智能網聯汽車線控制動系統技術的研究分析

摘 要：文章主要介紹了智能網聯汽車線控制動系統的相關內容。首先，論述了智能網聯汽車和線控制動的定義，并強調了線控制動系統對提高智能網聯汽車安全性、舒適性和智能化水平的重要性。其次，解析了線控制動系統的分類、結構、基本原理，涵蓋了電子液壓制動系統（EHB）和機械式線控制動系統（EMB）。進一步分析了EHB、EMB在實際應用中的優勢和缺點。最后，探討了智能網聯汽車線控制動在故障診斷與容錯控制、電機及其控制器、踏板模擬等方面的關鍵技術。這些研究分析對于推動智能網聯汽車線控制動系統技術的進一步發展和應用具有重要意義。

關鍵詞：線控制動 智能網聯汽車 關鍵技術

0 引言

隨著智能網聯汽車的快速發展，線控技術成為汽車工業的一個重要研究方向。線控制動系統作為智能網聯汽車底盤的核心部件之一，其性能直接關系到車輛的行車安全性。國務院發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》要求突破線控執行系統技術封鎖，工信部和地方政府發布了多個加快汽車核心部件國產化的文件，傳統汽車廠和造車新勢力相繼加大了線控底盤技術的研發力度，而底盤技術中最重要的、技術上最復雜的方面是線控制動（BBW）系統[1]。

1 智能網聯汽車和線控制動系統的定義

1.1 智能網聯汽車的定義

智能網聯汽車（Intelligent Connected Vehicle，ICV）是一種具有自動駕駛、智能感知和與網絡連接功能的汽車。它通過搭載各種傳感器、人工智能技術和通信設備，能夠實現車輛之間、車輛與基礎設施之間以及車輛與互聯網之間的實時數據交換和信息共享。這種汽車可以通過分析大量數據來實現自主決策，提高行車安全性、效率和舒適性。智能網聯汽車的最終目標是實現全自動駕駛，并為用戶提供更加便捷、安全和舒適的出行體驗[2]。

1.2 線控制動系統定義

線控技術（X-by-Wire）就是“電控技術”，其中，“X”代表汽車中傳統上由機械或者液壓控制的各個功能部件，用制動（Brake）代替X就稱線控制動（Brake-by-Wire）[3]。取消了機械連接，制動踏板與制動器間的功率傳輸被導線連接所取代；將原來的制動踏板換成了一種模擬產生器，通過利用制動踏板位置傳感器來對駕駛員的制動意圖進行檢測生成制動信號，把制動踏板的機械信號轉化成電子信號，再把信號傳送到控制系統，由電控模塊完成制動力的產生，并且按照特定的運算法則，向司機反饋踏感；像這樣，電線傳遞能量，數據線傳遞信號的制動稱為“線控制動”。

2 線控制動系統的分類

線控制動系統按執行裝置可劃分為液壓式線控制動系統（Electro-Hydraulic Brake， EHB）和機械式線控制動系統（Electro-Mechanical Brake， EMB）。其中，EHB用電子設備代替了一些機械零件的功能，以制動液為動力傳輸介質，并配備了液壓備用制動系統，是當前的主要技術方案。而在EMB中，控制執行機構通過四個輪端的電機來產生所需要的制動力，同時通過控制電機實現ABS等穩定性功能，但是其無液壓備份制動系統，量產之路面臨法規的阻礙。

2.1 電子液壓制動EHB系統

EHB是EJNWha9skCQ7rJ0fDIYy/qw==lectronic Hydraulic Brake的簡稱，是傳統制動系統和線控制動系統之間的過渡產品，將液壓制動技術與電子控制系統相結合，易于與目前成熟的輔助制動系統如ABS、ESC等系統集成，兼容性好[4]。EHB制動踏板與制動器無剛性連接，無需真空助力器，結構緊湊，控制方便可靠，制動噪音低，制動舒適性好，EHB還可單獨控制每個車輪的制動力，以輕松最大化制動能量回收，但是制動執行單元仍然保留了液壓系統。如圖1所示是電子液壓制動系統整體結構原理圖。

