线控制动系统及相关概念介绍-电子工程世界

#01 制动系统及相关概念介绍

当前，线控制动系统（BBW-brake by wire）在市场车辆上应用愈加广泛，电子液压制动（EHB-Electro-Hydraulic Brake System）系统是BBW系统的典型形式。

#02 电子液压制动系统分类

EHB代替了真空助力器，根据制动踏板与制动轮缸之间的耦合程度可以采用非解耦、半解耦或者全解耦三种模式：

1、非解耦式系统

非解耦式制动系统中驾驶员作用在踏板推杆上的力直接作用于制动主缸，同时电机也给制动主缸提供助力协助驾驶员制动。该类系统完全模拟真空助力器的制动模式，用电机助力替换真空助力。

2、半解耦式系统

半解耦式系统的踏板推杆与制动主缸之间存在一定的解耦间隙，驾驶员踩下制动踏板后，系统建压至驾驶员需求的制动力，在此过程中，解耦间隙一直存在。驾驶员需求的制动力也可以通过系统建压单元和驱动电机反拖一起实现，从而实现协调式制动能量回收，由于解耦间隙的限制，能量回收的强度也会受到限制，一般情况下，解耦间隙的设置至少需要使驱动电机可达到0.3g的再生制动减速度。

当系统判断电机处于无法工作的状态时，驾驶员踩下制动踏板使推杆行程克服解耦间隙后，踏板力将直接作用于制动主缸从而实现应急制动。

解耦间隙示意图

半解耦系统需要踏板感觉模拟器实现踏板感觉模拟，踏板模拟器又可分为湿式和干式两种，常用的干式踏板感模拟器内部主要是一个弹簧阻尼机构，能灵活调节踏板感。

常用的湿式踏板模拟器如下图所示，这种制动系统增设了踏板感觉模拟装置，当驾驶员踩下制动踏板推动制动主缸时，若电机制动力满足驾驶员制动需求，则制动轮缸不需要制动液，主缸排出的制动液全部流入踏板感觉模拟装置；若电机制动力无法满足驾驶员制动需求，则通过液压调节单元控制制动液流入制动轮缸。踏板感觉模拟装置的作用就是在制动时容纳主缸排出的制动液，同时在常规制动过程中模拟驾驶员的踏板感觉。

制动控制系统原理图

3、全解耦式系统

“one-box”系统，“one-box”系统是一种典型的全解耦式系统，是将EHB控制器与制动主缸、踏板感觉模拟器集成在一起，形成一个高度集成化的线控液压制动系统。下图为IPB制动系统简图，主要分为三个部分：踏板-主缸-踏板模拟器部分，建压部分及压力调节部分。

IPB

IPB系统为解耦型系统。正常工作时，阀1，4，5结合，2，3断开。驾驶员踩踏板后制动液进入主缸和踏板模拟器并建立压力，踏板力-踏板行程曲线由主缸和踏板模拟器特性决定。与此同时，IPB ECU识别踏板位移信号，依据标定好的踏板位移-系统压力曲线控制电机建压，产生车辆减速度。在纵向及横摆运动控制中，通过ABS/EHB控制器液压调制模块对各轮轮缸压力进行调节。因此，对于IPB制动系统，踏板位移-减速度曲线是可以通过刷新标定参数进行更改的。

IPB降级模式比较复杂，不同的失效类型对应不同的降级模式，本文仅针对助力失效（如IPB断电）进行讨论。在此种模式下，IPB进入机械backup模式，阀1，4，5关闭，2，3打开，驾驶员踩踏板建立的压力直接进入轮缸并产生车辆减速度。根据法规ECE R13-H要求，系统应产生不小于2.44m/s^2的制动减速度。

因制动踏板解耦，无需过多考虑主缸需液量对踏板位移的影响，IPB的主缸缸径可比传统brake apply系统小，机械backup模式下，相同踏板力下系统产生压力较高。在制动系统匹配设计过程中，制动液体积（对应主缸行程和缸径）是一个着重需要注意的参数，设计时需要同时考虑如下因素：

backup模式下需达到2.44m/s^2的制动减速度（涉及到踏板及基础制动系统匹配）
车辆life time中的系统变化（如摩擦片磨损，系统刚度变化，摩擦系数变化等等）
传感器测量误差

