電子制動(dòng)助力器的發(fā)展研究與應(yīng)用

摘 要：隨著電動(dòng)化趨勢(shì)在全球范圍內(nèi)加速，中國(guó)汽車行業(yè)在未來(lái)數(shù)年面臨復(fù)雜的市場(chǎng)格局和持續(xù)的轉(zhuǎn)型壓力。自動(dòng)駕駛、電動(dòng)汽車、共享出行等概念的興起，預(yù)示著汽車行業(yè)的未來(lái)方向。智能汽車不僅便捷我們的出行方式，還將深刻影響城市規(guī)劃、能源消耗乃至社會(huì)結(jié)構(gòu)。底盤(pán)制動(dòng)系統(tǒng)作為提升車輛性能和智能化水平的關(guān)鍵部件，已成為推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的共識(shí)和必然發(fā)展方向。傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)受限于結(jié)構(gòu)、整車空間布局及其能量來(lái)源不滿足智能化、電動(dòng)化汽車發(fā)展需求，因此研究新能源汽車電子制動(dòng)助力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)迫在眉睫。

關(guān)鍵詞：電子制動(dòng)助力器 機(jī)械解耦 電動(dòng)汽車

2020年9月22日，中國(guó)首次提出“雙碳”目標(biāo)，努力爭(zhēng)取2030年前實(shí)現(xiàn)目標(biāo)-碳達(dá)峰，同時(shí)全力以赴力爭(zhēng)在2060年前實(shí)現(xiàn)目標(biāo)-碳中和。近年來(lái)，全國(guó)各領(lǐng)域、各行業(yè)不斷夯實(shí)節(jié)能減排基礎(chǔ)、壓實(shí)綠色發(fā)展任務(wù)，“雙碳”目標(biāo)已經(jīng)成為引領(lǐng)中國(guó)高質(zhì)量發(fā)展的綠色引擎。在“雙碳”和汽車“新四化”（電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化）目標(biāo)的不斷推動(dòng)下，汽車底盤(pán)關(guān)鍵零部件也發(fā)生著巨大的變革，尤其是制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)已然成為各大院校、供應(yīng)商、主機(jī)廠研究熱點(diǎn)。

1 EBS概述

1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外相關(guān)高校與科研機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者對(duì)汽車電子制動(dòng)助力器（Electronic Brake Booster，EBS）的研究由來(lái)已久，2002年戴克集團(tuán)和以研發(fā)汽車電控聞名的德國(guó)博世公司聯(lián)合推出集成了電子控制系統(tǒng)和電液制動(dòng)力增壓器的制動(dòng)系統(tǒng)[1]。2008年博世公司推出HAS-HEV，并將其應(yīng)用于歐洲的混動(dòng)車型中。2010年日本日立公司推出一種解耦式電子機(jī)械制動(dòng)助力機(jī)構(gòu)e-ACT[2]。2013年博世公司推出iBooster 第一代產(chǎn)品，2016年推出iBooster第二代產(chǎn)品[3]。

目前國(guó)內(nèi)高校和汽車零部件供應(yīng)商對(duì)電子制動(dòng)助力器的研究相對(duì)較晚，由于技術(shù)、資金等原因大多停留在小批量生產(chǎn)中，尚未投入大規(guī)模生產(chǎn)。2012年朱為國(guó)等人[4]建立輪式汽車制動(dòng)的力學(xué)模型，利用工程仿真軟件 MATLAB中的Simulink模塊，建立輪式汽車制動(dòng)的仿真模型，將某車型的參數(shù)代入仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。2012年浙江亞太機(jī)電提出一種采用電磁結(jié)構(gòu)的多腔新型制動(dòng)主缸來(lái)替代傳統(tǒng)真空助力器制動(dòng)主缸[5-6]。2013年北京航空航天大學(xué)高峰等人[7]研制出了一種新型電動(dòng)助力制動(dòng)系統(tǒng)。2014年王梅俊等人[8]以汽車制動(dòng)器為例，將制動(dòng)時(shí)間、質(zhì)量和溫升等目標(biāo)作為博弈方進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2016年上海匯眾汽車制造有限公司提出了一種包含電動(dòng)制動(dòng)助力耦合裝置的電動(dòng)助力制動(dòng)系統(tǒng)[9]，兩者的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都采用滾珠絲杠，伺服力和人力都是通過(guò)反饋盤(pán)進(jìn)行耦合；不過(guò)，浙江亞太采用的是直流電機(jī)。

