用于電動化及智能化汽車的電動助力制動系統的發展趨勢研究

孫昂 陳捷 郝雨

（1.吉林大學，長春 130023；2.中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春 130011；3.一汽-大眾汽車有限公司；長春 130011）

主題詞：智能化 電動助力制動 線控 電動化

1 研究背景與意義

近年來，隨著汽車智能化和電動化技術的迅速發展，對汽車制動系統提出了更高的要求，不僅要求制動系統具備足夠的制動效能，還要具備更快的響應速度、更精確的制動壓力控制和主動制動能力。同時在電動及混動車型上，還需要具備一定的解耦能力，能夠配合再生制動，提高制動能量回收效率以增加電動汽車的續航里程。而傳統的真空助力制動系統采用發動機進氣歧管或者電動真空泵提供真空源，本質上是非線控系統，其各項性能難以滿足汽車電動化和智能化發展對制動系統提出的上述要求，因此各種新型電動助力制動系統應運而生。

電動助力制動系統是汽車智能化發展過程中的一種重要選擇[1]。電動助力制動系統由于采用電機或高壓進行助力，且有獨立的ECU及控制系統，因此系統可以實現主動制動，也可以作為自適應巡航控制系統（Adaptive Cruise Control，ACC）、自動緊急制動系統（Autonomous Emergency Brake，AEB）等汽車智能輔助駕駛的重要底層執行器，是汽車智能化技術的基礎，在L3級以上自動駕駛技術中扮演著階段性的主要角色。

電動助力制動系統是汽車電動化過程中制動系統發展的主流發展趨勢。近年來，以純電動汽車為代表的新能源汽車迅速發展，提高汽車的續航里程成為重要研究方向。為提高續航能力，制動能量回收技術是純電動汽車發展中重要的技術選項，同時需要與制動系統集成，保證能量回收效率和駕駛員使用踏板的良好體驗[2]，其技術要求制動輪缸與制動踏板的實時解耦，而這樣的技術在真空助力器則無法實現。

電動助力制動系統開發是企業自主研發底盤核心技術之一，中國是汽車產銷最大的國家，像電動制動系統這樣的零部件核心技術被國際大零部件巨頭掌握。自2004年以來，BOSCH、Nissan等開始陸續進入國內，配套對應的合資品牌以及部分自主品牌；本土企業（如上海匯眾及亞太電機等）的實力近年雖有長足進步，但整體而言還比較弱，在產品質量和技術上，還無法達到國外企業的先進水平，商用車ABS配套仍以威伯科一家獨大。因此，在新的汽車發展趨勢和發展環境中，應大力發展我國自己的電動助力制動系統及其控制方法，不斷提高自主品牌的技術水平和市場份額。在汽車電動化的趨勢之下，開發具有自主知識產權的汽車電動助力制動核心技術是必然的途徑，是提升自主產品競爭力的重要舉措之一[3]。

2 國外技術研究發展現狀

國外在電動助力制動系統方面研究起步較早，成果也相對較豐富，已出現很多投入使用的量產產品。

2.1 濕式EHB系統

電控液壓制動系統（Electronic Hydraulic Brake，EHB）是在真空助力制動系統基礎上發展起來的，該系統結合線控技術，電控液壓系統取代真空助力器，可以實現制動、防滑、制動力分配等功能，特別是可以集成制動能量回收，在新能源汽車產品上，具有廣泛應用前景。采用高壓蓄能器提供高壓源的博世公司的EHB系統是典型的濕式EHB系統（見圖1），EHB液壓系統結構見圖2。

在博世的EHB系統中，仍保留傳統液壓制動系統的車輪制動器、輪缸和制動主缸，在正常工作時，制動器（制動輪缸）踏板獨立工作，完全解耦。EHB系統具有一定的失效備份功能[6]，即當系統失效時，駕駛員踩下踏板時，系統會自動啟動液壓制動的主缸、輪缸，最后將制動力傳遞到制動器，完成制動過程。

圖2 EHB液壓系統圖[5]