小结：

为什么解耦就可以实现制动能量最大化呢？

众所周知，制动能量回收就是利用电机反向拖转产生能量，从而交给电池储存起来。通过记录驾驶员踩下的制动踏板行程和踏板力，计算得出驾驶员希望得到的减速度。优先使用电机拖转就行制动，如果不够则使用液压制动进行补偿。这样就通过解耦实现了最大限度的制动能量回收。

制动能量回收

这种由驱动电机作为发电机向车轮提供制动力的模式又称为电机再生制动，然而电机参与制动会对整车的制动性能产生影响。如上图所示，电机最大制动力矩随电机转速不断变化，当驾驶员踩下制动踏板时，整车控制器接收到踏板位移信号反馈的驾驶员制动需求。若当前转速下前轴电机最大制动力矩能满足前轴制动需求，则前轴制动力完全由前轴电机提供，若不能满足前轴制动需求，则需要液压制动力进行补偿。

制动能量回收策略

由于电机性能随转速变化不断波动，若要维持稳定的整车制动效能，则新能源汽车的液压制动系统应具备自动调节轮缸压力的能力。

对于传统的液压制动系统，驾驶员踩下制动踏板推动制动主缸使制动液直接经液压调节单元进入制动轮缸，产生固定比例的前后轴液压制动力。因此传统液压制动系统的制动压力受制动踏板控制，无法自动调节轮缸压力。

传统制动系统和解耦制动系统的区别

#03 EHB和EPB交互相关概念介绍

通常我们将制动分为行车制动和驻车制动，行车制动通常由EHB系统完成，驻车制动通常由电子驻车EPB(Electrical Parking Brake)系统完成，由于行车制动和驻车制动的厂商较多，会出现行车制动厂商为A,驻车制动厂商为B,为了统一接口，降本增效，VDA305提出了一套将EHB和EPB结合交互的方案，将原有的电子驻车制动控制集成在EHB控制器中，在实现所有电子驻车制动的功能的同时，节省了控制器数量。

为什么如此设计呢？EPB系统除了提供驻车功能外，还能在行车过程中控制制动液压的实现备份制动，而液压执行机构是集成于EHB控制器系统中的；而EHB控制器系统所包含的轮速传感器可以为EPB系统提供车速这一关键参数以确定当前车速是否能够驻车。因此，EPB和EHB控制器功能关联十分紧密，如果各自对应一个独立的ECU，两者之间注定有很多交互接口；把两者集成于一个ECU中也是自然而然能想到的一个既节省成本又降低整车E/E系统复杂度的方案。

另一方面，市面上精于EHB控制器系统的供应商和精于EPB系统的供应商往往不是一家。对于OEM而言，当选择不同的EPB系统和EHB控制器系统供应商时，如果各个供应商闭门造车，那么将EPB软件集成到EHB控制器软件时将会面临很多问题，首当其冲的问题是EPB和EHB控制器软件接口的定义如何统一。这就是VDA 305标准诞生的背景。VDA 305旨在标准化EPB系统的架构以及EPB软件和EHB控制器软件的交互接口，清晰地定义EPB系统和EHB控制器系统的供应商的职责范围，使OEM在选择供应商时有很大的自由度，也使得不同的供应商的合作更加高效，并由此引出了集成式电动驻车制动器和双控EPB的概念。

#04 集成式电动驻车制动器

集成式电动驻车制动器是一种取代传统驻车制动器的机动车辆机电系统。驻车制动器的作用是使车辆保持静止，防止车辆在保持和停车时滚动，并在行车制动器和辅助制动系统功能（不是舒适功能）丧失的情况下提供紧急备用能力，使车辆减速至静止。

->车辆上集成式电动驻车（电气连接）和液压制动功能（液压连接）工作循环的比较：

液压制动的液压控制在4个车轮上，压力值可调。集成式电动驻车机械控制仅在两个后轮上，夹紧力由卡钳供应商定义。

集成式电动驻车制动器架构

如上图，依据VDA305的集成式电动驻车制动器架构，VDA建议将EPB系统分为两部分，由两个不同的供应商提供。有一个EPB系统部件，称为Brake Assy，包含驻车制动执行器、驻车制动卡钳和执行逻辑（驻车制动控制器，PBC）（见图，绿色）。

