車輛EMB制動系統(tǒng)的發(fā)展歷程簡述

車輛EMB制動系統(tǒng)的發(fā)展歷程簡述

?隨著消費(fèi)者對車輛安全性日益提高的重視，車輛制動系統(tǒng)也歷經(jīng)了數(shù)次變遷和改進(jìn)。從最初的皮革摩擦制動，到后來出現(xiàn)鼓式、盤式制動器，再到后來出現(xiàn)機(jī)械式ABS制動系統(tǒng)，緊接著伴隨電子技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了模擬電子ABS制動系統(tǒng)、數(shù)字式電控ABS制動系統(tǒng)等等。近10年來西方發(fā)達(dá)國家又興起了對車輛線控系統(tǒng)（x-by-wire）的研究，線控制動系統(tǒng)（brake-by-wire）應(yīng)運(yùn)而生，由此展開了對電子機(jī)械制動器（Electromechanical Brake）的研究，簡單的來說電子機(jī)械制動器就是把原來由液壓或者壓縮空氣驅(qū)動的部分改為由電動機(jī)來驅(qū)動，借以提高響應(yīng)速度、增加制動效能等，同時也大大簡化了結(jié)構(gòu)、降低了裝配和維護(hù)的難度。

??? 由于人們對制動性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動系統(tǒng)在加人了大量的電子控制系統(tǒng)如ABS、TCS、ESP等后，結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復(fù)雜，液壓（空氣）回路泄露的隱患也加大，同時裝配和維修的難度也隨之提高。因此結(jié)構(gòu)相對簡單、功能集成可靠的電子機(jī)械制動系統(tǒng)越來越受到青睞，可以預(yù)見EMB將最終取代傳統(tǒng)的液壓（空氣）制動器，成為未來車輛的發(fā)展方向。

??? 1 brake-by-wire的發(fā)展簡介

??? brake-by-wire是指一系列智能制動控制系統(tǒng)的集成，它提供諸如ABS,車輛穩(wěn)定性控制、助力制動、牽引力控制等等現(xiàn)有制動系統(tǒng)的功能，并通過車載有線網(wǎng)絡(luò)把各個系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合成一個完整的功能體系。原有的制動踏板采用了一個模擬發(fā)生器替代，用以接受駕駛員的制動意圖，產(chǎn)生、傳遞制動信號給控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并根據(jù)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(jié)構(gòu)，用以正常的工作。其工作原理如圖1所示：

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??? 由于技術(shù)發(fā)展程度的局限，目前出現(xiàn)了兩種形式的brake-by-wire系統(tǒng)：

??? 1.1 EHB的簡介

??? EHB（Electro-Hydraulic Brake）即線控液壓制動器，是在傳統(tǒng)的液壓制動器基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。EHB用一個綜合的制動模塊來取代傳統(tǒng)制動器中的壓力調(diào)節(jié)器和ABS模塊等，這個綜合制動模塊就包含了電機(jī)、泵、蓄電池等等部件，它可以產(chǎn)生并儲存制動壓力，并可分別對4個輪胎的制動力矩進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。比傳統(tǒng)的液壓制動器，EHB有了顯著的進(jìn)步，其結(jié)構(gòu)緊湊、改善了制動效能、控制方便可靠、制動噪聲顯著減小、不需要真空裝置、有效減輕了制動踏板的打腳、提供了更好的踏板感覺。由于模塊化程度的提高，在車輛設(shè)計過程中又提高了設(shè)計的靈活性、減少了制動系統(tǒng)的零部件數(shù)量、節(jié)省了車內(nèi)制動系統(tǒng)的布置、空間。可見相比傳統(tǒng)的液壓制動器，EHB有了很大的改善。但是EHB還是有其局限性，那就是整個系統(tǒng)仍然需要液壓部件，其基本的還是離不開制動液。

??? EHB的出現(xiàn)主要是為以后研究和生產(chǎn)EMB打下基礎(chǔ)、并積累大量的生產(chǎn)經(jīng)驗。早在1993年FORD公司就有一款電動汽車采用了EHB，后來通用公司在其一款轎車上也采用了EHB制動系統(tǒng)?？梢妵獾拇笃嚬驹缇烷_始了對brake-by-wire制動系統(tǒng)的研究。如下圖所示是DELPHI公司研發(fā)的一款EHB的結(jié)構(gòu)示意圖：

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??? 1.2 EMB的簡介

??? 如果把EHB稱為“濕”式brake-by-wire制動系統(tǒng)的話，那么EMB就是“干”式brake-by-wire制動系統(tǒng)。EMB是Electromechanical Brake的英文簡稱，它和EHB以及HB的最大區(qū)別就在于它不再需要制動液和液壓部件，制動力矩完全是通過安裝在4個輪胎上的由電機(jī)驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。因此相應(yīng)的取消了制動主缸、液壓管路等等，可以大大簡化制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、便于布置、裝配和維修，更為顯著的是隨著制動液的取消，對于環(huán)境的污染大大降低了。

