根據(jù)制動執(zhí)行機構(gòu)的不同,線控制動系統(tǒng)可以分為液壓式線控制動系統(tǒng)(Electro-Hydraulic Brake, EHB)和機械式線控制動系統(tǒng)(Electro-Mechanical Brake, EMB)。其中,EHB 以傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)為基礎(chǔ),用電子器件替代了部分機械部件的功能,使用制動液作為動力傳遞媒介,同時具備液壓備份制動系統(tǒng),是目前的主流技術(shù)方案。進一步地,根據(jù)集成度的高低,EHB 可以分為Two-box 和One-box 兩種技術(shù)方案。
上期文章對One-box線控制動系統(tǒng)的工作原理做了介紹,本期將對One-box如何滿足輔助駕駛和自動駕駛對制動系統(tǒng)的要求展開討論。
SAE J3016對汽車自動駕駛分級標(biāo)準(zhǔn)
01輔助駕駛系統(tǒng)對One-box的要求
對輔助駕駛汽車而言,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障以后,要求系統(tǒng)正確及時地向駕駛員報告故障,由駕駛員承擔(dān)將車輛運行到安全狀態(tài)(safe state)的責(zé)任,而制動系統(tǒng)持續(xù)提供制動能力是幫助駕駛員完成這一任務(wù)的關(guān)鍵,歐盟ECE R13和國標(biāo)GB 21670對制動系統(tǒng)的應(yīng)急制動能力提出了強制要求:
當(dāng)基礎(chǔ)制動功能失效后,在駕駛員踏板輸入500Nm的情況下,應(yīng)急制動的平均減速度不小于2.44m/s2.
為實現(xiàn)這一要求,One-box設(shè)計了機械備份(Hydraulic Backup),保證基礎(chǔ)助力系統(tǒng)發(fā)生失效后,駕駛員依舊能夠通過踩制動踏板產(chǎn)生減速度。以博世One-box產(chǎn)品IPB產(chǎn)品為例,當(dāng)主動建壓模塊無法正常工作(如電源故障,助力電機故障等)時,系統(tǒng)進入機械備份模式,此時閥1,4,5關(guān)閉,2,3打開,駕駛員踩下踏板可推動制動主缸內(nèi)的活塞移動,將制動液推入四個輪缸并產(chǎn)生車輛減速度,如下圖所示。
博世IPB(Integrated Power Brake)工作示意圖,圖片來自網(wǎng)絡(luò)
制動主缸為雙腔式設(shè)計,主腔(Primary Pressure Chamber)和副腔(Secondary Pressure Chamber)的制動管路分別連接兩個車輪的輪缸,具體連接哪兩個車輪取決于’X’型布置或’II’型布置,乘用車通常為’X’型布置。為考慮機械備份模式下主腔或副腔發(fā)生制動管路泄露的極端情況,博世IPB對機械備份下的制動設(shè)計提出了更高的要求,確保沒有發(fā)生泄露的制動回路仍然可以滿足駕駛員踏板輸入500Nm的情況時提供不小于2.44m/s2的減速度。在這樣的設(shè)計下,當(dāng)沒有發(fā)生管路泄露時,IPB降級到機械備份模式后500Nm的踏板輸入能產(chǎn)生4.88m/s2的減速度。
制動主缸示意圖,圖片來自網(wǎng)絡(luò)
博世IPB(Integrated Power Brake)基礎(chǔ)介紹,圖片來自官網(wǎng)
值得一提的是,因為One-box屬于制動踏板解耦結(jié)構(gòu),因此在制動主缸的設(shè)計上, One-box通常會縮小缸徑,在助力功能正常的情況下,可以在保證不影響駕駛員踏板感的情況下同樣能夠保持很好的建壓效果。但是缸徑縮小的設(shè)計需要考慮機械備份下的影響。對當(dāng)前的汽車設(shè)計來說,制動踏板的踏板比和踏板最大深度是無法改變的,而在制動主缸長度不變的情況下,缸徑的縮小意味著相比于eBooster或者真空助力器,同樣的制動踏板深度下One-box能流入輪缸的制動液會減少。所以,為保證機械備份能夠滿足法規(guī)要求,制動主缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮其中。
TMC液量示意圖,圖片來自‘8th International Munich Chassis Symposium 2017’
02自動駕駛系統(tǒng)對One-box的要求
根據(jù)SAE J3016對汽車自動駕駛分級標(biāo)準(zhǔn),對于Level 3及Level 3以上的自動駕駛系統(tǒng),要求在出現(xiàn)單一故障的情況下,系統(tǒng)依舊能夠提供制動或轉(zhuǎn)向能力以保證車輛能夠進入安全狀態(tài),避免造成人身傷害。由于完成這一安全目標(biāo)的責(zé)任方從駕駛員變成了自動駕駛系統(tǒng),這意味著One-box制動系統(tǒng)中依賴制動踏板輸入的機械備份無法滿足這一安全目標(biāo)。
自動駕駛系統(tǒng)對制動提出了新要求,圖片來自‘8th International Munich Chassis Symposium 2017’
