我國汽車制動系統技術發展趨勢的探討

張鵬飛　吳希玲　王曉亮

中圖分類號：U461.3 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2021）12-0064-04

自從汽車誕生以來，制動系統成為保障汽車安全駕駛最重要的一項主動安全系統。制動系統的工作原理是通過固定件（制動鉗或制動蹄）與運動件（制動盤或制動鼓）相互摩擦，進而阻止車輪轉動。

制動系統的輸入控制可分為行車制動和駐車制動，目前制動控制從機械制動、液壓制動轉化升級為以電子電器架構為主，制動系統發展方向趨于電子化、智能化，制動執行機構制動器發展趨于輕量化。一直以來，汽車工程師在汽車制動升級研究中傾注了大量心血，不僅體現在優化結構上，更著重對制動控制的理論和方法進行深挖，以便提升汽車的行駛安全性和穩定性。

1行車制動系發展進程

汽車在行駛過程中，采用行車制動（剎車踏板）進而使汽車減速停車。液壓制動仍是目前最可靠、最經濟的制動形式，且在輕型車中廣泛使用。液壓制動以帕斯卡定律為原理，駕駛員通過踩下制動踏板，踏板力傳遞給與制動踏板相連推桿后的真空助力器上，通過真空助力器放大踏板力，推動制動主缸活塞運動，制動液被等量送往各個制動器，制動液推動活塞使制動器夾緊制動盤產生摩擦力，進而控制汽車減速直至停車。相關公式如下：

式中，F、F是活塞所受壓力，N;S、S是活塞受力面積，m。

液壓控制系統原理圖如圖1所示。

20世紀80年代，伴隨電子技術發展，防抱死制動系統集成加入行車制動系。ABS控制器依據ECU指令調節制動力，進而保持滑移率在20%左右，以保證車輪與路面有良好的縱向、側向附著力，防止汽車在制動過程中側滑、甩尾、失去轉向能力等現象發生。ABS控制系統原理圖如圖2所示。滑移率的公式如下：

式中，v代表車速，km/h;u代表車輪速度，km/h。

由于新能源車無內燃機產生真空，為解決液壓制動系統中的真空助力問題，電子液壓制動EHB普及應用到新能源汽車上。EHB控制系統原理圖如圖3所示，集成踏板位移傳感器、踏板感覺模擬器精準感知駕駛員控制制動踏板的輕重緩急，轉化為電信號傳遞給電子控制單元，根據不同工況調節車輪的制動壓力。與傳統真空助力制動系統相比，線控電子液壓制動系統具有高度集成、提高空間利用率、制動性能與發動機互不干涉等特定，并提高了制動安全性。

目前EHB技術路線主要分為One-Box和Two-Box，出于安全方面的考慮，Two-Box市場占有率較高，主要差異見表1。

電子液壓制動EHB的發展為電子機械制動EMB打下基礎，EMB完全實現了電子化，并替代了傳統的制動液和液壓部件，由于制動力矩通過安裝在輪胎周圍的電機驅動執行機構而產生，因此簡化了制動系統的結構，并便于布置、裝配和維修，如圖4所示。

相比傳統制動系統，目前EMB制動系統具有很多優勢，如結構簡單、反應時間短、相對環保等。但同樣也有諸多亟待解決的問題，如系統供電穩定性、高溫下的工作穩定性、電磁干擾，以及高配比的傳感器及控制芯片，研發投入及高性能配件導致了成本居高不下，市場份額占比不高。

2駐車制動系發展進程

駐車制動系是為保證車輛在停穩之后，采用手剎或者腳剎，避免車輛溜車。過去主流是機械式駐車制動，目前電子式駐車制動EPB已經廣泛應用。

機械式駐車制動由駕駛員拉動操縱桿發生作用力，駐車拉索放大作用力，拉索推動活塞制動塊夾緊制動盤。

EPB是由電子信號替代人力拉動操縱桿，駕駛員通過按下駐車按鈕，開關發送駐車電信號給ECU，由ECU發送電信號給電機推動卡鉗活塞夾緊制動盤。

3汽車線控制動發展趨勢

目前汽車的制動系統趨向輕量化、模塊化、集成化、機械電子一體化發展，進而適應自動駕駛的發展。自動駕駛需要把建壓時間從300 ms壓縮到90 ms左右，因此汽車各個部件的電子化是未來趨勢。汽車線控制動就是將駕駛員的操作轉化為電信號，通過ECU直接傳輸給執行機構實施最終操作。線控制動系統要求高可靠性，目前需求冗余備份來保障可靠性。

以電動助力器（EHB）來說，當驅動電機發生故障時，有機械系統來做備份。電機驅動器也需要軟件備份及硬件備份。制動工況比較復雜，經常會出現長時間制動、制動過熱等現象，對機電系統的過載性能、耐高溫性能有較大考驗，是目前亟待解決的問題。對電子機械制動EMB來說，沒有冗余系統，需保證電源穩定和電子電器之間通信的備份能力。

4制動系統功能安全

由于目前汽車電子電器架構系統復雜且相互融合，電子電器故障及控制軟件BUG可能會導致整車發生非預期故障，為保障整車安全在合理范圍內，引入功能安全的概念。

與系統相關的風險，在汽車應用中稱為汽車安全完整性等級（ASIL），ASIL級別越高，風險越低。2011年發布的ISO 26262《道路車輛功能安全》國際標準是驗證汽車電子供應商是否滿足ASIL（automotive Safety Integrity Level）要求的重要認證指標，目前我國針對汽車電子電器系統安全的國家推薦標準是GB/T 34590-2017系列。

目前與制動相關的電子電器功能安全大致可分為4類，如表2所示。

制動功能安全通過選取典型工況來試驗：駕駛員駕駛測試車輛，加速至預期車速并保持，并讓車輛保持在車道中間行駛;正常行駛過程中，測試人員在不提前告知的情況下向系統注入相應故障，導致車輛發生非預期的減速。駕駛員通過控制剎車及轉向，盡可能保證車輛方向不偏離車道，以及剎車不會導致追尾等現象發生。

試驗過程中，記錄汽車相關的安全度量參數，如：減速度、車速、側向加速度、橫擺角速度等，根據數據處理對應安全目標和制動相關安全度量指標量化評級。

對于高級輔助駕駛系統來說，車輛集成大量攝像頭及雷達，高級駕駛輔助系統不僅復雜化，且軟件算法多樣化，功能安全的穩定性的重要度尤為凸顯。通常高級駕駛輔助系統核心技術體系分為感知、決策和執行。高級駕駛輔助系統功能安全需求時應該考慮：a.功能正常時操作提示：b.故障發生時，操作提示，如何轉化為安全狀態;c.功能冗余控制，保證車輛狀態安全。

5結語

汽車正在步入“智能化、網聯化、共享化、電動化”為代表的“新四化”時代。集成式電子系統未來將更廣泛地應用于汽車。隨著線控技術下沉至市場，通過市場應用，將不斷提升汽車的智能化、舒適化。雖然目前還有關鍵技術存在局限性，但通過不斷完善，將來必定實現高精度、高性能及高安全的汽車電子制動系統。

近年來隨著人工智能和5G等信息技術的突破，智能網聯汽車是將汽車和信息技術融合發展的領域，它將把多行業成果形成有效協同。隨著國家和汽車行業積極推動智能網聯汽車運行安全性測試評價體系，完善相關標準，智能網聯汽車發展根基將更加牢固。