制動系統支持高階駕駛自動化功能系統設計的幾點討論

王志忠

摘 要：高階駕駛自動化功能，對底盤制動系統提出了較高的系統要求;常規的ABS/ESP很難滿足高階駕駛自動化的冗余安全需求。文章在分析底盤制動系統各電子控制單元的原理及局限性基礎上，對比設計多種方案的優劣性，深入討論了不同等級駕駛自動化系統對底盤制動系統的需求，并進行了總結，為不同類型的高階駕駛自動化的底盤制動選型提供了參考。關鍵詞：汽車工程;駕駛自動化;底盤制動中圖分類號：U463.5 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-29-04

Abstract：?The highly autonomous driving （HAD）?function puts forward higher system requirements for the chassis braking system; conventional ABS/ESC is difficult to meet the redundant safety requirements of HAD System. Based on the analysis of the principle and the limitation of each electronic control unit of the chassis brake system， this research paper compares the advantages and disadvantages of Every schemes， at last recommend some reference scheme for the selection of chassis brake of different types of HAD System.Keywords：?Automotive engineering; HAD; Chassis brakeCLC NO.： U463.5??Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-29-04

1?前言

駕駛自動化根據SAEJ 3016規定，將駕駛自動化劃分為了5級[1]不同等級的駕駛自動化功能對整個系統的冗余安全需求程度不同，然而高級別駕駛自動化系統更多的研究集中于自動駕駛系統的感知，規劃，決策，控制層[2-5]，這些領域都是自動駕駛的大腦，然而執行機構的穩定，可靠性以及成本直接影響到了自動駕駛系統的推廣與應用。國外研究文獻[6，7]在分析制動系統失效的路徑基礎上，設計實現制動系統的冗余備份的方案。

文章在深入解讀SAEJ3016基礎上，結合駕駛自動化系統的職責需求，分析了不同等級駕駛自動化系統對底盤制動系統的要求，并深入討論了不同類型底盤冗余系統的優劣性;

文章研究內容如下：

（1）分析不同底盤制動系統的工作原理以及優劣性;

（2）根據駕駛自動化等級分類，系統化分析不同等級駕駛自動化系統對制動系統的初步系統需求;

（3）進一步的結合使用場景以及駕駛自動化等級總結出制動系統設計與選型的原則;

（4）結合制動系統原理為不同等級駕駛自動化系統的底盤制動系統設計提出了基礎設計準則。

2?制動系統原理

車輛制動系統分為行車制動以及駐車制動系統，常見的行車制動控制單元為ABS/ESP（不同企業命名有所不同，大陸稱之為ESC，BOSCH稱之為ESP，日系車企稱之為VSC或是VDC）。

隨著電動化以及智能化技術的發展，為滿足電動化以及駕駛自動化的需求，車載真空助力器逐漸被電子助力式制動系統代替，以BOSCH為代表的底盤制動廠商推出了第二代電子式助力制動系統I-Booster，國內廠商納森以及聯創相繼推出了對應的產品[8，9]。

控制器的高度集成依然成為一種趨勢，以大陸為代表廠商推出了MKC1以及以BOSCH為代表的IPB，都將電子助力式制動系統與ESP相結合實現單體ECU的控制。

車輛駐車制動也是HAD系統需要考慮的關鍵因素，駐車制動從機械手剎，逐步過渡到電子手剎EPB（Electric Parking Braking），電子手剎系統可以實現自動的駐車以及驅動駛離時的自動釋放，并且電子手剎系統可以通過卡鉗電機的動態制動實現部分行車制動功能。

2.1 ABS/ESP制動原理

ABS/ESP系統原理簡圖如圖1所示，ABS/ESP控制單元通過連接于主缸的輸油管實現制動液壓油的補給與回饋;ABS/ESP利用自身液壓部分的閥體以及馬達，通過控制器實時獲取的車輛橫擺角信息以及車速輪速信息，實現主動的建壓與壓力卸載，最終通過4路輸出油管將液壓驅動力傳遞與4個卡鉗實現車輛的制動與穩定控制。

