液壓制動(dòng)的終結(jié)－電子制動(dòng)（EMB）技術(shù)發(fā)展簡介

隨著消費(fèi)者對(duì)車輛安全性日益提高的重視，車輛制動(dòng)系統(tǒng)也歷經(jīng)了數(shù)次變遷和改進(jìn)。從最初的皮革摩擦制動(dòng)，到后來出現(xiàn)鼓式、盤式制動(dòng)器，再到后來出現(xiàn)機(jī)械式ABS制動(dòng)系統(tǒng)，緊接著伴隨電子技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了模擬電子ABS制動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)字式電控ABS制動(dòng)系統(tǒng)等等。近10年來西方發(fā)達(dá)國家又興起了對(duì)車輛線控系統(tǒng)（x-by-wire）的研究，線控制動(dòng)系統(tǒng)（brake-by-wire）應(yīng)運(yùn)而生，由此展開了對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)器（Electromechanical Brake）的研究，簡單的來說電子機(jī)械制動(dòng)器就是把原來由液壓或者壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的部分改為由電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，借以提高響應(yīng)速度、增加制動(dòng)效能等，同時(shí)也大大簡化了結(jié)構(gòu)、降低了裝配和維護(hù)的難度。

???? 由于人們對(duì)制動(dòng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動(dòng)系統(tǒng)在加人了大量的電子控制系統(tǒng)如ABS、TCS、ESP等后，結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復(fù)雜，液壓（空氣）回路泄露的隱患也加大，同時(shí)裝配和維修的難度也隨之提高。因此結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、功能集成可靠的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)越來越受到青睞，可以預(yù)見EMB將最終取代傳統(tǒng)的液壓（空氣）制動(dòng)器，成為未來車輛的發(fā)展方向。

1 brake-by-wire的發(fā)展簡介

???? brake-by-wire是指一系列智能制動(dòng)控制系統(tǒng)的集成，它提供諸如ABS,車輛穩(wěn)定性控制、助力制動(dòng)、牽引力控制等等現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)的功能，并通過車載有線網(wǎng)絡(luò)把各個(gè)系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合成一個(gè)完整的功能體系。原有的制動(dòng)踏板采用了一個(gè)模擬發(fā)生器替代，用以接受駕駛員的制動(dòng)意圖，產(chǎn)生、傳遞制動(dòng)信號(hào)給控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并根據(jù)一定的算法模擬反饋給駕駛員。顯而易見，它需要非常安全可靠的結(jié)構(gòu)，用以正常的工作。其工作原理如圖1所示：

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???? 由于技術(shù)發(fā)展程度的局限，目前出現(xiàn)了兩種形式的brake-by-wire系統(tǒng)：

???? 1.1 EHB的簡介

???? EHB（Electro-Hydraulic Brake）即線控液壓制動(dòng)器，是在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。EHB用一個(gè)綜合的制動(dòng)模塊來取代傳統(tǒng)制動(dòng)器中的壓力調(diào)節(jié)器和ABS模塊等，這個(gè)綜合制動(dòng)模塊就包含了電機(jī)、泵、蓄電池等等部件，它可以產(chǎn)生并儲(chǔ)存制動(dòng)壓力，并可分別對(duì)4個(gè)輪胎的制動(dòng)力矩進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。比傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器，EHB有了顯著的進(jìn)步，其結(jié)構(gòu)緊湊、改善了制動(dòng)效能、控制方便可靠制動(dòng)噪聲顯著減小、不需要真空裝置、有效減輕了制動(dòng)踏板的打腳、提供了更好的踏板感覺。由于模塊化程度的提高，在車輛設(shè)計(jì)過程中又提高了設(shè)計(jì)的靈活性、減少了制動(dòng)系統(tǒng)的零部件數(shù)量、節(jié)省了車內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)的布置、空間?？梢娤啾葌鹘y(tǒng)的液壓制動(dòng)器，EHB有了很大的改善。但是EHB還是有其局限性，那就是整個(gè)系統(tǒng)仍然需要液壓部件，其基本的還是離不開制動(dòng)液。

???? EHB的出現(xiàn)主要是為以后研究和生產(chǎn)EMB打下基礎(chǔ)、并積累大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。早在1993年FORD公司就有一款電動(dòng)汽車采用了EHB，后來通用公司在其一款轎車上也采用了EHB制動(dòng)系統(tǒng)?？梢妵獾拇笃嚬驹缇烷_始了對(duì)brake-by-wire制動(dòng)系統(tǒng)的研究。如下圖所示是DELPHI公司研發(fā)的一款EHB的結(jié)構(gòu)示意圖：

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?1.2 EMB的簡介

???? 如果把EHB稱為“濕”式brake-by-wire制動(dòng)系統(tǒng)的話，那么EMB就是“干”式brake-by-wire制動(dòng)系統(tǒng)。EMB是Electromechanical Brake的英文簡稱，它和EHB以及HB的最大區(qū)別就在于它不再需要制動(dòng)液和液壓部件，制動(dòng)力矩完全是通過安裝在4個(gè)輪胎上的由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。因此相應(yīng)的取消了制動(dòng)主缸、液壓管路等等，可以大大簡化制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、便于布置、裝配和維修，更為顯著的是隨著制動(dòng)液的取消，對(duì)于環(huán)境的污染大大降低了。

