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线控制动技术(BBW)概述
作者: 寒星1999 来源: IND4汽车人 日期: 2019年9月19日

前言
随着汽车电子技术的不断发展,传统的机械系统多数被电子元件代替,‘线控’,这一名词成了标榜自己高大上的必备词汇,你要不说自己是线控的系统,似乎你就是来自远古时代。
 
线控技术本身与我们的生活非常之近,在汽车中,也布满了各种各样的线控技术,辅助的系统如汽车影音控制、自动空调、电动调节后视镜、座椅、雨刷、各种电子稳定系统等。控制系统如电子油门、电子变速器挡把等。
 
电子油门踏板
 

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电子换挡
 
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从技术来讲汽车上几乎所有的操作控制都可以实现线控。今天就来扒一扒什么是线控技术,作为制动出身,自然先聊线控制动了。
 
“线控技术(X-by-Wire)”一词来源于NASA的飞机控制系统--“线传飞控(Fly-by-Wire)”,它将飞机驾驶员的操纵、操作命令转换成电信号,利用计算机控制飞机飞行。下图为波音777的驾驶舱,驾驶舱内所有操控单元都采用线控技术设计。
 
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简单的说,“线控技术”就是“电控技术”,用精确的电子传感器和电子执行元件代替传统的机械系统。这种控制方式引入到汽车驾驶上,就成为汽车线控技术。其中,“X”代表汽车中传统上由机械或者液压控制的各个功能部件,所以代替制动(Brake)就有线控制动(Brake-by-Wire)。
 
1,制动技术的发展
要说最早的“制动”全都靠“吼”,那就是马车的“人工声控制动”,“吁”和“驾”控制着停和走,只不过制动的效果,就得看胯下那位的心情了。
 
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汽车的制动系统来源于马车,但从汽车诞生时起,制动系统在车辆的安全方面就起着至关重要的作用。制动技术的发展,按照力的传递方式不同,可以划分为以下三个阶段:
 
第一个阶段是机械制动,制动能量完全由人体来提供,经典制动方式如下图:
 
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这个阶段汽车的主要特点是:质量小、结构简陋、动力不足、行驶缓慢,因此对制动力要求不高,依靠纯机械式制动系统便足以满足制动要求。因此,当时的制动系统和现在的自行车一样,就是单纯靠驾驶者通过简单的机械装置向制动器施加作用力来实现刹车。
 
现在纯机械的制动系统在汽车上已经绝迹,但在一些低端的农用车、拖拉机上基本还在使用机械制动系统。
 
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第二个阶段是压力制动,包含液压制动和气压制动,这个阶段的主要特点是:汽车质量越来越大,车速越来越快,对制动系统要求越来越高,所以必须借助相关的助力器(例如:真空助力器)装置,通过制动液或者气体传递制动压力。在此阶段还出现了电子制动系统,如ABS等。此阶段的制动系统拓扑图如下图示。
 
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第三个阶段是线控制动,这个阶段的制动系统不仅仅为了满足制动性能要求,更多的是为了追求高效能、可靠性、集成化等特性。发展至今,线控制动技术在是F1赛车上的应用已经非常成熟,但因其成本及技术问题,并未在乘用车上普及。
 
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如果刹车踏板仅仅只连接一个刹车踏板位置传感器,踏板与制动系统之间没有任何刚性连接或液压连接的,都可以视为BBW线控制动。早期的宝马M3曾经采用过BBW这种制动方式,但是受制于十多年前的电子系统可靠性和耐用性以及成本,后来新款的M3又换回了传统制动。
 
而近几年,自动驾驶时代的逼近推动了线控制动技术的进一步发展。线控制动是自动驾驶汽车“控制执行层”中最关键的,也是技术难度最高的部分。由于技术发展程度的局限,目前出现了两种形式的线控制动系统:电子液压制动系统(EHB)和电子机械制动系统(EMB)。
 
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2,线控制动基本原理
线控制动(Brake-by-Wire)将原有的制动踏板用一个模拟发生器替代,用以接受驾驶员的制动意图,产生、传递制动信号给控制和执行机构,并根据一定的算法模拟反馈给驾驶员。显而易见,它需要非常安全可靠的结构,用以正常的工作。其基本工作原理如下图所示:
 
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但EHB和EMB在传力路径上又有很大不同,下面分别简述EHB和EMB的工作原理和特性。
 
1电子液压制动系统EHB
EHB是在传统的液压制动器基础上发展来的,与传统制动系统相比,最大的区别在于:EHB用电子元件替代传统制动系统中的部分机械元件,即用综合制动模块取代传统制动系统中的助力器、压力调节器和ABS模块,其基本发展路径如下图示。
 
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制动踏板也不再与制动轮缸直接相连,而是采用的是电传刹车踏板,即刹车踏板与制动系统并无刚性连接,也无液压连接(如果有也只是作为备用系统,如左下图示),而是仅仅连接着一个制动踏板传感器,用于给电脑(EHB、ECU)输入一个踏板位置信号。
 