1.2 EBS的基本結(jié)構(gòu)

目前市面上已量產(chǎn)了多種電子液壓制動(dòng)助力系統(tǒng)各具特色，但基本機(jī)構(gòu)都相差無(wú)幾。大體上電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)共分成4大部分：制動(dòng)踏板單元、液壓驅(qū)動(dòng)單元、制動(dòng)執(zhí)行單元、控制系統(tǒng)[10]。

制動(dòng)踏板單元包含制動(dòng)踏板、制動(dòng)踏板開(kāi)關(guān)、踏板模擬器等，可通過(guò)踏板模擬器中不同剛度彈簧的搭配，實(shí)現(xiàn)不同踏板感覺(jué)和踏板力的調(diào)整，為駕駛員提供舒適的制動(dòng)踏板感覺(jué)。同時(shí)通過(guò)采集踏板位移傳感器信號(hào)，通過(guò)標(biāo)定踏板位移與液壓力的關(guān)系曲線，識(shí)別駕駛員請(qǐng)求的制動(dòng)目標(biāo)壓力。

液壓驅(qū)動(dòng)單元包括“電機(jī)+渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)”。為滿足法規(guī)失效減速度2.44m/s2，電動(dòng)汽車制動(dòng)主缸最大建壓能力需要超過(guò)150bar，因此在將電機(jī)作為液壓壓力動(dòng)力來(lái)源的電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，均需要加裝減速增扭裝置，以減小電機(jī)轉(zhuǎn)速增大最大輸出轉(zhuǎn)矩的目的，進(jìn)而在一定程度上減小優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本。

制動(dòng)執(zhí)行單元包括主缸，液壓管路，輪缸等。這些機(jī)構(gòu)跟傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)保持一致，將推動(dòng)主缸的推力轉(zhuǎn)化成制動(dòng)器的液壓力，最后通過(guò)摩擦力作用在制動(dòng)盤(pán)上產(chǎn)生相應(yīng)的制動(dòng)力矩[11]。

控制系統(tǒng)包括電子控制單元、液壓力控制單元、液壓力傳感器、踏板位移傳感器以及踏板力傳感器。ECU通過(guò)PTS傳感器解析駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)的行程，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給控制器并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生制動(dòng)壓力。HCU通過(guò)液壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋液壓力作為控制算法的輸入量，向液壓控制模塊的進(jìn)出液電磁閥發(fā)送PWM控制信號(hào)，精確調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，使車輛實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高效的制動(dòng)。

1.3 EBS的工作原理

電子制動(dòng)助力器主要基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和踏板位移傳感器來(lái)工作。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，踏板位移傳感器會(huì)檢測(cè)踏板的位置和運(yùn)動(dòng)速度，并將這些信號(hào)傳送給電子控制單元（ECU）。ECU根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和車輛的行駛狀態(tài)，計(jì)算出所需的制動(dòng)力，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞，從而產(chǎn)生制動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)精確且高效的制動(dòng)助力。（圖1）

2 EBS與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的比較

2.1 傳統(tǒng)真空助力器工作原理

傳統(tǒng)真空助力器主要由真空伺服氣室和控制閥組成。制動(dòng)時(shí)，踏板力通過(guò)推桿推動(dòng)控制閥，使真空伺服氣室右腔與大氣相通，左腔仍保持真空，從而產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)膜片帶動(dòng)推桿助力制動(dòng)主缸活塞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)踏板力的放大，幫助駕駛員更輕松地制動(dòng)車輛。（圖2）