電子液壓制動系統助力制動執行流程為：當司機有制動想法時，踩下制動踏板，利用推桿上的踏板位移傳感器，實時準確地獲得位移的變化，并把輸出信號傳遞給能夠計算出所需相應制動力的系統控制器，然后將所需的三相正弦波傳輸給助力電機。電機啟動，電機輸出轉矩和轉速，通過機械變速器的減速增扭效應，在反饋盤中與駕駛員提供的輸入力相結合，驅動主缸活塞橫向移動，使儲油壺內的制動液加速從主缸中排出，流入到狹窄的剎車管路內，由于流體的不可壓縮性，使得制動系統內的制動液壓力急劇增加。高壓制動液促使制動輪缸內的活塞工作， 此時高速轉動的制動盤會被制動塊夾住，由此產生的強大的摩擦力會讓車輛慢下來或停下來。在整個制動過程中，電子液壓制動系統精密而高效地協調著各個組件，確保了制動的及時性和準確性，大幅提升了行車的安全性和便捷性。

相對于傳統的液壓制動，該制動系統制動噪聲減小，可提供更好的踏板感和更高的安全性能，當汽車在線控制動系統發生故障時，也能起到制動作用。然而，在備份系統中仍保留傳統的制動液輸送管路，使得EHB系統內的輸油管路既復雜又存在漏油的風險。

2.2 電子機械制動系統（EMB）

電子機械式制動器（EMB）是 Electronic Mechanical Brake的首字母縮寫，與電子液壓制動系統相比，電子機械式制動系統實現了全機械化制動結構，其特點是結構簡單、體積小、電信號傳輸、響應快、制動距離短、穩定性好、易于維護、無液壓油泄漏問題，并能通過ECU直接控制集成 ABS、TCS、ESP和ACC功能。EMB被認為是線控制動系統的終極演進，它作為純機械系統運行，執行器通常安裝在每個輪邊，電機集成在制動鉗內，踏板的制動信號直接輸入制動鉗[5]。通過簡化組件，無需使用制動液或液壓管路，制動力由電機驅動產生，從而使每個車輪都擁有獨立的電動機械制動系統。

由圖2可以看出，機械式線控制動系統由電源模塊、控制模塊、信息傳輸模塊、傳感器部分和電機制動模塊等組成。電源模塊主要為EMB制動電機提供能量；控制模塊負責接收信號，判定駕駛員意圖，輸出制動指令至制動控制器，統籌整個制動系統；信息傳輸模塊負責將各類信號送至指定部分；各傳感器用來測量汽車的狀態，主要包括車速、輪速、制動踏板位置狀態等常規檢測目標；電機制動模塊負責提供制動力，主要由制動執行器、 制動控制器、機械傳動機構等組成。制動時，制動踏板處的傳感器將踏板狀態信號通過網絡總線技術傳給中央控制器（ECU），ECU根據目前車輛運動狀態，結合其他傳感器信號經相應的算法處理后產生合適的制動控制信號，將該信號傳遞給各個輪胎上的EMB制動力控制單元（MCU），MCU根據接收到的制動力信號先判斷分析車輪制動力大小，并控制電機迅速啟動，進而產生制動力[6]。

與EHB液壓油輸送線路相比，EMB輸電線路傳輸速度更快，從而提高了系統響應速度，改善了工作穩定性和可靠性。然而，完全依賴線路控制意味著沒有備用制動系統，這就要求系統具有更高的工作可靠性和容錯性。

3 線控制動關鍵技術

3.1 故障診斷與容錯控制

汽車線控系統與傳統的機械、液壓系統相比，有著諸多優點。但是，這是一個先進而復雜的電子系統，現在還不能像機械和液壓元件那樣可靠，而且其失效方式也不同于常規的。因此，在新型故障模式下，如何對其進行高效的故障檢測，并確保其在部分元器件或軟件發生故障時，仍能具備容錯能力，以保障轉向、制動等基本功能，是當前亟須解決的重要問題。

