汽车电子制动系统的研究初探

　　1 汽车制动的发展概况

　　20世纪80年代后期，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱制动系统(ABS)的应用和推广。ABS 集微电子、精密加工、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展。一方面，是扩大控制范围、增加控制功能；另一方面，是采用优化控制理论，实施伺服控制和高精度控制。经过100多年的发展，汽车制动系统的形式已经基本固定。随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。如凯西一海斯(K-H)公司在一辆实验车上安装了一种电一液(EHB)制动系统，该系统彻底改变了制动器的操作机理。

　　目前以最新技术形态出现的汽车电子系统是从飞机控制系统引来的，电子控制系统(X-by—Wire)用电子信号代替有形的连接，最终可望把驾驶员的控制装置与转向、制动机构之间机械的或液压的连接件，包括转向柱、中间轴、泵、软管、液压油、皮带、增压器及制动总泵等，通通淘汰出局，而且可以使用各种电机作动器，外加脚踏板和转向感觉模拟器，不仅减轻了重量，降低油耗和制造成本，相应也提高了可靠性和安全性。由于电线走向布置的灵活性，汽车操纵部件的布置也具有灵活性，提高了汽车设计的自由空间。美国通用汽车公司研制的“自主魔力”概念车，转向、制动、动力系统采用了X-by-Wire形式，使其整车控制采用电子而不是传统的机械方式进行。

　　2 国内外研究状况

　　在汽车电子技术研发上，着眼于解决环保和能源问题，不少国家在经济和政策上给予大力支持。

　　国外的大公司在电子控制技术上较为领先，ITT Automotive Europe进行了多年电子制动方面的研究，Continental Teves公司已推出几代制动执行器。马自达LS使用了压力分配的电子制动技术，它是利用汽车负载改变前后刹车转换。以气动ABS闻名的Wabco公司已经推出了电动制动的ABS系统。

　　在国内，目前仅拥有电动汽车的整车开发与试验设施，对电动汽车主要零部件电动化开发与试验还没有有效工具和方法，所以电动汽车的研发基本上还处于燃油汽车辅助系统动力源的电动化改装阶段。

　　3 电子制动系统的结构及特点

　　电子制动是指正常工作时在制动踏板和制动器之间没有机械连接，用电线取代部分或全部制动管路，并省去制动系统的很多阀。此外，在电子控制系统中设计相应程序，操纵电控元件来控制制动力的大小以及各轴的制动力分配，可完全实现使用传统制动系统所能达到的 ABS及ASR等功能。与传统的制动系统相比，所有油压管道、油压元件都被电子线路、电子元件所取代，安装也方便很多。此外对制动系统功能的整合也有很大帮助，包括ABS、制动力辅助系统、巡航控制、稳定性控制等，这些系统在传统的液(气)压制动系统上体现为独立、分离的单一硬件系统，而在BBW系统上只是整体系统中的子程序体现在控制程序的软件，而且可以轻易加入更多的输入信息和函数。

　　(1)电制动器。其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种，作动器是电动机。

　　(2)电子制动控制单元(ECU)。接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。由于各种控制系统如卫星定位、导航系统、自动变速系统、无级转向系统、悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成，所以ECU还得兼顾这些系统的控制。

　　(3)轮速传感器。准确、可靠、及时获得车轮速度。

　　(4)线束。给系统传递能源和电控制信号。

　　(5)电源。为整个电制动系统提供能源。与其他系统共用。可以是各种电源，也包括再生能源。

　　从结构上可以看出上述电子制动系统具有传统制动控制系统无法比拟的优点：

　　·缩短制动距离，优化稳定性；由于制动执行器和制动踏板之间没有了液压和机械连接取而代之是数据线，无疑这将大大减少制动器的作用时间，进而有效地缩短制动距离；

　　无需制动液，有利于环保；

　　·制动踏板可调，使舒适性和安全性更好；

　　·抗碰撞性能提高；

　　·在ABS模式下踏板无回弹振动；

　　·节省空间，零件减少；

　　·几乎无噪声；

　　·安装简易；

　　·可实现所有制动和稳定功能，如ABS、EBD、TCS、ESP、BA、ACC等；

　　·可与未来的交通管理系统轻松联网；．方便的集成附加功能，如电子驻车制动。

　　4 电子制动系统开发过程中的关键问题

　　BBW系统由于没有机械或液压后备，所以系统的可靠 性要求高，并且系统必须能容错。因此，系统需要有下列特点：可靠的能源来源、容错的通信协议和一些硬件的冗余等。下面是一些开发中的关键部分。

　　(1) 驱动能源问题。鼓式制动需100 W的功率，而盘式制动则需要1 kW。12 V的车辆电器系统难以支持执行电气制动的高功率需求。因此，建立42V电压系统机构十分重要，同时需要解决高电压带来的安全问题。