2.2 傳統(tǒng)真空助力器缺點(diǎn)

2.2.1 硬件方面

（1）體積大、質(zhì)量重不利于車輛空間布局與輕量化設(shè)計(jì)。

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、增加成本與難度。

（3）若涉及更改硬件，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。

（4）真空助力器配ESC主動(dòng)制動(dòng)壽命短。

2.2.2 功能方面

（1）依賴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生真空源，占用整車空間大，布置困難，不適應(yīng)新能源汽車發(fā)展。

（2）MVP、EVP需要發(fā)動(dòng)機(jī)額外做功導(dǎo)致車輛油耗增加。

（3）踩踏板建壓過(guò)程中真空助力器噪音大。

（4）真空助力器配ESC制動(dòng)響應(yīng)慢、動(dòng)力不穩(wěn)定（尤其是高原空氣稀薄地方）、舒適性差。

（5）不支持能量回收及長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人駕駛。

（6）不支持踏板調(diào)節(jié)，駕駛體驗(yàn)差。

2.3 EBS方案優(yōu)點(diǎn)

（1）電子制動(dòng)助力器滿足制動(dòng)系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。具有建壓響應(yīng)快（≤250ms）、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高（≥160萬(wàn)次）等特性，進(jìn)一步增強(qiáng)了駕駛員對(duì)更加復(fù)雜駕駛場(chǎng)景的駕馭，幫助車輛獲得更高的減速度，減小制動(dòng)距離。

（2）EBS配備有制動(dòng)感覺(jué)切換功能，用戶可以體驗(yàn)真實(shí)踏板感，能夠滿足不同駕駛風(fēng)格的制動(dòng)體驗(yàn)。EBS設(shè)置有三擋制動(dòng)感覺(jué)可供駕駛員選擇，分為舒適（Comfortable）、正常（Normal）、運(yùn)動(dòng)（Sport）三種制動(dòng)模式。在駕駛員踩下相同踏板位移時(shí)，三種制動(dòng)感覺(jué)所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)助力大小有所不同。駕駛員可以通過(guò)中控顯示屏選擇合適的制動(dòng)助力模式。（圖3）

（3）EBS具有能量回收功能。目前絕大多數(shù)新能源汽車（如：五菱星光S、云海、繽果、哪吒X等）為了降低能耗、提高續(xù)駛里程，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)的特性，電子助力制動(dòng)器可配備傳統(tǒng)ABS/ESC、獨(dú)立實(shí)現(xiàn)能量回收、可回收90%以上的能量。

（4）線控制動(dòng)是實(shí)現(xiàn)智能駕駛的重要功能。EBS控制器通過(guò)CAN總線得到外部制動(dòng)請(qǐng)求、制動(dòng)目標(biāo)并得知處于線控制動(dòng)模式，通過(guò)控制電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿、齒輪齒條減速機(jī)構(gòu)使得齒條向前運(yùn)動(dòng)，齒條對(duì)主缸施力后，對(duì)主缸液路建壓，由液壓管路將制動(dòng)液輸送至卡鉗活塞，進(jìn)而推動(dòng)卡鉗夾緊制動(dòng)盤(pán)完成制動(dòng)過(guò)程。

（5）不受發(fā)動(dòng)機(jī)約束。傳統(tǒng)真空助力器依賴發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生真空，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或怠速時(shí)，真空度不足會(huì)導(dǎo)致助力減弱或消失，影響制動(dòng)性能。電子制動(dòng)助力器有獨(dú)立電源，不依賴發(fā)動(dòng)機(jī)工況，即使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火也能正常提供制動(dòng)助力，保證制動(dòng)可靠性，尤其在啟停頻繁的城市駕駛中優(yōu)勢(shì)明顯。