2.2 博世公司eBKV

早在1999年，大眾在開發純電動車過程中，就想采用電機直接推動主缸的設計，博世為大眾開發了eBKV系統。但由于德國電機工業當時無法完全滿足大眾的需求，因此采取了妥協的設計，繼續使用高壓蓄能器彌補電機能量的不足，但是與濕式EHB不同的是，推動制動主缸的是電機。大眾將這套系統稱之為eBKV，2009年首次在大眾E-UP上使用，保時捷911Spyder也曾搭載此系統。

eBKV的結構如圖3所示。由圖可知，eBKV由電子助力器、主動存貯裝置和ESC三個主要部分組成。

eBKV有三個工作階段，如圖4所示。開始階段，液壓制動（綠色）和電機助力（紅色）制動混合運行；中間階段，電機獨立運行；第三階段，當汽車將制動至停駛，液壓制動和電機助力制動混合運行。在整個制動過程中，液壓制動和電機制動協調配合，保證總體制動強度恒定（藍色）。

當車輛處于再生制動模式時，為實現踏板解耦，由踏板和電機閥體推出的制動液必須有裝置存儲，eBKV中配備有主動存貯裝置（Aktive Speicher），如圖5、圖6所示。主動存儲裝置用以存儲推出的制動液，并在需要液壓制動介入時，按需求重新導出制動液[7][8]。

圖3 eBKV結構圖[7]

圖4 制動方式切換[7]

圖5 主動存儲裝置[7]

圖6 eBKV電動助力器[7]

2.3 日立公司e-ATC

濕式EHB系統過于復雜，響應時間略長，高壓蓄能器怕振動，可靠性不高，體積大，成本高，維修費用昂貴（奔馳E級、SL級、CLS級更換一個SBC需要20 000元人民幣）。

干式EHB的原理很簡單，之所以出現較晚，是因為汽車對制動系統的可靠性要求極高，必須留出足夠的性能冗余。最大的難點在于電機，要求電機體積較小，轉速很高（超過10 000 r/min），同時扭矩很大，散熱又要好。電機的減速器也是難點，要求很高的加工精度，并且要和主缸液壓系統做系統優化。因此直到2011年，日本日立公司才推出了全球第一個干式EHB，也就是e-ATC（圖7、圖8），并成功應用在日產聆風Leaf和英菲尼迪M車型上[6][7][9]。

圖7 e-ATC的結構圖[10]

圖8 e-ATC的實物圖[11]

2.4 博世公司iBooster

2013年博世發布了電子機械制動助力裝置—第一代iBooster，該裝置采用電機推動主缸，去掉了高壓蓄能器。特斯拉全線使用了第一代iBooster，還有大眾全部的新能源車、保時捷918、凱迪拉克的CT6以及雪佛蘭Bolt EV都使用了第一代iBooster。該機構具有主動制動，失效備份，與再生制動系統配合工作，助力比可變，實現汽車智能輔助駕駛等多種功能，結構如圖9所示。

圖9 博世公司第一代iBooster結構圖[11]

第一代iBooster集成了電機與蝸輪蝸桿減速機構，結合傳感器與ECU，改變運動方向，推動助力閥體，與踏板推桿一起推動主缸活塞，建立制動壓力。第二代iBooster改進了傳動方案，使系統集成化程度更高。

iBooster可根據制動特性曲線調整踏板感覺以適應不同汽車生產商及一些特定品牌的要求。iBooster可以在各裝配廠進行快速方便的重新編程，實現助力比可變，如圖10、圖11所示。這讓汽車廠商可以為車輛匹配各種不同的駕駛風格和駕駛模式，駕駛員可自主選擇偏舒適或者偏運動風格的制動感覺。

圖10 多種駕駛風格[12]

圖11 第二代iBooster[12]

2.5 大陸公司MK-C1

德國大陸汽車電子公司首先將干式EHB和ESC、ABS集成到同一個制動系統里，推出產品MK-C1，并且相比于iBooster，MK-C1具備更強的駕駛員踏板感調節能力，見圖12、圖13。

MK-C1的工作原理和iBooster的工作原理相近，MK-C1系統助力利用無刷電機直接驅動主缸，采用滾珠絲杠傳動，利用Simulator Actuator模擬踏板感覺。但MK-C1具有更高的集成度，在起到制動助力的同時，也將ABS/ESC的相關部件都集成到了屬于one-box-system。阿爾法羅密歐的Guilia是首先搭載MK-C1系統的量產車。MK-C1集失效備份、主動制動、再生制動與解耦功能于一體，與傳統制動系統比，該系統功能集成度高，因此結構緊湊，尺寸和質量都大大減少[8][13]。

圖12 MK-C1實物[14]

圖13 MK-C1輕量化[14]