ABS/ESP通過主動建壓的方式產生的制動減速度可以達到0.8～0.9g。

2.2?電子助力式制動系統原理

電子助力式制動系統利用電機驅動的方式，主動建壓，將主缸油壺的液壓油主動推入輪缸，實現制動，其原理簡圖如圖2所示。

電子助力式制動系統，作為真空助力器的一種替代，它本身沒有閥體且無需接收輪速傳感器采集的輪速信息，它只能實現單一的助力功能，無法實現防抱死以及車輛穩態控制功能;在不考慮車輛穩定性的前提下，電子助力式制動系統產生的制動減速度可達到1g。

2.3?集成式制動系統原理

集成式制動系統將ABS/ESP以及電子助力式制動系統相結合形成OneBox的方案，它既可以實現助力器的功能，同時也可以實現防抱死以及車輛穩態控制的功能。

2.4?EPB制動原理

EPB即電子手剎，它根據獲取的輪速信息，車輛的加速度信息，駕駛者的駛離請求信息，駕駛者的駐車制動請求信息等等，可以實現車輛的穩定駐車。

EPB本身帶有動態制動功能，在ESP液壓制動失效的情況下，EPB中的動態制動功能可以通過EPB電子控制單元控制左右輪的卡鉗電機逐步夾緊與釋放模擬動態ABS功能，最終實現車輛剎停且不會出現車輛抱死的情形。

由于卡鉗電機的電氣屬性，EPB動態制動所產生的制動減速度小于0.2g。

3 行車制動系統優劣性分析

章節二中重點介紹了各行車制動系統的工作原理，文章從成本，制動效能，傳感器依賴性，車輛穩態控制能力，適用場景角度重點剖析各種制動系統的優劣性。

ABS/ESP作為目前較為普及的一種產品價格便宜，且可以是達到較大的制動減速度同時可以實現車輛的穩態控制。

現階段電子助力式制動系統無法實現車輛的防抱死以及車輛穩態控制功能，電子助力式制動系統其助力電機可產生較大的驅動力，以實現1g的制動減速度，由于電子助力式制動系統僅提供助力功能，為此無需輪速以及IMU的信息。

集成式助力控制系統，實現了ESP與電子助力制動系統的結合，可以實現較大的制動減速度，同時可以實現車輛的穩態控制，但是成本最高，且采用One BOX的方案無法實現基本的備份操作。

EPB可以實現基本的防抱死功能，由于其僅依靠卡鉗電機實現對左右輪的動態控制，其產生的制動減速度較小，且無法實現車輛穩態控制，但成本最低。

根據上述分析，各行車制動系統的對比如表1所示。

4?不同等級駕駛自動化對制動系統設計要求

4.1?L0～L2駕駛自動化

根據SAEJ3016定義的職責需求，L0～L2等級，底盤制動系統無需冗余設計。

4.2?L3級駕駛自動化

L3級自動駕駛系統需要在有限的接管時間內實現車輛的穩態控制，由于L3級自動駕駛系統其ODD定義不同導致對底盤制動系統要求有所相同。

行業內規定的L3系統默認接管時間一般為10s，底盤制動系統的備份系統至少需工作10s以完成由系統到人類駕駛者接管期間的車輛穩定控制。

對于L3級應用場景而言，為方便討論，簡要分為高速，中速，低速三種場景，同時進一步的拆分是否存在濕滑路面以影響車輛穩定性。

若ODD定義為高速場景（假定30kph以上）且存在濕滑路面，車輛失穩將產生嚴重的事故為保證車輛穩定性，備份系統需完成車輛穩態控制功能。

若ODD定義為高速場景且不存在濕滑路面，備份系統需完成緊急制動功能以實現單車道安全停車，考慮到車輪抱死帶來側滑以及甩尾風險，備份制動系統需保證具備防抱死能力。

對于中速場景（假定30kph～10kph）而言，例如AVP召喚與還車道路，其速度為中速，車輛失穩的可能性較低，但是為保證制動效能，備份系統需具備緊急快速制動能力。

對于低速場景（假定10kph一下）而言，車輛發生失穩的可能性較低，且產生碰撞帶來的損傷較低，為此備份系統具備一定的制動能力即可。

根據上述分析，對于高速且存在濕滑路面的情形下，底盤制動系統可選則ESP+集成助力控制系統的組合，集成助力控制器系統作為主執行單元完成常規的控制功能，在主控制單元失效的情況下，由備份式的ESP完成車輛的穩態控制。

