汽車(chē)電子制動(dòng)系統的初步研究與探討
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1 汽車(chē)制動(dòng)的發(fā)展概況
20世紀80年代后期，世界汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域最顯著(zhù)的成就就是防抱制動(dòng)系統(ABS)的應用和推廣。ABS 集微電子、精密加工、液壓控制技術(shù)為一體，是機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。它的安裝大大提高了汽車(chē)的主動(dòng)安全性和操縱性。車(chē)輛制動(dòng)控制系統的發(fā)展主要是控制技術(shù)的發(fā)展。一方面，是擴大控制范圍、增加控制功能；另一方面，是采用優(yōu)化控制理論，實(shí)施伺服控制和高精度控制。經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，汽車(chē)制動(dòng)系統的形式已經(jīng)基本固定。隨著(zhù)電子，特別是大規模、超大規模集成電路的發(fā)展，汽車(chē)制動(dòng)系統的形式也將發(fā)生變化。如凱西一海斯(K-H)公司在一輛實(shí)驗車(chē)上安裝了一種電一液(EHB)制動(dòng)系統，該系統徹底改變了制動(dòng)器的操作機理。
目前以最新技術(shù)形態(tài)出現的汽車(chē)電子系統是從飛機控制系統引來(lái)的，電子控制系統(X-by—Wire)用電子信號代替有形的連接，最終可望把駕駛員的控制裝置與轉向、制動(dòng)機構之間機械的或液壓的連接件，包括轉向柱、中間軸、泵、軟管、液壓油、皮帶、增壓器及制動(dòng)總泵等，通通淘汰出局，而且可以使用各種電機作動(dòng)器，外加腳踏板和轉向感覺(jué)
2 國內外研究狀況
在汽車(chē)電子技術(shù)研發(fā)上，著(zhù)眼于解決環(huán)保和能源問(wèn)題，不少?lài)以诮?jīng)濟和政策上給予大力支持。
國外的大公司在電子控制技術(shù)上較為領(lǐng)先，ITT Automotive Europe進(jìn)行了多年電子制動(dòng)方面的研究，Continental Teves公司已推出幾代制動(dòng)執行器。馬自達LS使用了壓力分配的電子制動(dòng)技術(shù)，它是利用汽車(chē)負載改變前后剎車(chē)轉換。以氣動(dòng)ABS聞名的Wabco公司已經(jīng)推出了電動(dòng)制動(dòng)的ABS系統。
在國內，目前僅擁有電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)開(kāi)發(fā)與試驗設施，對電動(dòng)汽車(chē)主要零部件電動(dòng)化開(kāi)發(fā)與試驗還沒(méi)有有效工具和方法，所以電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)基本上還處于燃油汽車(chē)輔助系統動(dòng)力源的電動(dòng)化改裝階段。
3 電子制動(dòng)系統的結構及特點(diǎn)
電子制動(dòng)是指正常工作時(shí)在制動(dòng)踏板和制動(dòng)器之間沒(méi)有機械連接，用電線(xiàn)取代部分或全部制動(dòng)管路，并省去制動(dòng)系統的很多閥。此外，在電子控制系統中設計相應程序，操縱電控元件來(lái)控制制動(dòng)力的大小以及各軸的制動(dòng)力分配，可完全實(shí)現使用傳統制動(dòng)系統所能達到的 ABS及ASR等功能。與傳統的制動(dòng)系統相比，所有油壓管道、油壓元件都被電子線(xiàn)路、電子元件所取代，安裝也方便很多。此外對制動(dòng)系統功能的整合也有很大幫助，包括ABS、制動(dòng)力輔助系統、巡航控制、穩定性控制等，這些系統在傳統的液(氣)壓制動(dòng)系統上體現為獨立、分離的單一硬件系統，而在BBW系統上只是整體系統中的子程序體現在控制程序的軟件，而且可以輕易加入更多的輸入信息和函數。
電子制動(dòng)的結構如圖1所示。圖2是該系統的配置圖。其主要包含以下部分。