類似的集成化電子液壓制動系統還有美國ZF TRW公司的集成化制動控制IBC系統[15][16]，美國LSP公司的集成化智能制動系統IBS[10][17]。

2.6 電子機械制動系統（EMB）

上世紀90年代，歐洲著名的零部件公司將用于飛機的EMB （Electromechanical Braking System）系統進行改進，一些設計已經用于汽車產品上，沒有大批量應用的原因是成本高的問題，圖14是博世公司的EMB系統。

圖14 Bosch公司EMB系統[18]

3 國內技術研究及發展現狀

國內在EHB系統和EMB系統方面的研究起步較晚，目前主要還停留在理論和試驗研究階段。清華大學、吉林大學以及同濟大學等高校等做了相關研究。

3.1 吉林大學研發的電子機械制動系統

吉林大學專利“具有人力放大作用的線控及助力復合功能的制動系統”結構（CN 104709263 A）如圖15所示。

圖15 具有人力放大作用的線控及助力復合功能的制動系統結構圖[19]

該系統按照踏板行程的不同，可分為多種工作模式：小行程線控制動模式、中等行程制動模式、大行程放大助力制動模式。基于踏板行程大小，電子控制單元控制電磁閥通斷，從而供給不同大小的制動助力。在小行程線控制動時，踏板主缸和制動踏板完全解耦，制動力由電機直接推動主缸或者再生制動產生。中等行程制動時，電機助力與人的踏板力共同推動主缸建立制動壓力。繼續增大踏板行程，進入大行程放大助力制動模式，控制電磁閥將人力缸前腔與主缸相連，根據帕斯卡原理放大駕駛員踏板力所建立的壓力。該系統還同時具備主動制動和失效備份的功能[19][20]。

3.2 同濟大學I-EHB系統

同濟大學自主開發了一款電動助力制動系統（CN 104787020），并將其命名為I-EHB，其基本結構如圖16所示。

圖16 I-EHB系統結構圖[21]

當I-EHB處于常規制動模式時，常開電磁閥Valve 1通電關閉，常閉電磁閥Valve 2通電打開。駕駛員踩下制動踏板，次級主缸Secondary cylinder中的制動液不進入儲液罐Reservoir，而是進入踏板感覺模擬器PFE中，以使駕駛員獲得良好的踏板感覺。此時被推動的解耦液壓缸Decoupling cylinder中的制動液通過打開的電磁閥Valve 2進入儲液罐Reservoir中，完成解耦過程。駕駛員踩下制動踏板時，踏板行程傳感器Displacement sensor采集駕駛員的踏板行程信息并通過控制線路傳遞到電控單元ECU中，ECU綜合判斷駕駛員的駕駛意圖，控制電機Motor通過傳動機構推動制動主缸建立相應的制動壓力。

當I-EHB的驅動電機Motor失效時，系統檢測到電機失效，立即對電磁閥Vavle 1、Valve 2斷電，常開電磁閥Valve 1斷電打開，常閉電磁閥Valve 2斷電關閉。此時，駕駛員踩下制動踏板，制動液會通過電磁閥Valve 1進入儲液罐Reservoir中。同時，由于電磁閥解Valve 2關閉，解耦液壓缸Decoupling cylinder中的制動液不會進入儲液罐Reservoir中，因此解耦液壓缸中的制動液可以被看作是一個剛體。駕駛員踩下制動踏板，通過踏板推桿、解耦液壓缸中制動液、解耦液壓缸缸體、齒條、主缸推桿直接推動制動主缸建壓，完成電機失效情況下的失效備份。

I-EHB的驅動電機Motor失效并且解耦液壓缸Decoupling cylinder出現漏液時，系統檢測到這一故障，立即對電磁閥Valve 1、Valve 2斷電，常開電磁閥Valve 1斷電打開，常閉電磁閥Valve 2斷電關閉。解耦液壓缸Decoupling cylinder中的制動液通過電磁閥Valve 1進入儲液罐Reservoir中。當解耦液壓缸Decoupling cylinder被完全壓縮排出液壓腔內所有制動液時，制動踏板與制動主缸Master cylinder耦合，駕駛員可通過踩下制動踏板推動主缸建壓。與只有驅動電機Motor失效的情況不同，當解耦液壓缸Decoupling cylinder同時出現漏液時，駕駛員必須先將解耦液壓缸Decoupling cylinder完全壓縮，克服這段空行程才能實現建壓，這段空行程的長度即為解耦液壓缸液壓腔的長度[21][22]。

