[汽车电子机械制动技术的发展及其关键技术] 什么是机械制动

汽车电子机械制动技术的发展及其关键技术

目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面,包括制动控制的理论和方法， 以及采用新的技术。

随着电子科技和网络技术的发展,出现了更加高效、节能的线控技术 （X-by-wire)。电子机械制动系统（Electro-MechanicalBraking,EMB),也就是结合 线控技术和汽车制动系统而成的线控制动系统(Brake-By-Wire,BBW),改变传统 液压或气压制动执行元件为电驱动元件。电子机械制动系统是一种全新的制动理 念,由于电驱动系统的可控性好、响应速度快的特点,电子机械制动系统极大的提 高了汽车的制动安全性能,显现出良好的发展前景。

2汽车电子机械制动系统的发展现状 目前电子机械制动技术已成为国外企业和研究机构的研究热点。

从20世纪90年代起，一些著名的汽车电子零部件厂商陆续开始了与电 子机械式制动系统（EMB)相关的研究。ContinentalTeves公司已经有了比较成型 的试验品,推出了几代电子机械式制动执行器，如图1所示。Bosch、Siemens也都 取得了各自的研究成果,并申请了一系列专利-TRW也在进行电子机械制动系统 （线控制动系统）的研究。目前EMB仍在试验阶段中,并无批量装车产品进人市 场,而国内在这方面的研究才刚刚起步。

3.电子机械制动系统的性能特点 与传统的液压制动系统相比,电子机械制动系统有许多优点: 1)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,取而代之的是数据线,无疑这将大大的减少制动器起作用的时间,进而有效地缩短制动距离；

2)无需制动液,有利于环保，不仅安装更加简单、快速，也有助于提髙 系统的再利用性,同时也减少了系统的重量；

3)没有了常规制动系统的真空增压器，减少了所需的空间,使机罩下的 布局更加灵活,零件减少,安装简易；

4)制动踏板可调,使舒适性和安全性更好、在ABS模式下踏板无回弹振 动,几乎无噪音；

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

6)可方便地与未来的交通管理系统联网、可方便地集成附加功能,如电 子驻车制动；

7)-些髙级的车辆控制系统,如主动巡航控制系统可以很简单地通过数 据总线与制动系统相连,而其它一些简单的功能只需额外的软件或传感器连到制 动系统即可。

EMB系统目前还有一些问题,如由于汽车外部环境的变化和磨损,引 起的制动执行器效率变化不定,这就给控制带来了困难等。

4电子机械式制动系统的工作原理及结构 4.1EMB系统的工作原理 与传统的液压制动系统相比,在电子机械制动系统中，电源代替了液 压源,机电作动器代替了液压作动装置。在EMB系统中,常规制动系统中的液压系 统（主缸、真空增压装置、液压管路等)都被如图2所示的电子机械系统所代替, 而液压盘和鼓式制动器的调节器被电机驱动装置（制动执行器)所代替,制动力由 电机产生，大小受电子控制器的控制。EMB系统的中央电子控制单元根据电子 踏板模块传感器的位移和速度信号，并且结合车速等其它传感器信号，向车轮制 动模块的电机发出信号控制其电流和转子转角，进而产生需要的制动力，以达到 制动的目的。由于没有备用的机械或液压系统,EMB系统的可靠性变得非常重要, 要求系统有备用的电源（在主电源失效时工作）和冗余的通讯链路(也就是连接制动踏板的三重冗余链路）。

图2电子机械制动系统示意图EMB系统的控制器采用高可靠度的总 线协议，控制系统冗余设计。为了减小空间，可以把电子元件安装在EMB 汽车电子机械制动系统主要由车轮制动模块、中央电子控制单元和电 子踏板模块、电源、线束等组成。图3为电子机械制动系统控制框图⑷。

1)车轮制动模块 车轮制动模块是整个制动系统中的关键部件，也是系统的执行元件， 由制动执行器、制动执行器ECU等组成。制动模块采用电力制动、电子控制,有 两个输人:即控制电信号输入和供能电流输入,制动执行器ECU接受控制信号，根 据它控制制动执行器电机的输出力矩和旋转方向，以产生和改变制动力。制动执 行器有两种设计方案:一是集成了力或力矩调节器内。

