汽車電子制動系統(tǒng)的初步研究與探討

　　1 汽車制動的發(fā)展概況

　　20世紀80年代后期，世界汽車技術領域最顯著的成就就是防抱制動系統(tǒng)(ABS)的應用和推廣。ABS 集微電子、精密加工、液壓控制技術為一體，是機電一體化的高技術產(chǎn)品。它的安裝大大提高了汽車的主動安全性和操縱性。車輛制動控制系統(tǒng)的發(fā)展主要是控制技術的發(fā)展。一方面，是擴大控制范圍、增加控制功能；另一方面，是采用優(yōu)化控制理論，實施伺服控制和高精度控制。經(jīng)過100多年的發(fā)展，汽車制動系統(tǒng)的形式已經(jīng)基本固定。隨著電子，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，汽車制動系統(tǒng)的形式也將發(fā)生變化。如凱西一海斯(K-H)公司在一輛實驗車上安裝了一種電一液(EHB)制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)徹底改變了制動器的操作機理。

　　目前以最新技術形態(tài)出現(xiàn)的汽車電子系統(tǒng)是從飛機控制系統(tǒng)引來的，電子控制系統(tǒng)(X-by—Wire)用電子信號代替有形的連接，最終可望把駕駛員的控制裝置與轉(zhuǎn)向、制動機構之間機械的或液壓的連接件，包括轉(zhuǎn)向柱、中間軸、泵、軟管、液壓油、皮帶、增壓器及制動總泵等，通通淘汰出局，而且可以使用各種電機作動器，外加腳踏板和轉(zhuǎn)向感覺模擬器，不僅減輕了重量，降低油耗和制造成本，相應也提高了可靠性和安全性。由于電線走向布置的靈活性，汽車操縱部件的布置也具有靈活性，提高了汽車設計的自由空間。美國通用汽車公司研制的“自主魔力”概念車，轉(zhuǎn)向、制動、動力系統(tǒng)采用了X-by-Wire形式，使其整車控制采用電子而不是傳統(tǒng)的機械方式進行。

　　2 國內(nèi)外研究狀況

　　在汽車電子技術研發(fā)上，著眼于解決環(huán)保和能源問題，不少國家在經(jīng)濟和政策上給予大力支持。

　　國外的大公司在電子控制技術上較為領先，ITT Automotive Europe進行了多年電子制動方面的研究，Continental Teves公司已推出幾代制動執(zhí)行器。馬自達LS使用了壓力分配的電子制動技術，它是利用汽車負載改變前后剎車轉(zhuǎn)換。以氣動ABS聞名的Wabco公司已經(jīng)推出了電動制動的ABS系統(tǒng)。

　　在國內(nèi)，目前僅擁有電動汽車的整車開發(fā)與試驗設施，對電動汽車主要零部件電動化開發(fā)與試驗還沒有有效工具和方法，所以電動汽車的研發(fā)基本上還處于燃油汽車輔助系統(tǒng)動力源的電動化改裝階段。

　　3 電子制動系統(tǒng)的結構及特點

　　電子制動是指正常工作時在制動踏板和制動器之間沒有機械連接，用電線取代部分或全部制動管路，并省去制動系統(tǒng)的很多閥。此外，在電子控制系統(tǒng)中設計相應程序，操縱電控元件來控制制動力的大小以及各軸的制動力分配，可完全實現(xiàn)使用傳統(tǒng)制動系統(tǒng)所能達到的 ABS及ASR等功能。與傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)相比，所有油壓管道、油壓元件都被電子線路、電子元件所取代，安裝也方便很多。此外對制動系統(tǒng)功能的整合也有很大幫助，包括ABS、制動力輔助系統(tǒng)、巡航控制、穩(wěn)定性控制等，這些系統(tǒng)在傳統(tǒng)的液(氣)壓制動系統(tǒng)上體現(xiàn)為獨立、分離的單一硬件系統(tǒng)，而在BBW系統(tǒng)上只是整體系統(tǒng)中的子程序體現(xiàn)在控制程序的軟件，而且可以輕易加入更多的輸入信息和函數(shù)。

　　電子制動的結構如圖1所示。圖2是該系統(tǒng)的配置圖。其主要包含以下部分。

　　(1)電制動器。其結構和液壓制動器基本類似，有盤式和鼓式兩種，作動器是電動機。

　　(2)電子制動控制單元(ECU)。接收制動踏板發(fā)出的信號，控制制動器制動；接收駐車制動信號，控制駐車制動；接收車輪傳感器信號，識別車輪是否抱死、打滑等，控制車輪制動力，實現(xiàn)防抱死和驅(qū)動防滑。由于各種控制系統(tǒng)如衛(wèi)星定位、導航系統(tǒng)、自動變速系統(tǒng)、無級轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)與制動控制系統(tǒng)高度集成，所以ECU還得兼顧這些系統(tǒng)的控制。

