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線控制動技術(BBW)概述
作者: 寒星1999 來源: IND4汽車人 日期: 2019年9月19日

前言
隨著汽車電子技術的不斷發展,傳統的機械系統多數被電子元件代替,‘線控’,這一名詞成了標榜自己高大上的必備詞匯,你要不說自己是線控的系統,似乎你就是來自遠古時代。
 
線控技術本身與我們的生活非常之近,在汽車中,也布滿了各種各樣的線控技術,輔助的系統如汽車影音控制、自動空調、電動調節后視鏡、座椅、雨刷、各種電子穩定系統等。控制系統如電子油門、電子變速器擋把等。
 
電子油門踏板
 

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電子換擋
 
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從技術來講汽車上幾乎所有的操作控制都可以實現線控。今天就來扒一扒什么是線控技術,作為制動出身,自然先聊線控制動了。
 
“線控技術(X-by-Wire)”一詞來源于NASA的飛機控制系統--“線傳飛控(Fly-by-Wire)”,它將飛機駕駛員的操縱、操作命令轉換成電信號,利用計算機控制飛機飛行。下圖為波音777的駕駛艙,駕駛艙內所有操控單元都采用線控技術設計。
 
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簡單的說,“線控技術”就是“電控技術”,用精確的電子傳感器和電子執行元件代替傳統的機械系統。這種控制方式引入到汽車駕駛上,就成為汽車線控技術。其中,“X”代表汽車中傳統上由機械或者液壓控制的各個功能部件,所以代替制動(Brake)就有線控制動(Brake-by-Wire)。
 
1,制動技術的發展
要說最早的“制動”全都靠“吼”,那就是馬車的“人工聲控制動”,“吁”和“駕”控制著停和走,只不過制動的效果,就得看胯下那位的心情了。
 
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汽車的制動系統來源于馬車,但從汽車誕生時起,制動系統在車輛的安全方面就起著至關重要的作用。制動技術的發展,按照力的傳遞方式不同,可以劃分為以下三個階段:
 
第一個階段是機械制動,制動能量完全由人體來提供,經典制動方式如下圖:
 
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這個階段汽車的主要特點是:質量小、結構簡陋、動力不足、行駛緩慢,因此對制動力要求不高,依靠純機械式制動系統便足以滿足制動要求。因此,當時的制動系統和現在的自行車一樣,就是單純靠駕駛者通過簡單的機械裝置向制動器施加作用力來實現剎車。
 
現在純機械的制動系統在汽車上已經絕跡,但在一些低端的農用車、拖拉機上基本還在使用機械制動系統。
 
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第二個階段是壓力制動,包含液壓制動和氣壓制動,這個階段的主要特點是:汽車質量越來越大,車速越來越快,對制動系統要求越來越高,所以必須借助相關的助力器(例如:真空助力器)裝置,通過制動液或者氣體傳遞制動壓力。在此階段還出現了電子制動系統,如ABS等。此階段的制動系統拓撲圖如下圖示。
 
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第三個階段是線控制動,這個階段的制動系統不僅僅為了滿足制動性能要求,更多的是為了追求高效能、可靠性、集成化等特性。發展至今,線控制動技術在是F1賽車上的應用已經非常成熟,但因其成本及技術問題,并未在乘用車上普及。
 
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如果剎車踏板僅僅只連接一個剎車踏板位置傳感器,踏板與制動系統之間沒有任何剛性連接或液壓連接的,都可以視為BBW線控制動。早期的寶馬M3曾經采用過BBW這種制動方式,但是受制于十多年前的電子系統可靠性和耐用性以及成本,后來新款的M3又換回了傳統制動。
 
而近幾年,自動駕駛時代的逼近推動了線控制動技術的進一步發展。線控制動是自動駕駛汽車“控制執行層”中最關鍵的,也是技術難度最高的部分。由于技術發展程度的局限,目前出現了兩種形式的線控制動系統:電子液壓制動系統(EHB)和電子機械制動系統(EMB)。
 
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2,線控制動基本原理
線控制動(Brake-by-Wire)將原有的制動踏板用一個模擬發生器替代,用以接受駕駛員的制動意圖,產生、傳遞制動信號給控制和執行機構,并根據一定的算法模擬反饋給駕駛員。顯而易見,它需要非常安全可靠的結構,用以正常的工作。其基本工作原理如下圖所示:
 
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但EHB和EMB在傳力路徑上又有很大不同,下面分別簡述EHB和EMB的工作原理和特性。
 
1電子液壓制動系統EHB
EHB是在傳統的液壓制動器基礎上發展來的,與傳統制動系統相比,最大的區別在于:EHB用電子元件替代傳統制動系統中的部分機械元件,即用綜合制動模塊取代傳統制動系統中的助力器、壓力調節器和ABS模塊,其基本發展路徑如下圖示。
 
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制動踏板也不再與制動輪缸直接相連,而是采用的是電傳剎車踏板,即剎車踏板與制動系統并無剛性連接,也無液壓連接(如果有也只是作為備用系統,如左下圖示),而是僅僅連接著一個制動踏板傳感器,用于給電腦(EHB、ECU)輸入一個踏板位置信號。
 
