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汽车电子机械制动器(EMB)的发展研究 |
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作者：海南大学 王玉群 林向阳 杨清林 |
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本文针对人们对汽车制动系统的要求，结合智能制动控制系统的工作原理，综述了电子机械制动器(Electro Mechanic Brake)的发展过程，提出对EMB的结构要求和亟待解决的问题。
关键词：线控制动系统 电子机械制动器控制
1 引言
随着消费者对车辆安全性的日益重视，汽车制动系统也不断改进。从最初的皮革摩擦制动，到后来出现鼓式、盘式制动器，再到后来出现机械式ABS制动系统。紧接着伴随电子技术的发展又出现了模拟电子ABS制动系统、数字式电控ABS制动系统等等。
近10年来西方发达国家又兴起了对车辆线控系统（x-by-wire）的研究，随着线控制动系统（brake-by-wire）概念的提出，业内展开了对电子机械制动器的研究。简单地说，电子机械制动器就是把原来由液压或者压缩空气驱动的部分改为由电动机来驱动，借以提高响应速度、增加制动效能等，同时也大大简化了结构、降低了装配和维护的难度。
随着消费者对车辆安全性的日益重视，汽车制动系统也不断改进
由于人们对制动性能要求的不断提高，传统的液压或者空气制动系统在加入了大量的电子控制系统如ABS、TCS、ESP等后，结构和管路布置越发复杂，液压（空气）回路泄露的隐患也加大，同时装配和维修的难度也随之提高。因此结构相对简单、功能集成可靠的电子机械制动系统越来越受到青睐，可以预见电子机械制动器（EMB）将最终取代传统的液压（空气）制动器，成为未来车辆制动系统的发展方向。
2 线控制动系统(Brake—by—Wire)
Brake—by—Wire是指一系列智能制动控制系统的集成，它提供诸如ABS、车辆稳定性控制、助力制动、牵引力控制等现有制动系统的功能，并通过车载有线网络把各个系统有机的结合成一个完整的功能体系。每一个制动执行机构都有自己的动力控制单元，而动力控制单元所需的控制信号，如制动执行机构应该产生的力矩，由中心控制模块来提供。控制单元同样也从执行机构获得反馈回来的信号，如电机转子转角，实际产生的力矩，制动钳块和制动盘的触点压力等。中心模块通过不同的传感器，如制动力传感器、踏板位移传感器、轮速传感器等获取自己所需的变量参数，识别驾驶员的意图，经过处理后发送给每一个车轮，以此来控制制动效果。
图1 智能制动控制系统结构
。图l为一四轮机动车智能制动控制系统的结构简图。它有四套制动执行机构，每一套执行机构都包括力矩电机，制动器外壳和制动钳块。它们作为一个整体将制动力施加在制动盘上。而驾驶员的意图来自于制动踏板单元，它包括制动踏板，踏板位移传感器，踏板力传感器，踏板力模拟机构。其中踏板位移传感器和力传感器并不是必须同时存在的。由图1可以看出系统中分为前轴和后轴2套制动回路A、B，每一套回路都有自己的中心控制模块和动力源(电池Batl和Bat2)。2个中心控制模块是相对独立工作，同时也通过双向的信号线互相通信，在这种结构下，可以做到当其中某一套制动线路失灵或出现故障时，另外一套线路可以照常工作，保证制动的安全性。图中带有箭头的代表数据传输线，而箭头表示了数据传输方向。
2.1 EHB系统
EHB（Electro-Hydraulic Brake）即线控液压制动器，是在传统的液压制动器基础上发展而来的。EHB采用电子控制功能取代了传统制动系统中制动踏板与轮边制动器之间的机械及液压连接，即由电气控制替代了原先的杆系及液压管路连接。
EHB系统在正常的制动过程中，首先由踏板行程模拟器中集成的行程传感器及压力传感器感应驾驶者施加在踏板上制动力的速度及强度，以获得（识别）驾驶者的制动意图；然后，根据系统电气线路传输来的感应信号计算出各车轮所需的制动力；接着，液压执行单元根据EHB计算机输出的控制指令通过高压蓄能器分别对各车轮精确施加所需的制动力，使得车辆更快速、更稳定地制动或减速。
所以，EHB制动是由感应、计算、电控执行制动过程构成的线控制动系统。车辆安装EHB系统后，便可以取消原先的真空制动增压器及发动机真空泵。另外，EHB系统的高压蓄能器中持续稳定的制动液压力可达140bar，完全能快速响应驾驶者的制动指令。
EHB系统能够根据实际需要对各车轮制动力进行独立计算及控制，所以能够缩短车辆制动距离，提高行车安全性。另外，EHB系统还能够通过软件集成诸如制动防抱ABS、电子稳定程序ESP及辅助制动BAS等功能，以进一步提高车辆制动的安全性及舒适性。