EPB系统的第二部分，也称为HOST，包含EPB电源电子设备、必要的外围设备，并控制驾驶员可以体验的功能（见图，蓝色）。

PBC是专门为驻车制动器执行器设计的软件组件，集成到HOST中。本VDA建议中所述的EPB集成通过使用一个EHB控制器控制单元来区分。所用部件的逻辑表示及其对EPB和EHB控制器系统的分配如图集成式电动驻车制动器系统分布所示。

集成式电动驻车制动器系统分布

EPB系统

车轮制动器，包括驻车制动器执行器（左右制动卡钳）
用于控制驻车制动器执行器的PBC软件
用于激活EPB驻车制动执行器的EPB硬件
驾驶员可体验的功能主机软件和必要的外围设备（诊断、通信、车辆传感器、操作系统等）
通用硬件包含共同使用的硬件组件（例如微处理器、电子存储器组件等）

EHB控制器系统

EHB控制器硬件，用于实现在车辆的一个或所有车轮制动器处建立的主动液压
用于执行EHB控制器功能的EHB控制器软件：电子稳定控制、防抱死制动系统等。
通用硬件——共同使用的硬件组件（如微处理器、电子存储器组件等）

图集成式电动驻车制动器系统分布显示了绿色的制动器总成部件和蓝色的EHB控制器总成部件。

EPB和EHB控制器系统的总成零件明显不同（见图集成式电动驻车制动器系统分布）。EPB系统由制动组件和EHB控制器组件组成，而EHB控制器系统仅由EHB控制器组件组成。

EPB与集成式电动驻车制动器的区别

基本上，EPB和集成式电动驻车制动器都旨在通过卡钳夹紧后轮来安全地停车和固定车辆。但事实上，它们在技术和财务层面上都有所不同。

EPB->需要同时使用EHB控制器 ECU和EPB ECU来实现卡钳控制。这两个ECU之间的交互将通过CAN进行，因此，如果CAN信号传输出现问题，我们需要联系EPB供应商，并尝试共同解决问题。
集成式电动驻车制动器->EPB ECU集成在EHB控制器 ECU中。首先要降低成本。另一个优点是减少了连接器和布线的复杂性。EHB控制器和EPB通信更安全、更高效，因为所有信号和接口都在一个控制单元内。由于后卡钳配备了集成式驻车制动执行器，因此不仅可以根据EHB控制器的液压请求，还可以根据EPB的电气请求进行夹紧和释放。

集成式电动驻车制动器子功能

SSM功能（SSM(standstill manager)）

->DAR（驱离释放）

->BPA（制动片调整）

->KOA（Key out Apply）

->IOA（点火关闭应用）

->ESA（发动机失速应用，仅适用于MT车辆），例如在起步时释放离合器过快，导致熄火。然后IPB介入并扣留车辆。只有当起步是DAR时才可行。

->CDP（IPB疯狂驱动程序保护）

->SIPA（驻车档自动换档）

->SFPR（从驻车档自动换档）

PBC功能

PBC(parking brake control)

PBC是一个纯软件模块，其中包含夹紧力控制算法(clamping force control algorithm)、制动盘温度模型(brake disc temperature model)、重新夹紧功能(re-clamping functions)，诊断功能如制动片更换检测(brake pad replacement monitoring)等。此外，PBC还向Host Brake主机提供诊断制动总成所需的信息。PBC将作为“黑匣子”集成到EHB控制器 Assy中。

->SAR（静态应用和释放）

->HDR（热磁盘重新夹紧）

->ROR（滚装重新夹紧）

->HPS（液压支架）

->ADBF（执行器动态制动功能，打滑控制）

->XAR/XRR（外部申请/发布请求）

->RBT（滚筒台架试验）

->MNT（维护模式、服务和诊断功能）

小结：

具体可查阅 VDA305。

#05 Split-EPB双控EPB

汽车里面的驻车其实是有两套系统，见下图。一套是作用在汽车动力传动系统上，通过驻车棘爪卡住驻车齿轮，从而实现减速箱的传动轴锁止，这个就是传统意义的P挡。原来的P挡主要通过换挡杆连接棘爪来推动驻车，是一种机械方式，现在渐渐演变为通过电机来推动驻车，这就是电子驻车锁止（EPL）。一套是作用在汽车刹车系统上，通过制动盘与刹车片形成的摩擦力来实现驻车制动，原来的手刹是机械手刹，通过手刹手柄来拉紧制动盘，现在渐渐演变为通过电机来拉紧制动盘，这就是电子手刹（EPB）。