　　(3)輪速傳感器。準確、可靠、及時獲得車輪速度。

　　(4)線束。給系統(tǒng)傳遞能源和電控制信號。

　　(5)電源。為整個電制動系統(tǒng)提供能源。與其他系統(tǒng)共用?？梢允歉鞣N電源，也包括再生能源從結構上可以看出上述電子制動系統(tǒng)具有傳統(tǒng)制動控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點：

縮短制動距離，優(yōu)化穩(wěn)定性；由于制動執(zhí)行器和制動踏板之間沒有了液壓和機械連接取而代之是數(shù)據(jù)線，無疑這將大大減少制動器的作用時間，進而有效地縮短制動距離；
無需制動液，有利于環(huán)保；
制動踏板可調(diào)，使舒適性和安全性更好；
抗碰撞性能提高；
在ABS模式下踏板無回彈振動；
節(jié)省空間，零件減少；
幾乎無噪聲；
安裝簡易；
可實現(xiàn)所有制動和穩(wěn)定功能，如ABS、EBD、TCS、ESP、BA、ACC等；
可與未來的交通管理系統(tǒng)輕松聯(lián)網(wǎng)；．方便的集成附加功能，如電子駐車制動。

　　4 電子制動系統(tǒng)開發(fā)過程中的關鍵問題

　　BBW系統(tǒng)由于沒有機械或液壓后備，所以系統(tǒng)的可靠 性要求高，并且系統(tǒng)必須能容錯。因此，系統(tǒng)需要有下列特點：可靠的能源來源、容錯的通信協(xié)議和一些硬件的冗余等。下面是一些開發(fā)中的關鍵部分。

　　(1) 驅(qū)動能源問題。鼓式制動需100 W的功率，而盤式制動則需要1 kW。12 V的車輛電器系統(tǒng)難以支持執(zhí)行電氣制動的高功率需求。因此，建立42V電壓系統(tǒng)機構十分重要，同時需要解決高電壓帶來的安全問題。

　　(2)對容錯的要求。在完全取消了液壓元件的系統(tǒng)中，沒有獨立的后備執(zhí)行系統(tǒng)。此時，與其使用能安全停止工作的系統(tǒng)，不如采用容錯或自動防故障系統(tǒng)。雖然許多技術能提高容錯系統(tǒng)的安全性，更為根本的辦法還是提供后備系統(tǒng)。當節(jié)點或電子控制單元出現(xiàn)故障時，在不破壞現(xiàn)有系統(tǒng)完整性的情況下，啟用后備裝置。容錯程度應隨應用場合而不同，但重要的傳感器和控制器都應有備份。另外，系統(tǒng)中每一節(jié)點之間的串行通信必須支持容錯。而容錯就需要開發(fā)相應的通信協(xié)議。因為現(xiàn)在車輛應用的一些普通通信系統(tǒng)，如CAN等都不能滿足容錯要求。實現(xiàn)電子制動控制的關鍵技術是系統(tǒng)失效時的信息交流協(xié)議，如TTP／C。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，立即發(fā)出信息，確保信息傳遞符合法規(guī)。最適合的方法是采用時分多路復用電路控制(TDMA)，它可以保證不出現(xiàn)不可預測的信息滯后，TTP／C協(xié)議就是根據(jù)TDMA制定的。

　　(3)裝用電機控制的執(zhí)行器，要求高性價比的半導體具有較好的高溫性能，以承受在制動執(zhí)行器附近產(chǎn)生的高溫。另外，需要開發(fā)輕的低價位的車輛制動器，而且由于輪轂尺寸的限制，尺寸要滿足設計要求。

　　(4)抗干擾處理。車輛在運行過程中會有各種干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響，控制系統(tǒng)的軟件和硬件如何實現(xiàn)部件化以適應不同種類的車型需要，如何實現(xiàn)底瘟的部件化，是一個重要的難題。只有將制動、轉(zhuǎn)向、懸架、導航等系統(tǒng)綜合考慮，從算法上部件化，建立數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，才能以最低的成本獲得最好的控制系統(tǒng)。

　　隨著技術的進步，上述各種問題會逐步得到解決，電子制動控制系統(tǒng)會真正代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以液壓為主的制動控制系統(tǒng)，其示意圖見圖3。