典型EHB由踏板位移傳感器、電子控制單元ECU、執行器機構等部分組成(如下圖示)。
 
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正常工作時,制動踏板與制動器之間的液壓連接斷開,備用閥處于關閉狀態。電子踏板配有踏板感覺模擬器和電子傳感器,ECU可以通過傳感器信號判斷駕駛員的制動意圖,并通過電機驅動液壓泵進行制動。電子系統發生故障時,備用閥打開,EHB系統變為傳統的液壓系統。
 
EHB系統由于具有冗余系統,安全性在用戶的可接受性方面更具優勢,且此類型產品成熟度高,目前各大供應商都在推行其開發的產品,如博世ibooster、大陸的MK C1、采埃孚IBC…
 
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2電子機械制動系統(EMB)
EMB最早是應用在飛機上的,如美國的F-15戰斗機就采用了EMB制動器,后來才慢慢轉化運用到汽車上來。
 
EMB與EHB不同,它不是在傳統液壓制動系統上發展而來,而是與傳統的制動系統有著極大的差別,完全拋棄了液壓裝置使用電子機械系統替代,其能量源只需要電能,因此執行和控制機構需要完全的重新設計。也就是說,EMB取消了使用一百多年的剎車液壓管路,采用電機直接給剎車碟施加制動力。這個原理有點像電子手剎,但是與電子手剎最大的不同是它需要能夠產生足夠大的制動力并且制動線性要高度可調,響應要非常迅速。
 
EMB系統中,所有液壓裝置(包括主缸、液壓管路、助理裝置等)均備電子機械系統替代,液壓盤和鼓式制動器的調節器也被電機驅動裝置取代。EMB系統的ECU通過制動器踏板傳感器信號以及車速等車輛狀態信號,驅動和控制執行機構的電機來產生所需的制動力。其工作原理及典型EMB系統如下圖示。
 
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最近幾年一些國際大型汽車零配件廠商和汽車廠進行了一些對于EMB制動系統的研究工作,也申請了一部分專利,主要參與競爭的公司有:ContinentalTeves、Siemens、Bosch、Eaton、Allied Signal、Delphi,Varity Lucas、Hayes、Haldex等等,而國內在此項目上的研究基本為空白,僅有二汽、清華大學和南京航空航天大學進行了一些相關的研究工作。
 
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3,線控技術的優點及制約因素
現代的汽車電子化程度越來越高,新能源汽車和自動駕駛汽車的發展又進一步加快了這種趨勢。由于EHB以液壓為制動能量源,液壓的產生和電控化相對來說比較困難,不容易做到和其他電控系統的整合;而且液壓系統的重量對輕量化不利。在汽車越來越像電子產品的今天,EHB的優點并沒有遠遠蓋過它的缺點,所以,EHB的大面積普及并不被看好。
 
未來可能成為主流的線控制動系統將是EMB,但EMB技術在汽車上的應用并不成熟,短期內難以量產。下面重點介紹EMB的優點和目前發展的制約因素:
 
1)EMB的優點:
(1)安全優勢極為突出,反應時間100ms以內,大幅度縮短剎車距離。
(2)不需要助力器,讓出布置空間。
(3)沒有液壓系統,質量輕且環保。
(4)ABS模式下無回彈震動,可以消除噪音。
(5)便于集成電子駐車、防抱死、制動力分配等附加功能,直接在控制器添加代碼即可。
 
2目前發展的制約因素:
(1)無液壓備用制動系統,對可靠性要求極高。包括穩定的電源系統、更高的總線通信容錯能力和電子電路的抗干擾能力。
(2)剎車力不足。因輪轂處布置體積決定制動電機不可能太大,需開發配備較高電壓(如48V)系統提高電機功率。
(3)工作環境惡劣,特別是高溫。因屬于簧下部件,振動高,且剎車溫度達幾百度,制約現有EMB零部件的設計。如:因空間限制,制動電機只能采用永磁式,而最好的磁王釹鐵硼(N35牌號)工作上限80℃,310℃磁性消失,制動電機無法工作。另如:EMB部分半導體需工作在剎車片附近,不能承受幾百度的高溫,且因體積限制難以配置冷卻系統。
 
4,總結
現階段,由于液壓管路發展了上百年,已經是非常成熟可靠的系統,并且也能較好的控制成本,因此在傳統液壓制動系統上發展而來的EHB已經進入了量產階段,很多供應商都可以提供這樣的系統來實現新能源車所需要的協調式制動策略。
 
而EMB雖然有著比傳統的液壓制動器和EHB兩者都無法比擬的優勢和廣闊的運用前景,但純靠永磁電機產生的制動力有限,要想大規模普及到前后車輪上還需要永磁體性能得到突破。雖然EMB是未來制動系統的終極發展方向,但只有解決了一些制約其自身發展的關鍵因素,才能得到越來越廣發應用。線控制動的發展之路還任重道遠。

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