目前業(yè)界普遍達成一致的是支持高速自動駕駛(HAD, Highly Automated Driving)的汽車至少需要下表包含的冗余設(shè)計,才能保證車輛在出現(xiàn)單一故障后系統(tǒng)能夠及時進入合理的安全狀態(tài)。其中,無論安全狀態(tài)定義為“停在當(dāng)前車道”或“停在應(yīng)急車道”,制動系統(tǒng)冗余都不可或缺。
冗余系統(tǒng)要素 | 原因 |
供電系統(tǒng)冗余 | 當(dāng)單一鏈路出現(xiàn)信號中斷,系統(tǒng)可實現(xiàn)信息的無縫安全銜接 |
通訊冗余 | 主電源失效后,備份電源能夠支撐ECU完成安全降級動作 |
感知冗余 | 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以保證車輛行駛構(gòu)成中精準(zhǔn)實現(xiàn)物體及行人的識別,從而支持車輛時刻做出正確的控制行為 |
上層決策系統(tǒng)冗余 | 兩個大腦互相監(jiān)督、互為備份,主大腦故障發(fā)生時,備份大腦及時接管 |
制動冗余 | 主制動系統(tǒng)失效后,備份系統(tǒng)依然提供一定的制動能力來維持制動控制及制動穩(wěn)定性控制 |
轉(zhuǎn)向冗余 | 如果故障發(fā)生后的安全狀態(tài)定義為繼續(xù)運行而不是剎停,那么當(dāng)一路轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障后,備份系統(tǒng)需要能夠支持車輛完成接下來的運行場景中的轉(zhuǎn)彎工況 |
支持自動駕駛系統(tǒng)的制動冗余系統(tǒng)E/E架構(gòu)設(shè)計,圖片來自‘8th International Munich Chassis Symposium 2017’
為實現(xiàn)制動冗余,One-box需要搭配一個獨立的制動單元RBU(Redundant Brake Unit)。One-box與RBU的制動管路連接如下圖所示,制動主缸兩個腔出口的制動管路除了和One-box連通外,還連通RBU的輸入端,而RBU的兩路輸出管路則在分別與IPB中的輪缸管路相連。
One-box與RBU管路連接示意圖,圖片來自‘8th International Munich Chassis Symposium 2017’
在正常情況下,One-box響應(yīng)制動系統(tǒng)上層的制動請求,閥1,閥2和閥3關(guān)閉,One-box主動建壓模塊中的電機推動推桿,將制動液通過打開的閥4和閥5推入輪缸完成建壓。而當(dāng)One-box系統(tǒng)故障時,系統(tǒng)進入制動備份模式,閥2和閥3打開,閥1,閥4和閥5關(guān)閉,RBU中的電機工作,將制動主缸中的液壓通過閥2和閥3推入輪缸完成建壓。
高速自動駕駛除了要求制動系統(tǒng)具備基礎(chǔ)制動功能冗余外,還要求車輛具有縱向穩(wěn)定性冗余,這就需要RBU同時具備縱向穩(wěn)定性控制的能力。目前市場上的RBU方案基本都是從底盤電子穩(wěn)定性系統(tǒng)(ESC, Electric Stability Controller)“減配”改造而來,能夠?qū)崿F(xiàn)縱向穩(wěn)定性控制。不同的是,RBU只能同時調(diào)節(jié)’X’型布置或’II’型布置的兩個輪端壓力而不能同時調(diào)節(jié)四個輪端壓力,所以控制性能相比于ESC會受到限制。但是由于當(dāng)One-box故障后,自動駕駛系統(tǒng)會盡快進入安全狀態(tài),車輛運行時間受到很大的限制,因此從安全概率的角度,這一“減配”設(shè)計是可以接受的,同時也優(yōu)化了“One-box+RBU”的制動組合的成本。
“One-box+RBU”的制動組合的控制和接管策略可以總結(jié)如下(控制策略不唯一,根據(jù)E/E架構(gòu)的不同,策略可能有調(diào)整):
場景 | 制動執(zhí)行控制器 |
無故障 | One-box |
上層主控制單元故障 | One-box |
上層備份控制單元故障 | One-box |
主網(wǎng)絡(luò)故障 | RBU |
備份網(wǎng)絡(luò)故障 | One-box |
One-box故障 | RBU |
RBU故障 | One-box |
其中,為實現(xiàn)自動駕駛場景下的縱向穩(wěn)定性冗余的需求,需要搭載冗余輪速傳感器,分別為One-box本身搭載的穩(wěn)定性功能ABS和RBU端的穩(wěn)定性功能提供必要的輪速信號。目前博世基于冗余輪速傳感器推出的制動冗余系統(tǒng)“三級ABS”方案為市場主流方案。
場景 | 穩(wěn)定性功能執(zhí)行單元 |
無故障 | One-box: fullABS (基于四個輪速傳感器單輪控制) |
One-box單個輪速故障 | One-box: ABS degraded(基于三個輪速傳感器單輪控制) |
One-box兩個及兩個以上輪速故障 | RBU:SBS (基于四個輪速傳感器單軸控制) |
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:智能底盤技術(shù)(18)| One-box線控制動系統(tǒng)在輔助駕駛和自動駕駛中的應(yīng)用
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