　　(2)对容错的要求。在完全取消了液压元件的系统中，没有独立的后备执行系统。此时，与其使用能安全停止工作的系统，不如采用容错或自动防故障系统。虽然许多技术能提高容错系统的安全性，更为根本的办法还是提供后备系统。当节点或电子控制单元出现故障时，在不破坏现有系统完整性的情况下，启用后备装置。容错程度应随应用场合而不同，但重要的传感器和控制器都应有备份。另外，系统中每一节点之间的串行通信必须支持容错。而容错就需要开发相应的通信协议。因为现在车辆应用的一些普通通信系统，如CAN等都不能满足容错要求。实现电子制动控制的关键技术是系统失效时的信息交流协议，如TTP／C。系统一旦出现故障，立即发出信息，确保信息传递符合法规。最适合的方法是采用时分多路复用电路控制(TDMA)，它可以保证不出现不可预测的信息滞后，TTP／C协议就是根据TDMA制定的。

　　(3)装用电机控制的执行器，要求高性价比的半导体具有较好的高温性能，以承受在制动执行器附近产生的高温。另外，需要开发轻的低价位的车辆制动器，而且由于轮毂尺寸的限制，尺寸要满足设计要求。

　　(4)抗干扰处理。车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响，控制系统的软件和硬件如何实现部件化以适应不同种类的车型需要，如何实现底瘟的部件化，是一个重要的难题。只有将制动、转向、悬架、导航等系统综合考虑，从算法上部件化，建立数据总线系统，才能以最低的成本获得最好的控制系统。

　　随着技术的进步，上述各种问题会逐步得到解决，电子制动控制系统会真正代替传统的以液压为主的制动控制系统，其示意图见图3。

　　同时，随着其它汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降。汽车电子制动控制系统将与其它汽车电子系统如电子悬架、电子转向、电子导航、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个ECU中，并将逐渐代替常规的控制系统，全面实现车辆控制的智能化。

　　5 电子制动系统原理样机的模块化设计

　　(1)车轮制动模块

　　车轮制动模块由制动执行器、制动执行器ECU等组成。整车共4个车轮制动模块。该执行器采用了电机内置结构，其最大特点是模块化，整个机构分为3个独立模块：驱动电机、行星齿轮减速部分、把螺旋运动变成丝杠直线运动的行星滚子螺旋传动部分。

　　驱动电机的选择：由于永磁无刷直流力矩电机的无可比拟的优点，选定它作为制动电机。把电动机安装在车轮轮毂内，既提高了车体空间的利用率又舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等机械传动部件，使整车重量减轻，降低了机械传动损耗，并具有更灵活的行驶驱动特性。由于执行器经常在堵转状态下工作，要求电机的堵转特性好，允许长时间堵转，且要求电机的空载转速尽可能高。在正常状态下，通过调节电机输入电流的变化，实现电机输出扭矩的变化。

　　减速机构的选择：行星齿轮减速机构。降低电机转速，增大输出扭矩，并有一定的轴向承载能力。

　　滚珠丝杠副：把电机输出的旋转运动变成丝杠的直线运动，对制动钳施加压力，产生制动力。

　　制动器：盘式和鼓式制动器。

　　传感器：轮速、压力和角位移传感器。

　　(2)中央电子控制单元

　　作为电子制动系统的核心，ECU要接受制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接受驻车制动信号，控制驻车制动；接受车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。由于未来车辆中各种控制系统，如卫星定位、导航、自动变速、无级转向、悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成，所以ECU还得兼顾这些系统的控制。

　　(3)电子踏板模块

　　它带有踏板感觉模拟器和用以感知驾驶意愿的传感器。电子制动系统取消了传统液(气)压制动系统中机械式传力机构和真空助力器，取而代之的是踏板模拟器。它将作用在踏板上的力和速度转化为电信号，送给中央ECU。踏板模拟器的输入输出特性曲线要符合人们的驾驶习惯，并根据人体工程学设计以提高舒适性和安全性。

　　6 展望

　　随着其它汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本不断下降。汽车电子制动控制系统将与其它汽车电子系统如电子悬架、电子转向、电子导航、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来汽车中不 存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个ECU中，并将逐渐代替常规的控制系统，全面实现车辆控制的智能化。预计，到2010年40％欧洲生产的汽车将采用X-by-Wire技术。随着X—by-Wire的发展，Brake-by-Wire、Thrust-by-Wire、Steer-by-Wire、Shift-by- Wire等by-Wire系统将成为X-by-Wire系统的各个子系统，它们之间会有一些数据共享，将有一个更大的通讯系统来实现之间的通讯，从而使整个汽车成为一个完全的X-by—Wire系统。不过，汽车电子制动系统的发展受到整个汽车工业发展的制约，只有巨大的现有及潜在的汽车市场吸引，各种先进的汽车电子、信息以及各种智能技术才能不断应用到汽车制动控制系统中，同时也需要国际及国内相关法规健全，电子制动系统才会真正批量应用到汽车中。