如第二章節分析，ESP單元需額外增加獨立的4個輪速傳感器以及IMU以完成車輛穩態控制功能;電氣示意圖如圖3所示。

根據上述分析，對于高速且無濕滑路面的情形，底盤制動系統可選擇ESP+電子助力式制動系統的組合，ESP系統作為主控制單元，當主控制單元失效的情況下由備份式的電子助力式制動系統完成車輛的安全停車。

如第二章節分析，由于電子助力式制動系統本身不接收輪速傳感器信息，為實現防抱死功能，電子助力式制動系統至少須在后輪增加2個輪速傳感器以實現防抱死功能。

電氣示意圖如圖4所示：

根據上述分析，對于中速駕駛自動化系統，底盤制動系統可選則ESP+電子助力式制動系統的組合，ESP系統作為主控制單元，當主控制單元失效的情況下由備份式的電子助力系統完成車輛的安全停車。

中速情形下，車輪抱死帶來的安全風險可控，電子助力式制動系統無需增加額外的硬件，其電氣示意圖如圖5所示。

根據上述分析，對于低速駕駛自動化系統，由于此時車速較低，可以充分利用EPB的卡鉗電機實現車輛的動態制動，并不需要較大的制動減速度，為此，底盤制動系統可選擇ESP+電子助力式制動系統的組合或是ESP+EPB的組合，其中ESP控制單元作為主控單元，在主控單元失效的情況下，備份控制單元電子助力式制動系統或是EPB進行接管控制，但是對于EPB而言為實現動態控制，需接收后輪輪速傳感器信息，以實現防抱死功能，電氣原理如圖6所示。

4.3?L4，L5級駕駛自動化系統

L4，L5級駕駛自動化系統需要完成整個ODD范圍內對車輛的控制，為此底盤制動系統中的行車制動與駐車制動均需雙冗余備份，相比L3級系統，增加了駐車雙冗余需求;同時為保證行車安全性，如車輛規劃行駛速度為中高速為保證安全性，行車制動可采用ESP+集成式助力控制系統的方案，同

低速場景下，為保證安全可采用ESP（with IMU& EPB）+獨立EPB（With IMU）控制的方式，其中獨立EPB即作為行車制動的備份方案，同時也作為駐車制動的備選方案，此種方案成本最低，電氣原理如圖8所示。

低速場景下，為保證安全同樣可采用ESP（with IMU& EPB）+電子助力式制動系統（With IMU&EPB）的方式，其中ESP（With IMU& EPB）為行車制動與駐車制動的主控制單元，電子助力式制動系統（WithIMU&EPB）作為備份控制單元，電子助力式制動系統實現行車制動，集成的EPB軟件，實現駐車制動，電氣原理如圖9所示。

對于低速場景的L4，L5采用ESP（With IMU&EPB）+獨立EPB控制器的組合相比ESP（With IMU&EPB）+電子助力式制動系統（With IMU&EPB）組合其成本更加可控且可以滿足使適用需求，但是如第三章分析所產生的減速度不足，需根據實際適用場景進行取舍。

5?結論

不同等級的駕駛自動化功能對底盤制動系統提出了不同的要求，文章結合SAEJ3016在分析駕駛自動化分級基礎上，對底盤制動系統進行了詳細的分析，詳細討論了多種針對不同等級駕駛自動化等級的底盤制動系統組合關系，得出如下結論：

（1）L0～L2級駕駛自動化功能，底盤制動系統無需冗余設計需求。

（2）L3級駕駛自動化系統，底盤制動系統設計時需綜合考慮ODD以及運行速度區間等因素，結合實際場景考慮系統風險，選擇對應的制動系統組合方案。

（3）L3級駕駛自動化系統僅需考慮行車制動冗余，駐車制動無需考慮。

（4）L4，L5級駕駛自動化系統，底盤制動系統選型以及設計時需綜合考慮ODD以及運行速度區間，結合實際場景選擇對應的底盤制動方案。

（5）L4，L5級駕駛自動化系統，需要考慮行車與駐車雙冗余方案。

（6）文章分析了多種制動系統組合方案的優劣性，為駕駛自動化系統設計提供了參考依據。

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