of Automotive Electronic Braking Syst

Gong Mingmao

（SichuanTechnologyandBusinessUniversity，Electronic InformationEngineeringCollge，Chengdu，China

【Abstract】The introduction of electricdrive technology in the braking system has improved thecontrolaccuracy andenergyutilizationrate，but italsofaces chalenges such ascooperativecontroland safety guaranteeunder extreme working conditions.Thisarticlediscusses thecorearchitectureand safetyredundancy designof theelectricdrive technology in the automotive electronic braking system，andproposesredundancyschemessuchas dual-core heterogeneous ECU and three-channelsensor links.Experiments verify thatits fault recognition ratereaches 99.7% in the environment of ，and the fault-tolerant handover time is ? 5.2ms.Theimproved PID algorithm wasdeveloped toreduce the pressure control error of the ABS solenoid valve to ±0.15MPa .Theanalysis of the research resultsis conducive to theupgrading of the electric drive technologyof the electronicbraking system of electric vehicles.

【Keywords】 automotive electronic braking system；electric drive technology；safety；sensor fusion

0 引言

汽車制動系統作為保障車輛安全的核心部件，直接關系到駕駛平穩性與車內人員安全。在電動汽車領域，電力驅動制動技術憑借其能量回收特性備受關注，該技術可在車輛減速過程中將動能轉化為電能儲存，實現制動高效性與節能性的統一。然而，該技術在實際應用中仍面臨諸多挑戰：其一，電機動力調節需與機械制動力度精準同步，以避免制動過程中的頓挫與不穩定；其二，電池充放電受溫度、使用習慣等因素影響，導致能量回收效率波動，亟需穩定的控制策略；其三，在雨天、結冰路面或緊急制動等極端工況下，系統需快速精確調節各車輪制動力，防止車輛打滑失控。

基于此，本文致力于探索構建高可靠、高效率的電子制動系統架構，旨在提升系統安全性的同時優化能量回收效果，推動汽車行業向環保、智能化

方向發展。

1汽車電子制動系統電力驅動技術基礎

1.1電子控制制動系統的基本組成

電子控制制動系統主要由橋控調節器、電控單元ECU、ABS電磁閥、制動信號傳感器和比例繼動閥5大核心部件構成。

1）橋控調節器接收ECU指令，實時動態調整車輛前后、左右車輪的制動力分配，確保車輛在轉彎、打滑等復雜工況下的制動平衡。

2）ECU通過采集4個車輪轉速、車輛整體速度及制動踏板行程等數據，依據預設控制規則生成制動指令。

3）ABS電磁閥作為防抱死功能的核心執行部件，在緊急制動時，通過線圈通電驅動活塞快速調節制動油管壓力，防止輪胎抱死。

4）制動信號傳感器包含踏板位移傳感器與壓力傳感器，分別檢測駕駛員制動意圖的深度與力度，為精準制動控制提供依據

5）比例繼動閥則負責將ECU輸出的低壓電信號轉換為高壓氣體或液體壓力，實現制動力的精準線性控制。系統各部件通過控制器局域網絡CAN總線實現數據交互，ECU實時監測制動效果并與預期目標對比，從而提升行車安全性。

1.2 電機與電子控制單元的協同機制

汽車電機依據制動需求呈現主動增壓、壓力保持、快速泄壓3種驅動模式，其響應速度直接決定制動系統的動態性能。ECU通過調節脈寬調制（PulseWidthModulation，PWM）信號占空比，精確控制電機繞組電流強度與方向，實現制動扭矩的線性輸出。在車輛運行過程中，ECU持續監測電機溫度、繞組阻抗等參數，借助動態補償算法消除環境因素導致的輸出偏差，維持制動力穩定。此外，ECU通過接收電機轉子位置、反電動勢等傳感器反饋信息，實時識別機械卡滯、電壓波動等異常工況，并觸發冗余控制策略。在緊急制動場景下，ECU可跳過常規控制邏輯，直接調用預存的最大扭矩輸出模式。電機與ECU的深度協同，顯著提升了制動系統在安全性、響應速度與能效方面的綜合性能2]。

2汽車電子制動系統安全性設計

2.1 電控單元冗余設計與故障診斷

在硬件層面，ECU采用雙核異構架構，主核負責實時制動控制算法，輔核同步校驗數據完整性。當主核失效時，輔核可在 5ms 內完成控制權接管，確保制動指令的連續輸出。傳感器鏈路采用三重冗余設計，輪速、壓力、溫度等傳感器均配置獨立三通道采集模塊，單通道故障不影響整體數據準確性。軟件方面，控制算法運行于虛擬化雙系統，實時系統負責制動壓力計算。

電源系統集成雙路獨立供電，主電源異常時，超級電容可在 1ms 內無縫切換，維持系統最低功耗運行。為驗證冗余設計的有效性，開展故障注入試驗并記錄關鍵性能參數，具體如表1所示。

試驗模擬了核間通信中斷、傳感器信號漂移等硬件故障，以及進程死鎖、內存溢出等軟件異常情況。結果顯示，雙核架構在主核人為宕機后，輔核在 5.2ms 內完成接管，故障識別率達 99.7% ，制動壓力波動小于 0.5MPa ；三通道傳感器鏈路在單通道失效時，通過多數表決算法將數據偏差控制在 2% 以內，恢復時間僅需 3.8ms ；雙模通信總線在CAN-FD鏈路斷開后，備用網絡 3ms 內完成切換，通信負荷始終保持在 70% 以下；主電源電壓降至6V時，超級電容迅速介入，電壓波動控制在 ±0.2V 以內，關鍵功能持續運行。試驗結果表明，在 -40～125^°C 極端溫度環境下，系統故障處理能力達 99.7% ，平均穩定工作時間延長至 15000h ，峰值功耗不超過6W，有效保障了系統在復雜環境下的可靠性與穩定性]。