　　同時，隨著其它汽車電子技術特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子元件的成本及尺寸不斷下降。汽車電子制動控制系統(tǒng)將與其它汽車電子系統(tǒng)如電子懸架、電子轉(zhuǎn)向、電子導航、無人駕駛系統(tǒng)等融合在一起成為綜合的汽車電子控制系統(tǒng)，未來的汽車中就不存在孤立的制動控制系統(tǒng)，各種控制單元集中在一個ECU中，并將逐漸代替常規(guī)的控制系統(tǒng)，全面實現(xiàn)車輛控制的智能化。

　　5 電子制動系統(tǒng)原理樣機的模塊化設計

　　(1)車輪制動模塊

　　車輪制動模塊由制動執(zhí)行器、制動執(zhí)行器ECU等組成。整車共4個車輪制動模塊，其結構如圖4所示。該執(zhí)行器采用了電機內(nèi)置結構，其最大特點是模塊化，整個機構分為3個獨立模塊：驅(qū)動電機、行星齒輪減速部分、把螺旋運動變成絲杠直線運動的行星滾子螺旋傳動部分。

　　驅(qū)動電機的選擇：由于永磁無刷直流力矩電機的無可比擬的優(yōu)點，選定它作為制動電機。把電動機安裝在車輪輪轂內(nèi)，既提高了車體空間的利用率又舍棄了傳統(tǒng)的離合器、減速器、傳動橋等機械傳動部件，使整車重量減輕，降低了機械傳動損耗，并具有更靈活的行駛驅(qū)動特性。由于執(zhí)行器經(jīng)常在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作，要求電機的堵轉(zhuǎn)特性好，允許長時間堵轉(zhuǎn)，且要求電機的空載轉(zhuǎn)速盡可能高。在正常狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)電機輸入電流的變化，實現(xiàn)電機輸出扭矩的變化。

　　減速機構的選擇：行星齒輪減速機構。降低電機轉(zhuǎn)速，增大輸出扭矩，并有一定的軸向承載能力。

　　滾珠絲杠副：把電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動變成絲杠的直線運動，對制動鉗施加壓力，產(chǎn)生制動力。

　　制動器：盤式和鼓式制動器。

　　傳感器：輪速、壓力和角位移傳感器?！?2)中央電子控制單元

　　作為電子制動系統(tǒng)的核心，ECU要接受制動踏板發(fā)出的信號，控制制動器制動；接受駐車制動信號，控制駐車制動；接受車輪傳感器信號，識別車輪是否抱死、打滑等，控制車輪制動力，實現(xiàn)防抱死和驅(qū)動防滑。由于未來車輛中各種控制系統(tǒng)，如衛(wèi)星定位、導航、自動變速、無級轉(zhuǎn)向、懸架系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)與制動控制系統(tǒng)高度集成，所以ECU還得兼顧這些系統(tǒng)的控制。

　　(3)電子踏板模塊

　　它帶有踏板感覺模擬器和用以感知駕駛意愿的傳感器。電子制動系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)液(氣)壓制動系統(tǒng)中機械式傳力機構和真空助力器，取而代之的是踏板模擬器。它將作用在踏板上的力和速度轉(zhuǎn)化為電信號，送給中央ECU。踏板模擬器的輸入輸出特性曲線要符合人們的駕駛習慣，并根據(jù)人體工程學設計以提高舒適性和安全性。

　　6 展望

　　隨著其它汽車電子技術特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子元件的成本不斷下降。汽車電子制動控制系統(tǒng)將與其它汽車電子系統(tǒng)如電子懸架、電子轉(zhuǎn)向、電子導航、無人駕駛系統(tǒng)等融合在一起成為綜合的汽車電子控制系統(tǒng)，未來汽車中不 存在孤立的制動控制系統(tǒng)，各種控制單元集中在一個ECU中，并將逐漸代替常規(guī)的控制系統(tǒng)，全面實現(xiàn)車輛控制的智能化。預計，到2010年40％歐洲生產(chǎn)的汽車將采用X-by-Wire技術。隨著X—by-Wire的發(fā)展，Brake-by-Wire、Thrust-by-Wire、Steer-by-Wire、Shift-by- Wire等by-Wire系統(tǒng)將成為X-by-Wire系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)，它們之間會有一些數(shù)據(jù)共享，將有一個更大的通訊系統(tǒng)來實現(xiàn)之間的通訊，從而使整個汽車成為一個完全的X-by—Wire系統(tǒng)。不過，汽車電子制動系統(tǒng)的發(fā)展受到整個汽車工業(yè)發(fā)展的制約，只有巨大的現(xiàn)有及潛在的汽車市場吸引，各種先進的汽車電子、信息以及各種智能技術才能不斷應用到汽車制動控制系統(tǒng)中，同時也需要國際及國內(nèi)相關法規(guī)健全，電子制動系統(tǒng)才會真正批量應用到汽車中。