（6）良好的NVH。借助先進(jìn)的電子控制算法和傳感器反饋，精確控制EBS系統(tǒng)的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)和部件動(dòng)作，從制動(dòng)踏板到車輪制動(dòng)分泵，整個(gè)制動(dòng)執(zhí)行過(guò)程平穩(wěn)、柔和，減少因控制不當(dāng)導(dǎo)致的壓力突變和振動(dòng)使車身、底盤(pán)等部位產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)，保證駕乘舒適性。

3 EBS發(fā)展前景

隨著汽車行業(yè)智能化、電氣化不斷發(fā)展，傳統(tǒng)真空助力器已經(jīng)不滿足市場(chǎng)需求，加之消費(fèi)者對(duì)車輛制動(dòng)性能的要求越來(lái)越高，固新型制動(dòng)系統(tǒng)—電子液壓制動(dòng)開(kāi)發(fā)升級(jí)顯得尤為重要。EBS系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)真空助力器在新能源汽車上真空度不足的問(wèn)題，同時(shí)提高制動(dòng)響應(yīng)速度，增加動(dòng)力穩(wěn)定性、舒適性，除此之外電子助力制動(dòng)器還提高了能量回收效率，延長(zhǎng)電動(dòng)車的續(xù)航里程。隨著新能源汽車的普及，EBS的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2024年上半年，中國(guó)乘用車EBS前裝搭載率已達(dá)到45.8%，其中新能源車的EBS裝配率遠(yuǎn)超燃油車。隨著智能駕駛技術(shù)的成熟，EBS的滲透率將突飛猛進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述電子制動(dòng)助力器憑借其精確的控制性能、高效的能量利用以及與智能駕駛系統(tǒng)的良好兼容性，在現(xiàn)代汽車制動(dòng)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。研究深入剖析其工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)以及優(yōu)勢(shì)，為相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。未來(lái)隨著汽車智能化、電動(dòng)化進(jìn)程的加速，電子制動(dòng)助力器有望在更廣泛的場(chǎng)景中發(fā)揮關(guān)鍵作用，持續(xù)推動(dòng)汽車安全與性能的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] KANT B.Sensotronic brake control（SBC）[J].Automotive Mechatronics， 2015（4）：154-157.

[2] OSHIMA T， FUJIKI N， NAKAO S， et al.Development of an electrically driven intelligent brake system[J].SAE In-temational Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems， 2011， 4：399-405.

[3]杜莎.博世i-Booster 助推汽車電氣化與自動(dòng)駕駛發(fā)展[J].汽車與配件，2017（23）：42-43.

[4]朱為國(guó)，劉峰.利用 Matlab/Simulink的輪式汽車制動(dòng)過(guò)程仿真分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2012（10）：60-63.

[5]郭立書(shū)，楊雄，施正堂.電動(dòng)助力式集成汽車制動(dòng)系統(tǒng)[P].中國(guó)專利：CN102795219B，2014-09-24.

[6]郭立書(shū)，黃偉潮，施正堂，等.電動(dòng)汽車能量回饋制動(dòng)與ABS集成的液壓?jiǎn)卧猍P].中國(guó)專利：CN101973261A，2011-02-16.

[7]高峰，雍加望，丁能根，等.集成電液制動(dòng)系統(tǒng)助力算法及其功能驗(yàn)證[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，43（3）：424-431.

[8]王梅俊，陳亮.運(yùn)用非合作博弈的汽車盤(pán)式制動(dòng)器的多目標(biāo)設(shè)計(jì)決策[J].現(xiàn)代制造工程，2014（1）：9-14.

[9]方恩，劉倩，張晨晨.助力制動(dòng)系統(tǒng)及汽車[P].中國(guó)專利：CN103847711A，2012-12-07.

[10]姚波，曲萬(wàn)達(dá)，何耀華.汽車電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)[J].客車技術(shù)與研究，2007，29（2）：25-26.

[11]余卓平，韓偉，徐松云，等.電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)液壓力控制發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（14）：1-15.