??? 另外由于相應(yīng)可以取消很多現(xiàn)有部件，因此可以大大的減輕系統(tǒng)的重量，便于對車輛底盤進(jìn)行綜合主動控制。其突出的優(yōu)點是：不需要制動管路從而降低了制造成本和安裝布置的難度、制動效能得到了提高性能穩(wěn)定、不需要制動液降低了成本并且保護(hù)環(huán)境、便于融人到車輛綜合控制的網(wǎng)絡(luò)中去（CAN總線）、由于減少了部件數(shù)降低了對空間的占用、由于制動踏板只提供參考輸人不直接作用于制動系統(tǒng)之上便于改善踏板性能。

??? 從20世界90年代開始，一些著名的汽車電子零配件生產(chǎn)廠商如Bosch,Siemens以及ContinentalTeves等相繼開始了對EMB電制動器的研究，并做過一些相應(yīng)的系統(tǒng)仿真和裝車試驗。如下圖所示是德國一家公司開發(fā)的EMB制動系統(tǒng)的示意圖：

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??? 2 EMB電子機(jī)械制動系統(tǒng)

??? 2.1 EMB的發(fā)展和現(xiàn)狀

??? EMB起先是應(yīng)用在飛機(jī)上的，如美國的F-15戰(zhàn)斗機(jī)就采用了EMB制動器，后來才慢慢轉(zhuǎn)化運(yùn)用到汽車上來。EMB與傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)有著極大的差別，其執(zhí)行和控制機(jī)構(gòu)需要完全的重新設(shè)計。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要能夠把電動機(jī)的轉(zhuǎn)動平穩(wěn)轉(zhuǎn)化為制動蹄塊的平動、需要能夠減速增矩、需要能夠自動補(bǔ)償由于長期工作而產(chǎn)生的制動間隙等，而且由于體積的限制其結(jié)構(gòu)也必須巧妙和緊湊，是整個EMB系統(tǒng)中非常重要的組成部分；其控制部分也要求能精確控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角從而防止制動抱死。最近幾年一些國際大型汽車零配件廠商和汽車廠進(jìn)行了一些對于EMB制動系統(tǒng)的研究工作，也申請了一部分專利，主要參與競爭的公司有：Conti-nental Teves、Siemens、Bosch、Eaton、Allied Signal、Delphi,Varity Lucas、Hayes等等，而國內(nèi)在此項目上的研究基本為空白，僅有二汽、清華大學(xué)和南京航空航天大學(xué)進(jìn)行了一些相關(guān)的研究工作。

??? 2.2 EMB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分類

??? 對于EMB系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它直接接受電動機(jī)產(chǎn)生的力矩，并放大作用到制動盤上，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足如下幾個基本的要求：

??? 1）結(jié)構(gòu)緊湊，便于布置；

??? 2）能夠把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平動；

??? 3）有減速增矩、自增力機(jī)構(gòu)；

??? 4）能夠自動補(bǔ)償制動間隙；

??? 5）能夠提供停車時的駐車制動；

??? 6)安全可靠、工作時間長。

??? 如前所述的各家公司都取得了各自的研究成果并成功申請了部分專利保護(hù)?？偟膩碚f，EMB制動系統(tǒng)從節(jié)省能量的角度來說可以分為兩個大類，其一是電動機(jī)直接帶動機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)然后作用到制動盤上，其典型是Continental Teves公司研制的制動器；第二類是電動機(jī)通過一個自增力機(jī)構(gòu)，間接作用到制動盤上，可以大大降低系統(tǒng)所消耗的能量，German Aerospace Center (DLR)內(nèi)部資料顯示其公司研制的EMB制動系統(tǒng)eBrake比第一類結(jié)構(gòu)節(jié)省了約83％的能量。第一種結(jié)構(gòu)形式的制動器特點是控制簡單，制動過程穩(wěn)定；但是由于電機(jī)提供所有推動制動塊所需的推力，使得所需的驅(qū)動電機(jī)的功率很大，從而造成電機(jī)的尺寸、重量和能耗都較大。第二種結(jié)構(gòu)形式的制動器由于間接利用了汽車的動能作為制動自增力，驅(qū)動電機(jī)所需功率可大幅下降，只需要約3%的其它替代方案的能耗，其體積、尺寸和重量也必然比第一種結(jié)構(gòu)形式的制動器小，不過目前這種形式的制動器控制難度大，制動穩(wěn)定性也不如前者。如下圖所示左邊是第一類EMB制動系統(tǒng)，右邊是第二類EMB制動系統(tǒng)：