(1)電制動(dòng)器。其結構和液壓制動(dòng)器基本類(lèi)似，有盤(pán)式和鼓式兩種，作動(dòng)器是電動(dòng)機。
(2)電子制動(dòng)控制單元(ECU)。接收制動(dòng)踏板發(fā)出的信號，控制制動(dòng)器制動(dòng)；接收駐車(chē)制動(dòng)信號，控制駐車(chē)制動(dòng)；接收車(chē)輪
(3)輪速傳感器。準確、可靠、及時(shí)獲得車(chē)輪速度。
(4)線(xiàn)束。給系統傳遞能源和電控制信號。
(5)電源。為整個(gè)電制動(dòng)系統提供能源。與其他系統共用?？梢允歉鞣N電源，也包括再生能源從結構上可以看出上述電子制動(dòng)系統具有傳統制動(dòng)控制系統無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
縮短制動(dòng)距離，優(yōu)化穩定性；由于制動(dòng)執行器和制動(dòng)踏板之間沒(méi)有了液壓和機械連接取而代之是數據線(xiàn)，無(wú)疑這將大大減少制動(dòng)器的作用時(shí)間，進(jìn)而有效地縮短制動(dòng)距離；
無(wú)需制動(dòng)液，有利于環(huán)保；
制動(dòng)踏板可調，使舒適性和安全性更好；
抗碰撞性能提高；
在A(yíng)BS模式下踏板無(wú)回彈振動(dòng)；
節省空間，零件減少；
幾乎無(wú)噪聲；
安裝簡(jiǎn)易；
可實(shí)現所有制動(dòng)和穩定功能，如ABS、EBD、TCS、ESP、BA、ACC等；
可與未來(lái)的交通管理系統輕松聯(lián)網(wǎng)；．方便的集成附加功能，如電子駐車(chē)制動(dòng)。
4 電子制動(dòng)系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題
BBW系統由于沒(méi)有機械或液壓后備，所以系統的可靠 性要求高，并且系統必須能容錯。因此，系統需要有下列特點(diǎn)：可靠的能源來(lái)源、容錯的通信協(xié)議和一些硬件的冗余等。下面是一些開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵部分。
(1) 驅動(dòng)能源問(wèn)題。鼓式制動(dòng)需100 W的功率，而盤(pán)式制動(dòng)則需要1 kW。12 V的車(chē)輛電器系統難以支持執行電氣制動(dòng)的高功率需求。因此，建立42V電壓系統機構十分重要，同時(shí)需要解決高電壓帶來(lái)的安全問(wèn)題。
(2)對容錯的要求。在完全取消了液壓元件的系統中，沒(méi)有獨立的后備執行系統。此時(shí)，與其使用能安全停止工作的系統，不如采用容錯或自動(dòng)防故障系統。雖然許多技術(shù)能提高容錯系統的安全性，更為根本的辦法還是提供后備系統。當節點(diǎn)或電子控制單元出現故障時(shí)，在不破壞現有系統完整性的情況下，啟用后備裝置。容錯程度應隨應用場(chǎng)合而不同，但重要的
(3)裝用電機控制的執行器，要求高性?xún)r(jià)比的半導體具有較好的高溫性能，以承受在制動(dòng)執行器附近產(chǎn)生的高溫。另外，需要開(kāi)發(fā)輕的低價(jià)位的車(chē)輛制動(dòng)器，而且由于輪轂尺寸的限制，尺寸要滿(mǎn)足設計要求。
(4)抗干擾處理。車(chē)輛在運行過(guò)程中會(huì )有各種干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響，控制系統的軟件和硬件如何實(shí)現部件化以適應不同種類(lèi)的車(chē)型需要，如何實(shí)現底瘟的部件化，是一個(gè)重要的難題。只有將制動(dòng)、轉向、懸架、導航等系統綜合考慮，從算法上部件化，建立數據總線(xiàn)系統，才能以最低的成本獲得最好的控制系統。
隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，上述各種問(wèn)題會(huì )逐步得到解決，電子制動(dòng)控制系統會(huì )真正代替傳統的以液壓為主的制動(dòng)控制系統，其示意圖見(jiàn)圖3。