在紧急制动工况下，当驾驶者的脚迅速撤离加速踏板时，EHB系统便根据这一信号获得即将到来的制动需求，于是系统当即向轮边制动器缓缓施加制动力。一旦驾驶者快速踩动制动踏板，制动系统便能更为快捷地响应紧急制动指令，施加紧急制动力。由于EHB系统提前启动了制动系统，所以，EHB系统能够进一步缩短紧急制动工况下的制动距离，提高行车安全性。在转弯制动工况下，EHB系统提供给外侧车轮的制动力大于内侧车轮，极大地提高了车辆的稳定性及安全性。
如果EHB系统集成了辅助制动功能ABS，那么当EHB系统探测到制动踏板上的压力迅速撤消并且在此之前的制动力还不足以使车轮抱死时，系统便断定紧急事故已经发生，并自动增加制动力至ABS功能启动的限值，即最大限度地阻止车辆继续前行，以避免车辆产生二次碰撞或导致其它意外伤害。
由于EHB采用了线控技术，所以在制动过程中当ABS功能启动后，制动踏板不会再出现传统制动系统普遍存在的脉动反冲力，进而提高紧急制动时的操作舒适性。在湿滑路况下，EHB更会自动干燥制动盘以提高及稳定车辆的制动性能。另外，EHB系统还能在车辆完全停止前将制动力适当调缓（紧急制动情况除外），令制动过程变得更为舒适。
相比传统的液压制动器，EHB有了显著的进步，其结构紧凑、改善了制动效能、控制方便可靠、制动噪声显著减小、不需要真空装置、有效减轻了制动踏板的打脚、提供了更好的踏板感觉。由于模块化程度的提高，在车辆设计过程中又提高了设计的灵活性、减少了制动系统的零部件数量、节省了车内制动系统的布置、空间。可见相比传统的液压制动器，EHB有了很大的改善。但是EHB还是有其局限性，那就是整个系统仍然需要液压部件，其基本的还是离不开制动液。图2为奔驰新E系列车型配置的线控EHB液压制动器。
2.2 EMB系统
如果把EHB称为“湿”式brake-by-wire制动系统的话，那么EMB就是“干”式brake-by-wire制动系统。EMB和EHB以及HB的最大区别就在于它不再需要制动液和液压部件，制动力矩完全通过安装在4个轮胎上的由电机驱动的执行机构产生。因此相应的取消了制动主缸、液压管路等等，可以大大简化制动系统的结构、便于布置、装配和维修，更为显著的是随着制动液的取消，对于环境的污染大大降低了。另外，由于相应可以取消很多现有部件，因此可以大大减轻系统的重量，便于对车辆底盘进行综合主动控制。其突出的优点是：不需要制动管路从而降低了制造成本和安装布置的难度、制动效能得到了提高、性能稳定，不需要制动液降低了成本、并且保护环境，便于融入到车辆综合控制的网络中去（CAN总线）减少了部件数降低了对空间的占用。由于制动踏板只提供参考输入不直接作用于制动系统之上，便于改善踏板性能。
从20世界90年代开始，一些著名的汽车电子零配件生产厂商如Bosch，Siemens以及Continental Teves等相继开始了对EMB电制动器的研究，并做过一些相应系统仿真和装车试验。如图3所示是德国一家公司正在开发的EMB制动系统整体结构。
图3 EMB制动系统整体结构
3 EMB的发展研究
3．1 EMB的发展和现状
EMB最早应用在飞机上，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与传统的制动系统有着极大的差别，其执行和控制机构需要全部重新设计。其执行机构需要能够把电动机的转动平稳转化为制动蹄块的平动、需要能够减速增矩、需要能够自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等，而且由于体积的限制其结构也必须巧妙和紧凑，是整个EMB系统中非常重要的组成部分；其控制部分也要求能精确控制电动机的转速和转角从而防止制动抱死。最近几年一些国际大型汽车零部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：Continental Teves Siemens、Bosch Eaton、Allied Signal、Delphi Varity Lucas、Hayes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。
3．2 EMB系统的特性
对于EMB系统的机械执行机构，它直接接受电动机产生的力矩，并放大作用到制动盘上，其结构应该满足如下几个基本的要求：
(1)结构紧凑，便于布置；
(2)能够把转动转化为平动；
(3)有减速增矩、自增力机构；
(4)能够自动补偿制动间隙；
(5)能够提供停车时的驻车制动；
(6)安全可靠、工作时间长。