4 電動助力制動系統研究面臨的主要挑戰

4.1 電控液壓制動系統EHB面臨的主要挑戰

（1）目前已經出現的EHB系統，無論是干式還是濕式系統，由于均需要液壓系統參與，因此不能算是純粹的線控系統；

（2）由于仍保留液壓結構，雖然利用電機驅動，但響應時間不夠迅速，作為智能輔助駕駛系統的底層執行器，仍有提升的空間；

（3）主動制動力有提升空間；

（4）集成度不夠高，雖然相比于濕式EHB的3 boxes（ESP、Booster、高壓蓄能器），iBooster等系統的two boxes（ESP、Booster或者EHB、踏板感覺模擬器）的方案大大提升了集成度，縮減了體積，但是仍有向1 box進步的可能，MK-C1和IBS等系統已經開始采用one box方案；

（5）對電動汽車而言，EHB有一定的漏液短路隱患。

4.2 電子機械制動系統EMB面臨的主要挑戰

作為純粹的線控系統，EMB系統在原理上幾乎完美，克服了傳統EHB的大部分缺點。EMB系統響應時間迅速，僅為90 ms，比iBooster快了30 ms，大大縮短了制動距離，集成度極高，無液壓制動管路，不存在漏液問題，是完全解耦的制動系統，可完美配合再生制動，制動平臺開放度更高。

但是EMB同時存在著諸多挑戰[14]：

（1）沒有失效備份，對可靠性要求極高。

（2）制動力不足的挑戰。EMB系統必須布置在輪轂中，小電機無法滿足普通轎車制動功率1-2 kW的要求。

（3）工作環境惡劣，工作溫度高的挑戰。

（4）需要針對底盤開發對應的系統，難以模塊化設計，導致開發成本極高。

因此綜上所述，線控化的EHB系統仍然是最為可行的制動系統方案。

5 電動助力制動系統的未來發展趨勢

在汽車電動化和智能化技術的大潮下，汽車制動系統將產生新的發展趨勢。

趨勢1：擺脫真空源

首先要求制動系統不再使用真空源助力，需要采用新的助力源，因此各種電動助力制動系統開始出現。

趨勢2：體積、質量更小、集成度更高

帶有高壓蓄能器的濕式EHB系統過于復雜、體積和質量均很大，并且響應時間略長，成本高、維修費用昂貴，新型制動系統向去掉高壓蓄能器的方向發展。

趨勢3：系統更開放，可與其他底盤控制子系統配合

為了提高整車的綜合行駛性能，要求制動系統是一個更加開放的平臺，能夠和其他底盤控制子系統集成。

趨勢4：再生制動與踏板解耦

為了解決電動汽車和混合動力汽車的續航里程問題，出現了制動能量回收技術，為了與再生制動協調工作，要求制動系統在保證高的制動能量回收效率的同時具有解耦能力，液壓制動系統應能根據駕駛員的制動需求合理分配再生制動力和液壓制動力。

趨勢5：適用于智能駕駛輔助系統

隨著汽車智能化技術的發展，制動系統的另一個發展趨勢就是應能夠與ESC、ACC等汽車智能輔助駕駛匹配，能夠作為智能駕駛輔助系統的重要底層執行器。這就要求制動系統擁有更強的主動制動能力以及更快的響應速度和更精確的制動壓力控制。

趨勢6：人機共駕

隨著執行控制層面人機共駕技術的發展，要求制動系統具有能夠個性化定制踏板感覺和制動特性的能力，車輛匹配各種不同的駕駛風格和駕駛模式。

趨勢7：具備更平順的“軟”停車功能、更好的NVH性能

這要求制動系統響應必須足夠精確、迅速和舒適。例如當車輛開啟ACC自適應巡航時，博世的iBooster可以確保車輛在制動直到停駛過程中的制動舒適性，在此過程中幾乎不產生任何振動和噪聲。

趨勢8：系統線控化

EHB系統無論是干式還是濕式，并不能夠算是純粹的線控制動系統，仍然需要保留液壓系統以放大制動力。因此近年來，純粹的線控制動系統—電子機械制動系統EMB成為研究熱點，該系統響應時間更快，平臺開放度更高，同時不會有漏液隱患，這對電動汽車具有重要意義。

綜上所述，隨著汽車技術向低碳化、智能化發展，制動系統未來的研究方向將沿著這8大趨勢進行，即未來的制動系統將向更節能、更開放、更精確、更快速、更智能、更安全、更舒適的方向發展[23][24]。