同時(shí)，隨著(zhù)其它汽車(chē)電子技術(shù)特別是超大規模集成電路的發(fā)展，電子元件的成本及尺寸不斷下降。汽車(chē)電子制動(dòng)控制系統將與其它汽車(chē)電子系統如電子懸架、電子轉向、電子導航、無(wú)人駕駛系統等融合在一起成為綜合的汽車(chē)電子控制系統，未來(lái)的汽車(chē)中就不存在孤立的制動(dòng)控制系統，各種控制單元集中在一個(gè)ECU中，并將逐漸代替常規的控制系統，全面實(shí)現車(chē)輛控制的智能化。
5 電子制動(dòng)系統原理樣機的模塊化設計
(1)車(chē)輪制動(dòng)模塊
車(chē)輪制動(dòng)模塊由制動(dòng)執行器、制動(dòng)執行器ECU等組成。整車(chē)共4個(gè)車(chē)輪制動(dòng)模塊，其結構如圖4所示。該執行器采用了電機內置結構，其最大特點(diǎn)是模塊化，整個(gè)機構分為3個(gè)獨立模塊：驅動(dòng)電機、行星齒輪減速部分、把螺旋運動(dòng)變成絲杠直線(xiàn)運動(dòng)的行星滾子螺旋傳動(dòng)部分。
驅動(dòng)電機的選擇：由于永磁無(wú)刷直流力矩電機的無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，選定它作為制動(dòng)電機。把電動(dòng)機安裝在車(chē)輪輪轂內，既提高了車(chē)體空間的利用率又舍棄了傳統的離合器、減速器、傳動(dòng)橋等機械傳動(dòng)部件，使整車(chē)重量減輕，降低了機械傳動(dòng)損耗，并具有更靈活的行駛驅動(dòng)特性。由于執行器經(jīng)常在堵轉狀態(tài)下工作，要求電機的堵轉特性好，允許長(cháng)時(shí)間堵轉，且要求電機的空載轉速盡可能高。在正常狀態(tài)下，通過(guò)調節電機輸入電流的變化，實(shí)現電機輸出扭矩的變化。
減速機構的選擇：行星齒輪減速機構。降低電機轉速，增大輸出扭矩，并有一定的軸向承載能力。
滾珠絲杠副：把電機輸出的旋轉運動(dòng)變成絲杠的直線(xiàn)運動(dòng)，對制動(dòng)鉗施加壓力，產(chǎn)生制動(dòng)力。
制動(dòng)器：盤(pán)式和鼓式制動(dòng)器。
傳感器：輪速、壓力和角位移傳感器?！?2)中央電子控制單元
作為電子制動(dòng)系統的核心，ECU要接受制動(dòng)踏板發(fā)出的信號，控制制動(dòng)器制動(dòng)；接受駐車(chē)制動(dòng)信號，控制駐車(chē)制動(dòng)；接受車(chē)輪
(3)電子踏板模塊
它帶有踏板感覺(jué)
6 展望
隨著(zhù)其它汽車(chē)電子技術(shù)特別是超大規模集成電路的發(fā)展，電子元件的成本不斷下降。汽車(chē)電子制動(dòng)控制系統將與其它汽車(chē)電子系統如電子懸架、電子轉向、電子導航、無(wú)人駕駛系統等融合在一起成為綜合的汽車(chē)電子控制系統，未來(lái)汽車(chē)中不 存在孤立的制動(dòng)控制系統，各種控制單元集中在一個(gè)ECU中，并將逐漸代替常規的控制系統，全面實(shí)現車(chē)輛控制的智能化。預計，到2010年40％歐洲生產(chǎn)的汽車(chē)將采用X-by-Wire技術(shù)。隨著(zhù)X—by-Wire的發(fā)展，Brake-by-Wire、Thrust-by-Wire、Steer-by-Wire、Shift-by- Wire等by-Wire系統將成為X-by-Wire系統的各個(gè)子系統，它們之間會(huì )有一些數據共享，將有一個(gè)更大的通訊系統來(lái)實(shí)現之間的通訊，從而使整個(gè)汽車(chē)成為一個(gè)完全的X-by—Wire系統。不過(guò)，汽車(chē)電子制動(dòng)系統的發(fā)展受到整個(gè)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的制約，只有巨大的現有及潛在的汽車(chē)市場(chǎng)吸引，各種先進(jìn)的汽車(chē)電子、信息以及各種智能技術(shù)才能不斷應用到汽車(chē)制動(dòng)控制系統中，同時(shí)也需要國際及國內相關(guān)法規健全，電子制動(dòng)系統才會(huì )真正批量應用到汽車(chē)中。
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