典型EHB由踏板位移传感器、电子控制单元ECU、执行器机构等部分组成(如下图示)。
 
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正常工作时,制动踏板与制动器之间的液压连接断开,备用阀处于关闭状态。电子踏板配有踏板感觉模拟器和电子传感器,ECU可以通过传感器信号判断驾驶员的制动意图,并通过电机驱动液压泵进行制动。电子系统发生故障时,备用阀打开,EHB系统变为传统的液压系统。
 
EHB系统由于具有冗余系统,安全性在用户的可接受性方面更具优势,且此类型产品成熟度高,目前各大供应商都在推行其开发的产品,如博世ibooster、大陆的MK C1、采埃孚IBC…
 
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2电子机械制动系统(EMB)
EMB最早是应用在飞机上的,如美国的F-15战斗机就采用了EMB制动器,后来才慢慢转化运用到汽车上来。
 
EMB与EHB不同,它不是在传统液压制动系统上发展而来,而是与传统的制动系统有着极大的差别,完全抛弃了液压装置使用电子机械系统替代,其能量源只需要电能,因此执行和控制机构需要完全的重新设计。也就是说,EMB取消了使用一百多年的刹车液压管路,采用电机直接给刹车碟施加制动力。这个原理有点像电子手刹,但是与电子手刹最大的不同是它需要能够产生足够大的制动力并且制动线性要高度可调,响应要非常迅速。
 
EMB系统中,所有液压装置(包括主缸、液压管路、助理装置等)均备电子机械系统替代,液压盘和鼓式制动器的调节器也被电机驱动装置取代。EMB系统的ECU通过制动器踏板传感器信号以及车速等车辆状态信号,驱动和控制执行机构的电机来产生所需的制动力。其工作原理及典型EMB系统如下图示。
 
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最近几年一些国际大型汽车零配件厂商和汽车厂进行了一些对于EMB制动系统的研究工作,也申请了一部分专利,主要参与竞争的公司有:ContinentalTeves、Siemens、Bosch、Eaton、Allied Signal、Delphi,Varity Lucas、Hayes、Haldex等等,而国内在此项目上的研究基本为空白,仅有二汽、清华大学和南京航空航天大学进行了一些相关的研究工作。
 
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3,线控技术的优点及制约因素
现代的汽车电子化程度越来越高,新能源汽车和自动驾驶汽车的发展又进一步加快了这种趋势。由于EHB以液压为制动能量源,液压的产生和电控化相对来说比较困难,不容易做到和其他电控系统的整合;而且液压系统的重量对轻量化不利。在汽车越来越像电子产品的今天,EHB的优点并没有远远盖过它的缺点,所以,EHB的大面积普及并不被看好。
 
未来可能成为主流的线控制动系统将是EMB,但EMB技术在汽车上的应用并不成熟,短期内难以量产。下面重点介绍EMB的优点和目前发展的制约因素:
 
1)EMB的优点:
(1)安全优势极为突出,反应时间100ms以内,大幅度缩短刹车距离。
(2)不需要助力器,让出布置空间。
(3)没有液压系统,质量轻且环保。
(4)ABS模式下无回弹震动,可以消除噪音。
(5)便于集成电子驻车、防抱死、制动力分配等附加功能,直接在控制器添加代码即可。
 
2目前发展的制约因素:
(1)无液压备用制动系统,对可靠性要求极高。包括稳定的电源系统、更高的总线通信容错能力和电子电路的抗干扰能力。
(2)刹车力不足。因轮毂处布置体积决定制动电机不可能太大,需开发配备较高电压(如48V)系统提高电机功率。
(3)工作环境恶劣,特别是高温。因属于簧下部件,振动高,且刹车温度达几百度,制约现有EMB零部件的设计。如:因空间限制,制动电机只能采用永磁式,而最好的磁王钕铁硼(N35牌号)工作上限80℃,310℃磁性消失,制动电机无法工作。另如:EMB部分半导体需工作在刹车片附近,不能承受几百度的高温,且因体积限制难以配置冷却系统。
 
4,总结
现阶段,由于液压管路发展了上百年,已经是非常成熟可靠的系统,并且也能较好的控制成本,因此在传统液压制动系统上发展而来的EHB已经进入了量产阶段,很多供应商都可以提供这样的系统来实现新能源车所需要的协调式制动策略。
 
而EMB虽然有着比传统的液压制动器和EHB两者都无法比拟的优势和广阔的运用前景,但纯靠永磁电机产生的制动力有限,要想大规模普及到前后车轮上还需要永磁体性能得到突破。虽然EMB是未来制动系统的终极发展方向,但只有解决了一些制约其自身发展的关键因素,才能得到越来越广发应用。线控制动的发展之路还任重道远。

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