EMB制动系统从节省能量的角度来说可以分为两大类，第一类是电动机直接带动机械执行机构然后作用到制动盘上，典型是Continental Teves公司研制的制动器；第二类是电动机通过一个自增力机构，间接作用到制动盘上，可以大大降低系统所消耗的能量。German Aerospace Center fDLR)内部资料显示其公司研制的EMB制动系统(图3)比第一类结构节省了约83％ 的能量。第一种结构形式的制动器特点是控制简单，制动过程稳定；但是由于电机提供所有推动制动块所需的推力，使得所需的驱动电机的功率很大，从而造成电机的尺寸、重量和能耗都较大。第二种结构形式的制动器由于间接利用了汽车的动能作为制动自增力，驱动电机所需功率可大幅下降，只需要约3％的其它替代方案的能耗，其体积、尺寸和重量也必然比第一种结构形式的制动器小，不过目前这种形式的制动器控制难度大，制动稳定性也不如前者。
瑞典的Haldex公司研制的EMB可作为一个紧凑的集成的车轮模块来生产，并能够与如今的车桥和制动盘完美地结合在一起，无需增加额外的与车桥一侧的连接匹配。EMB完全可以采用跟过去一样的成熟的方式来预先安装到车桥上，最后只需要对车辆系统的电子接口进行连接。
以一辆40t的载货车为例，装有盘式制动器和EBS，在时速为90km/h时开始制动，到其停下来的制动距离比以前采用ABS和鼓式制动器（制动压力800kPa）时缩短了45％左右，而Haldex公司推出的EMB能够进一步缩短14％的制动距离。各种不同制动装置下的制动距离如图4所示。
图4 各种不同制动装置下的制动距离对比
3．3 EMB所需解决的问题
显而易见，EMB制动系统具有很多传统制动系统所不能比拟的优势，不过由于其发展时间短，也必不可少的存在许多亟待解决的问题：
⑴ 如果系统线路出现断路或者电源出现故障，制动系统应该如何动作？如果制动踏板模拟器出现故障该如何处置？因此需要加强系统可靠性和意外事故保险方面的研究力度。
⑵ 由于在高速制动过程中产生大量的热量，因此需要加强系统的热稳定性和散热性能。需要反复实验验证驱动电机和其它部件在高温条件下的工作性能和稳定性。
⑶ 电制动系统采用大量的电控技术就难以避免有大量的电子电路，又由于车辆工况复杂而且在外部暴露的电磁场和地球磁场环境中工作，这就需要加强电制动系统的抗干扰能力。
⑷ 驱动电机动作需要消耗大量的电能，这是对目前车辆使用的12V电源的一个考验，未来将采取42V的电压来位系统提供能量。
⑸ 目前车辆EMB制动系统还要加强与其它现行车辆电控系统的整合，最好可以形成一体化、模块化的底盘控制系统，对车辆进行综合控制。
⑹ 由于采用了大量的传感器、控制芯片和新的技术，使得目前电制动系统的成本比现有的液压制动系统成本高，因此降低系统的使用成本也是当前需要解决的问题。
3．4 EMB的研究方向
目前EMB制动系统的技术还不成熟，需要解决的技术问题还很多，国外把对电制动系统的研究重点集中在如下几个方面：
(1)耐高温电子元器件；
(2)机械一电子执行机构；
(3)可自适应调节的控制算法；
(4)灵敏度高而又廉价的传感器；
(5)系统容错控制；
(6)高可靠性的电线和连接件；
(7)力矩电机的设计。
对耐高温电子元器件的研究主要涉及到两个方面：一是在电子元器件本身上下功夫，提高其对高温的承受能力和在高温下的工作稳定性；另一个就是改良制动盘的材料和提高其散热。为电子元器件的工作提供一个良好的环境。
在对制动器的控制算法和先进传感器的研究上，国内外学者也都做了很多工作。而目前车辆制动器的控制算法上主要采用三种：滑模控制算法、逻辑门限值控制、最优控制算法等。
在电控制动系统的容错性上，最近查阅大量的论文在研究这个问题。因为这个问题牵涉到了制动系统的安全性和可靠性，因此是一个关键和至关重要的研究方向。有些学者是用实验的方法去检测和评估EMB对制动请求的响应情况，并通过一定的算法来忽略瞬间的错误信号借以实现系统的容错控制；有的是在分布式的线控制动系统中加入一个中央控制芯片（brake-by-wire Manager），这是一个专门进行容错控制的冗余设计，并配以专门编写的软件来进行容错控制处理；最近的是在系统中引入一个监控器（monitor），用以检测可能导致系统错误和失效的信号，然后产生错误检测代码，根据代码来处理失效和提高安全性。显然车辆电控系统的容错控制是一个牵涉到计算机硬件、软件、通信协议等等多方面的比较难解决的问题。其它诸如连接电缆、传感器的设计制造相应会简单一些。另外在制动过程中，电机将在“堵转”的恶劣环境下工作，因此对电机的可靠性要求高，而且必须结构小巧紧凑、便于安装、能在各种恶劣的环境下可靠工作。
4 结束语
通过以上分析可以做出结论：虽然EMB制动器比传统的液压制动器有着无法比拟的优势和广阔的运用前景，但是也有其自身需要解决的问题，只有解决了一些制约EMB制动器发展的关键性问题，才能得到越来越广泛的应用。(end)
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(1/10/2011) |
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