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??? 2.3 EMB所需解決的問題

??? EMB制動系統(tǒng)顯而易見的具有很多傳統(tǒng)制動系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)勢，不過由于其發(fā)展時間短，也必不可少的存在許多亟待解決的問題：

??? 1）如果系統(tǒng)線路出現(xiàn)斷路或者電源出現(xiàn)故障，制動系統(tǒng)應(yīng)該如何動作？如果制動踏板模擬器出現(xiàn)故障該如何處置？因此需要加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和意外事故保險方面的研究力度。

??? 2）由于在高速制動過程中產(chǎn)生大量的熱量，因此需要加強(qiáng)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和散熱性能。需要反復(fù)實驗驗證驅(qū)動電機(jī)和其它部件在高溫條件下的工作性能和穩(wěn)定性。

??? 3）電制動系統(tǒng)采用大量的電控技術(shù)就難以避免有大量的電子電路，又由于車輛工況復(fù)雜而且在外部暴露的電磁場和地球磁場環(huán)境中工作，這就需要加強(qiáng)電制動系統(tǒng)的抗干擾能力。

??? 4）驅(qū)動電機(jī)動作需要消耗大量的電能，這是對目前車輛使用的12v電源的一個考驗，未來將采取42V的電壓來位系統(tǒng)提供能量。

??? 5）目前車輛EMB制動系統(tǒng)還要加強(qiáng)與其它現(xiàn)行車輛電控系統(tǒng)的整合，最好可以形成一體化、模塊化的底盤＿控制系統(tǒng)，對車輛進(jìn)行綜合控制。

??? 6）由于采用了大量的傳感器、控制芯片和新的技術(shù)，使得目前電制動系統(tǒng)的成本比現(xiàn)有的液壓制動系統(tǒng)成本高，因此降低系統(tǒng)的使用成本也是當(dāng)前需要解決的問題。

??? 2.4 EMB的研究方向

??? 目前EMB制動系統(tǒng)的技術(shù)還不成熟，需要解決的技術(shù)問題還很多，國外把對電制動系統(tǒng)的研究重點集中在如下幾個方面：

??? 1) 耐高溫電子元器件；

??? 2）機(jī)械-電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

??? 3）可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制算法；

??? 4）靈敏度高而又廉價的傳感器；

??? 5）系統(tǒng)容錯控制；

??? 6）高可靠性的電線和連接件；

??? 7）力矩電機(jī)的設(shè)計。

??? 對耐高溫電子元器件的研究主要涉及到兩個方面：一個是在電子元器件本身上下功夫，提高其對高溫的承受能力和在高溫下的工作穩(wěn)定性；另一個就是改良制動盤的材料和提高其散熱。為電子元器件的工作提供一個良好的環(huán)境。

??? 在對制動器的控制算法和先進(jìn)傳感器的研究上，國內(nèi)外學(xué)者也都做了很多工作。而目前車輛制動器的控制算法上主要采用三種：滑?？刂扑惴?、邏輯門限值控制、最優(yōu)控制算法等。

??? 在電控制動系統(tǒng)的容錯性上，最近也有大量的論文在研究這個問題。因為這個問題牽涉到了制動系統(tǒng)的安全性和可靠性，因此是一個關(guān)鍵和至關(guān)重要的研究方向。有些學(xué)者是用實驗的方法去檢測和評估EMB對制動請求的響應(yīng)情況，并通過一定的算法來忽略瞬間的錯誤信號借以實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯控制；有的是在分布式的線控制動系統(tǒng)中加人一個中央控制芯片（brake-by-wire Manager），這是一個專門進(jìn)行容錯控制的冗余設(shè)計，并配以專門編寫的軟件來進(jìn)行容錯控制處理；最近的是在系統(tǒng)中引人一個監(jiān)控器（monitor），用以檢測可能導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤和失效的信號，然后產(chǎn)生、錯誤檢測代碼，根據(jù)代碼來處理失效和提高安全性。顯然車輛電控系統(tǒng)的容錯控制是一個牽涉到計算機(jī)硬件、軟件、通信協(xié)議等等多方面的比較難解決的問題。

??? 其它諸如連接電纜、傳感器的設(shè)計制造相應(yīng)會簡單一些。另外在制動過程中，電機(jī)將在“堵轉(zhuǎn)”的惡劣環(huán)境下工作，因此對電機(jī)的可靠性要求高，而且必須結(jié)構(gòu)小巧緊湊、便于安裝、能在各種惡劣的環(huán)境下可靠工作。至于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)有相當(dāng)一部分公司拿出了實物。

??? 3 結(jié)束語

從上可以看出，雖然EMB制動器比傳統(tǒng)的液壓制動器有著無法比擬的優(yōu)勢和廣闊的運(yùn)用前景，但是也有其自身需要解決的問題，只有解決了一些制約EMB制動器發(fā)展的關(guān)鍵性問題，才能得到越來越廣泛的應(yīng)用。