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从小白到自动驾驶系统工程师17——线控制动

发布时间: 2022-06-19 03:30:57 来源:OB欧宝体育官网 作者:OB欧宝体育平台

  、盘式制动、鼓式制动等,你知道么?人类最早的制动是“声控”的,“吁”和“驾”控制着马车的停和走,只不过制动的效果,就得看胯下那位的心情了。

  早期的车辆因为车速低、质量小、行驶慢,制动采用的是完全由人体提供能量的机械制动。当时的制动系统和现在的自行车一样,就是单纯靠驾驶者通过简单的机械装置向制动器施加作用力来实现刹车。现在纯机械的制动系统在汽车上已经绝迹,但在一些低端的农用车、拖拉机上还在使用机械制动系统。

  随着汽车的质量越来越大、车速越来越快,对制动系统的要求越来越高,单靠人体的能量已经不能让车辆很快停下来了,所以必须借助相关的助力装置(例如:真空助力器、高压储气筒),通过制动液或者气体传递制动压力。在此阶段还出现了电子制动系统,如ABS等。

  随着技术的发展,制动系统不仅仅要满足制动性能要求,还要追求高效能、高可靠、高集成等特性,线控制动系统应运而生。

  “线控技术”一词来源于NASA的飞机控制系统—— “线传飞控”, 它将飞机驾驶员的操作命令转换成电信号,再利用计算机控制飞机飞行。简单地说,“线控技术”就是“电控技术”,用精确的电子传感器和电子执行元件代替传统的机械系统。这种控制方式引入到汽车驾驶上,就成为汽车线控技术。汽车线控技术一般包括线控制动、线控转向、线控油门、线控悬架,其中线控制动是最难的部分。

  线控制动(BBW)根据实现的难易程度分为了两条技术路线:湿式的液压式线控制动(EHB)、干式的机械式线控制动(EMB)。

  线控电子液压制动系统(Electro-Hydraulic Braking System,EHB)由内置踏板位移传感器、踏板感觉模拟器、电机、减速传动机构、制动主缸、壳体、控制器等组成。传统的真空助力器制动系统是一种依靠真空实现助力的纯机械的制动系统,而线控电子液压制动系统以电机为动力源,摆脱真空依赖,并引入了电控单元和多种传感器,使得制动系统实现电控化。

  传统制动工况时, EHB 通过系统内置的制动踏板行程传感器感知驾驶员的制动意图,并将这个信号传送给 ECU , ECU 根据驾驶员制动意图以及当前工况等各项因素,计算出制动力需求,然后驱动 EHB 电机,带动蜗轮蜗杆、齿轮齿条机构动作,进而推动制动主缸,产生所需的制动压力。

  线控制动工况时, ECU 根据 AEB 、ACC、自动驾驶系统等发出的制动请求,控制 EHB 电机旋转,带动蜗轮蜗杆、齿轮齿条机构动作,进而推动制动主缸,产生所需的制动压力。

  日立旗下的东机特工在2009年首次推出电液线控制动系统E-ACT,大部分日系混动或纯电车都采用这种设计,该方案采用直流无刷超高速电机配合滚珠丝杠直接推动主缸活塞达到电液线控制动,这套方案对滚珠丝杠的加工精度要求很高。传统的液压制动系统反应时间大约400-600毫秒,电液线控制动的响应时间大约为120-150毫秒,安全性能大幅度提高。百公里时速刹车可缩短9米以上的距离。

  用在混动和电动车上,可以回收几乎99%的刹车摩擦能量。电液线控制动系统E-ACT是目前公认最好的制动方式,为了保证系统的可靠性,这套制动系统一般都需要加入ESP(ESC)做系统备份。

  博世在2013年初推出了iBooster,并且应用大众(包括奥迪品牌,大众持有ibooster的部分专利)全系列电动与混动车上,其他客户还有特斯拉和卡迪拉克CT6。

  相比传统的液压制动器,EHB有了显著的进步,其结构紧凑、改善了制动效能、控制方便可靠、制动噪声显著减小、不需要真空装置、有效减轻了制动踏板的打脚、提供了更好的踏板感觉。由于模块化程度的提高,在车辆设计过程中又提高了设计的灵活性、减少了制动系统的零部件数量、节省了车内制动系统的布置、空间。可见相比传统的液压制动器,EHB有了很大的改善。但是EHB还是有其局限性,那就是整个系统仍然需要液压部件,其基本的还是离不开制动液。