線控系統必須具備對系統故障進行實時探測、定位和容錯控制的能力。容錯控制的意思是：當某一部分元件發生失效或故障時，該元件所承擔的功能可由該系統的其他元件所替代，從而使得該系統能夠維持預定的性能，或在不損失其基本功能的前提下，達到對有缺陷的系統的最優化。

其中，硬件冗余是指對關鍵元件或易失效的元件進行備份，而解析式冗余則是指通過對控制器進行軟件設計，以增加系統冗余度。然而，由于其昂貴的硬件冗余，已成為制約其發展的一個主要瓶頸。從成本的角度出發，通過增加解析式冗余度來改善系統的容錯性，已成為未來的研究熱點。

3.2 電機及其控制器

信號通過總線將數據傳送給控制器，再由控制器帶動各類電動機完成相應的任務。然而，電機及控制器的性能對整車線控系統的性能有著直接性的影響，整車線控系統中的電機以位置、速度、轉矩等為控制對象，其輸出功率在幾十瓦到數千瓦之間。

3.3 踏板模擬

在傳統的剎車系統中，當司機踩踏剎車時，可以感知到真空助力器和液壓系統的反饋，在不同的剎車壓力作用下，整車會產生一個對應的減速效果，從而為司機建立起剎車踏板的感覺。踏板踩踏的速度、踏板作用力、踏板行程以及相應的氣壓與減速速度均會對踏板的感受產生影響。傳統的剎車踏板感是根據剎車樣品的選擇而調節的，各家公司也都有自己的腳踏板感。至于要不要采用傳統車型剎車踏板感和開發模式，是線控制動的全新選項。

3.4 傳感器技術

在制動系統中，傳感器對制動系統的運行起著關鍵的作用。未來的制動系統將會是一種基于高精度的傳感器信息進行感知、決策和動態執行的智能化主動制動系統[7]。因此，研制一種低成本、高可靠性、高精度、小尺寸的線控制動系統是一項非常重要的技術。

3.5 汽車動態穩定性控制

ABS、TCS、ESC等在汽車主動安全方面都與制動相關。特別是ESC的核心技術與產品，雖然已經得到了廣泛的應用，但其核心技術還掌握在幾家國外廠商的手里，我國在ESC的匹配與批量生產方面還存在著技術障礙。特別是目前對線控制動技術的需求越來越大，博世等幾家制動機廠商紛紛將電動助力器與ESC技術進行整合，并與之相匹配，以進一步掌控車輛核心控制系統[8]。ESC中的電控單元（如電磁閥）的設計與制造、ESC控制、底盤集成控制、控制器技術、ESC評估方法sOIMGodDSqoO02RVbJFo5Zh7B05CaAUJ9VL7XrZg2EE=等是ESC系統的核心部分。

4 結語

線控制動系統作為一種新興的時代產品，可以為智能網聯汽車制動提供更穩定、更快速的制動性能。目前在智能網聯汽車上中應用比較廣泛的是EHB，EHB技術更成熟，更能適應市場需求，EHB將是現階段線控制動的發展方向。EMB由于成本高、沒有冗余備份、熱可靠性差等一些關鍵技術問題，仍需進一步完善，距離完全商業化還有一段距離。而EMB系統作為制動系統中最先進的技術，具有響應速度快、節能環保等優點，是包括EHB在內的傳統制動系統所無法比擬的。對于EMB的研究，各大企業及高校應當在線控制動系統關鍵技術方面加大投入研究，不斷地改進線控制動系統設計，提高智能網聯汽車線控制動系統的應用效果。我們相信，在未來，當制約EMB系統發展的各種困難被克服后，EMB產業化的條件將會慢慢成熟。

參考文獻：

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[6]鄧美俊，孫仁云，潘湘蕓，等.汽車電子機械制動系統技術發展分析[J].汽車零部件，2021（09）：103-109.DOI：10.19466/j.cnki.1674-1986.2021.09.023.

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