2.2 ABS電磁閥響應與壓力控制優化

為提升ABS電磁閥響應速度，在機械結構上采用低慣量電磁鐵芯與輕量化閥體設計，將銜鐵運動行程縮短至 0.3mm 以內，并在閥芯端面加工微型導流槽，利用流體動力學原理降低液壓油流動阻力，使閥門全開/全閉時間控制在 5ms 以內?？刂撇呗陨弦腩A激磁技術，在制動信號預測階段提前向線圈施加弱電流，消除電磁鐵初始磁化延遲，實現瞬時響應。

壓力控制精度通過改進型PID算法實現，其數學表達式為：

式中： e（t） ——設定壓力與實際壓力差值； β 抗飽和補償系數。算法在傳統PID基礎上增加非線性補償項，根據制動壓力變化率動態調整 K_p 、 K_i 、 K_d 系數，具體規則為：壓力上升階段，增大 K_p 提升響應速度，抑制 K_i 防止積分飽和；壓力保持階段，強化 K_d 抑制高頻振蕩，啟動死區補償；壓力釋放階段，重置積分項，避免殘余壓力累積。通過實時監測閥芯位移與液壓梯度自動調整控制參數，將壓力誤差穩定控制在 ±0.15MPa 以內，較傳統算法精度提升40% 。該優化使ABS系統在緊急制動工況下，能夠將輪胎滑動比例精準控制在 10%～30% 的最佳區間，實現“半滑半抓地”狀態。

3汽車電力驅動技術與安全性協同優化

3.1電力驅動與機械制動的能量協同分配

電力驅動與機械制動的能量協同分配依賴智能化算法實現高效配合。在常規制動場景下，優先啟用電力制動模式，通過電機反拖發電將車輛動能轉化為電能存儲至電池，機械制動系統保持低功耗待機；當電池電量接近飽和或電機回收功率達到上限時，系統自動提升機械制動介入比例，通過電子液壓單元精確控制制動片壓力，補足剩余制動力需求。兩種制動模式采用獨立供電與控制鏈路，當檢測到電機溫度異?；螂姵剡^載時，系統立即切換至機械制動主導，避免制動力驟降4；若機械制動出現響應延遲或壓力泄漏，電力制動則增強扭矩輸出，補償制動力缺口。該協同策略不僅保障了極端工況下的制動安全，還通過提升能量回收率延長了電動汽車續航里程。

3.2傳感器與電機控制的融合反饋

傳感器數據與電機控制的實時融合反饋關鍵在于高速信息交互與動態調整。系統通過十余個傳感器持續采集車輛運行數據，經高速傳輸線路匯聚至中央控制單元5。在此過程中，系統首先進行時間同步與噪聲濾波處理，生成實時車輛狀態信息。基于該信息，系統自動計算所需制動力量并轉換為電機控制指令。當實際制動力與目標值偏差較小時，通過自動調節程序進行微調；若偏差超出安全閾值，則啟動故障診斷程序。依托高速數據傳輸，系統實現了緊急制動時的快速減速、防抱死控制及最大化能量回收。

3.3 系統級安全保障與故障應對機制

電動汽車的核心部件均需要設置并行工作系統，當主要功能單元出現異常時，備用系統可立即接管工作。其中，動力電池組被劃分為多個相互隔離的子單元，某個子單元發生故障時，系統會自動切斷該區域電路，避免故障擴散。汽車的轉向與制動系統除了可以采用電子控制方式，其還能通過直接機械連接來實現操控，這樣即使電子控制系統完全失效，駕駛員也能操控方向盤和制動踏板來維持穩定行駛。而當檢測到參數超過安全閾值時，如電機溫度異常升高，系統將自動降低輸出功率，同時提升冷卻強度。如果發生信號傳輸中斷，則立即限制最高車速，關閉非核心用電器并在儀表區域點亮警示標識。所有故障事件均生成加密日志存入車載存儲器，從而為維修人員提供精準的診斷依據。電動汽車的安全防護與故障應對依賴于三個關鍵環節的緊密配合，系統會始終關注車輛核心部件的實時工作數據，根據問題的嚴重程度采取不同強度的處理措施，并通過定期檢測與更新來預防問題發生。這種多層次的保護模式使車輛在各種復雜環境下都能穩定運行。整個防護體系不是固定不變的，它會根據實際運行中積累的經驗持續改進監控方法，優化應對策略。通過不斷學習新的故障模式，系統對潛在風險的識別能力逐漸提升，從而在確保安全的前提下使車輛的各項性能保持協調運作。

4結束語

本研究圍繞汽車電子制動系統中電力驅動技術與安全性協同優化展開，雙系統冗余架構與壓力梯度過渡算法有效消除了電力-機械制動模式切換時的頓挫問題，閉環控制算法顯著降低了電池過載、傳感器失效等場景下的安全風險。后續研究可進一步探索深度學習等智能化算法在動態制動力預測中的應用，推動電力驅動制動技術向更高水平發展。

注：本文為2024年度校級教學質量與教學改革工程項目（應用型品牌專業）“電子信息工程”（YYXZY2024001）的研究成果。

參考文獻

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（編輯林子衿）