  4、扩展性强,可实现自动驻车、陡坡缓降和坡道起步辅助等附加功能,且性能更好更稳定。

  7、可自动识别制动系统故障。当故障发生时, 可无需驾驶员介入,自动启动EPB、ESP、再生制动作为备份制动,安全性更高。

  液压系统结构复杂,专利门槛很高。为了突破大厂的封锁,也为了简化制动系统,纯粹的线控制动(EMB)近年来是个火热的研究领域。

  EMB最早是应用在飞机上的,如美国的F-15战斗机就采用了EMB制动器,后来才慢慢转化运用到汽车上来。

  EMB与EHB不同,它不是在传统液压制动系统上发展而来,而是与传统的制动系统有着极大的差别,完全抛弃了液压装置使用电子机械系统替代,其能量源只需要电能,因此执行和控制机构需要完全的重新设计。也就是说,EMB取消了使用一百多年的刹车液压管路,采用电机直接给刹车碟施加制动力。这个原理有点像电子手刹,但是与电子手刹最大的不同是它需要能够产生足够大的制动力并且制动线性要高度可调,响应要非常迅速。

  EMB系统中,所有液压装置(包括主缸、液压管路、助理装置等)均备电子机械系统替代,液压盘和鼓式制动器的调节器也被电机驱动装置取代。EMB系统的ECU通过制动器踏板传感器信号以及车速等车辆状态信号,驱动和控制执行机构的电机来产生所需的制动力。

  EMB取消液压系统,直接用电机驱动机械活塞制动,在结构和响应时间方面有明显优势:

  1、安全优势极为突出,大幅度缩短刹车距离,EMB的反应时间大约90毫秒,比iBooster的120毫秒更快速。

  2、没有液压系统,不会有液体泄露,对电动车来说尤其重要,液体泄露可能导致短路或元件失效,进而导致灾难。

  5、便于集成电子驻车、防抱死、制动力分配等附加功能,直接在控制器上添加代码即可。

  1、没有备份系统,对可靠性要求极高。特别是电源系统,要绝对保证稳定,其次是总线通信系统的容错能力,系统中每一个节点的串行通信都必须具备容错能力。同时系统需要至少两个CPU来保证可靠性。

  2、刹车力不足。EMB系统必须在轮毂中,轮毂的体积决定了电机大小,进而决定了电机功率不可能太大,而普通轿车需要1~2KW的刹车功率,这是目前小体积电机无法达到的高度,必须大幅度提高输入电压,即便如此也非常困难。

  3、工作环境恶劣。刹车片附近的温度高达数百度,而电机体积又决定了只能使用永磁电机,永磁在高温下会消磁。同时EMB有部分半导体元件需要工作在刹车片附近,没有半导体元件可以承受如此高的温度,而受体积限制,无法添加冷却系统。同时这是簧下元件,震动剧烈,永磁体无论是烧结还是粘结都很难承受强烈震动。对半导体元件也是个考验。需要一个高强度防护壳,然而轮毂内体积非常有限,恐怕难以做到。

  除非永磁材料有重大突破,居里温度点大幅度提高到1000摄氏度,否则EMB无法商业化。轮毂电机也是如此,不解决材料问题,轮毂电机商业化也不大可能。不过这种材料从理论上来说是不可能出现的。磁性越强,其居里温度点就越低,高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列必然从整齐划一到混乱无序,这是物理特性,无法改变。比如最好的磁王钕铁硼,一般使用N35牌号,其居里温度点为310摄氏度。但其工作温度上限只有80摄氏度,超过80度,磁性能就开始下降,到310度,磁性完全消失。而夏天汽车刹车盘的温度轻松超过100度,工作时温度轻松超过300度。

  现阶段,由于液压管路发展了上百年,已经是非常成熟可靠的系统,并且也能较好地控制成本,因此在传统液压制动系统上发展而来的EHB已经进入了量产阶段,很多供应商都可以提供这样的系统来实现新能源车所需要的协调式制动策略。

  而EMB虽然有着比传统的液压制动器和EHB两者都无法比拟的优势和广阔的运用前景,但纯靠永磁电机产生的制动力有限,要想大规模普及到前后车轮上还需要永磁体性能得到突破。虽然EMB是未来制动系统的终极发展方向,但只有解决了一些制约其自身发展的关键因素,才能得到越来越广发应用。线控制动的发展之路还任重道远。

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