4.2EMB系统的结构组成 传感器;二是没有集成力或力矩传感器。第一种方案，由于有了力或 力矩传感器,可省去对制动力或制动力矩这一重要参数的计算,使系统变得更准确、 可靠。但力或力矩传感器价格昂贵,而且集成困难。第二种方案,需要根据电流或 电机转子转角来估算制动夹紧力。但由于外界环境的变化带来的温度的变化及磨 损的影响，不可能只根据电流或电机转子转角来计算夹紧力,须将两者结合起来， 才能收到好的效果。

2)中央电子控制单元(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， 实现防抱死制动和驱动防滑;ECU还将对系统的电源进行管理，分配电流。由于 未来车辆中各种控制系统，如卫星定位、导航系统，自动变速系丨统,转向系统， 悬架系统等的控制系统与制动控制系统髙度集成，所以ECU还得兼顾这些系统的 控制。3)电子踏板模块 电子机械制动系统取消了传统液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。图5为ContinentalTeves公司的电子踏板模块。

电子踏板模块可以提供与踏板转角成比例的反馈力，它将作用在踏板上的力和速 度转化为电信号,送给中央电子控制单元。可编程的中央电子控制单元将控制电 流输人到制动执行器模块，控制其输出所需的制动力。尽管看起来从踏板转换到 制动执行器的输出变得更复杂,但可编程的控制单元使系统设计者能够实现机械 系统无法达到的更柔性的传递功能。踏板模块的信号还能够与发动机电子控制单 元及变速器控制器共享,从而大大改进车辆的性能。踏板模拟器的输人输出特性 曲线要很好地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。目前已经应用的电子液压制动系统(EHB) 相对以前的制动系统的最大的改进就是使用了踏板模拟器，有效地提 高了制动响应速度。

2)电源 为整个电机机械制动系统提供能源。为保证整个系统能正常工作，系 统应有备用电源，当主电源系统电力不足或发生故障时，备用电源起作用。

3)车轮轮速传感器 为中央电子控制单元提供准确、可靠的每个车轮的轮速信号,判断在 制动过程车轮是否发生抱死。

4)线束 给系统传递能源和电控制信号。

5)驻车制动器 EMB系统在装配电子驻车制动系统,提供驻车制动和解除驻车制动的 电信号。

4电子机械制动系统的关键技术 EMB系统由于没有后备的机械或液压系统，所以系统的可靠性要求更高，并且系统必须是能容错的。另外还要求系统至少要有与现有系统一样的制 动性能,系统的使用寿命要长,易于维护、价格便宜，适合批量生产等。因此,EMB 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控制 等。下面是一些开发中的关键技术。

1)执行器的能量需求。采用全电的制动系统，需要很多的电能，日前 的12V车辆电器系统难以支持执行电气制动的髙功率需求。因此,建立42伏电压系 统十分重要，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。虽然许多技术能提髙容错系统的安全性，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不同而不同，但重要的传感器和控制器都 应该有备份。另外，系统中每一个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 不能满足容错的要求，所以需要开发一种新型的通信协议。目前世界上对协议研 究的比较多，大体有TTP/C、FlexRay、TTCAN等几种。

3)制动执行器的要求。装用电机控制的制动执行器，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髙温。另外，需要 开发重量轻、低价位的车辆制动器，而且由于轮毂尺寸的限制,它们的尺寸也需 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，目前常用两种 抗干扰控制系统:对称式和非对称式控制系统。对称式抗干扰控制系统是用两个 相同的CPU和同样的计算程序处理制动信号。非对称式抗干扰控制系统是用两个 不同的CPU和不一样的计算程序处理制动信号，两种方法各有优缺点。

另外,电子机械制动控制系统的软件和硬件如何实现部件化,以适应不 同种类车型的需要;如何实现底盘的部件化，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进来，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。

4结语 现代汽车的发展方向是模块化、集成化、机电一体化，电子机械制动 系统正是这一发展趋势的体现，它将取代以液压或气压为主的传统制动控制系统。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,汽车电子机械制动控制系统将与其他汽车电子系统,如汽车电子 悬架系统、汽车主动式方向稳定系统、电子导航系统、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，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，汽车底盘系统进一步电控化,实现车辆控制的智能化。

张立新 (辽宁省交通髙等专科学校,辽宁沈阳110122)