????? 另外由于相應(yīng)可以取消很多現(xiàn)有部件，因此可以大大的減輕系統(tǒng)的重量，便于對(duì)車輛底盤進(jìn)行綜合主動(dòng)控制。其突出的優(yōu)點(diǎn)是：不需要制動(dòng)管路從而降低了制造成本和安裝布置的難度、制動(dòng)效能得到了提高性能穩(wěn)定、不需要制動(dòng)液降低了成本并且保護(hù)環(huán)境、便于融人到車輛綜合控制的網(wǎng)絡(luò)中去（CAN總線）、由于減少了部件數(shù)降低了對(duì)空間的占用、由于制動(dòng)踏板只提供參考輸人不直接作用于制動(dòng)系統(tǒng)之上便于改善踏板性能。

????? 從20世界90年代開始，一些著名的汽車電子零配件生產(chǎn)廠商如Bosch,Siemens以及ContinentalTeves等相繼開始了對(duì)EMB電制動(dòng)器的研究，并做過一些相應(yīng)的系統(tǒng)仿真和裝車試驗(yàn)。如下圖所示是德國一家公司開發(fā)的EMB制動(dòng)系統(tǒng)的示意圖：

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2 EMB電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)

????? 2.1 EMB的發(fā)展和現(xiàn)狀

????? EMB起先是應(yīng)用在飛機(jī)上的，如美國的F-15戰(zhàn)斗機(jī)就采用了EMB制動(dòng)器，后來才慢慢轉(zhuǎn)化運(yùn)用到汽車上來。EMB與傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)有著極大的差別，其執(zhí)行和控制機(jī)構(gòu)需要完全的重新設(shè)計(jì)。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要能夠把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化為制動(dòng)蹄塊的平動(dòng)、需要能夠減速增矩、需要能夠自動(dòng)補(bǔ)償由于長期工作而產(chǎn)生的制動(dòng)間隙等，而且由于體積的限制其結(jié)構(gòu)也必須巧妙和緊湊，是整個(gè)EMB系統(tǒng)中非常重要的組成部分；其控制部分也要求能精確控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角從而防止制動(dòng)抱死。最近幾年一些國際大型汽車零配件廠商和汽車廠進(jìn)行了一些對(duì)于EMB制動(dòng)系統(tǒng)的研究工作，也申請(qǐng)了一部分專利，主要參與競(jìng)爭(zhēng)的公司有：Conti-nental Teves、Siemens、Bosch、Eaton、Allied Signal、Delphi,Varity Lucas、Hayes等等，而國內(nèi)在此項(xiàng)目上的研究基本為空白，僅有二汽、清華大學(xué)和南京航空航天大學(xué)進(jìn)行了一些相關(guān)的研究工作。

????? 2.2 EMB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分類

對(duì)于EMB系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它直接接受電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩，并放大作用到制動(dòng)盤上，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足如下幾個(gè)基本的要求：

????? 1）結(jié)構(gòu)緊湊，便于布置；

????? 2）能夠把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平動(dòng)；

????? 3）有減速增矩、自增力機(jī)構(gòu)；

????? 4）能夠自動(dòng)補(bǔ)償制動(dòng)間隙；

????? 5）能夠提供停車時(shí)的駐車制動(dòng)；

????? 6)安全可靠、工作時(shí)間長。

????? 如前所述的各家公司都取得了各自的研究成果并成功申請(qǐng)了部分專利保護(hù)?？偟膩碚f，EMB制動(dòng)系統(tǒng)從節(jié)省能量的角度來說可以分為兩個(gè)大類，其一是電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)然后作用到制動(dòng)盤上，其典型是Continental Teves公司研制的制動(dòng)器；第二類是電動(dòng)機(jī)通過一個(gè)自增力機(jī)構(gòu)，間接作用到制動(dòng)盤上，可以大大降低系統(tǒng)所消耗的能量，German Aerospace Center (DLR)內(nèi)部資料顯示其公司研制的EMB制動(dòng)系統(tǒng)eBrake比第一類結(jié)構(gòu)節(jié)省了約83％的能量。第一種結(jié)構(gòu)形式的制動(dòng)器特點(diǎn)是控制簡單，制動(dòng)過程穩(wěn)定；但是由于電機(jī)提供所有推動(dòng)制動(dòng)塊所需的推力，使得所需的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率很大，從而造成電機(jī)的尺寸、重量和能耗都較大。第二種結(jié)構(gòu)形式的制動(dòng)器由于間接利用了汽車的動(dòng)能作為制動(dòng)自增力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率可大幅下降，只需要約3%的其它替代方案的能耗，其體積、尺寸和重量也必然比第一種結(jié)構(gòu)形式的制動(dòng)器小，不過目前這種形式的制動(dòng)器控制難度大，制動(dòng)穩(wěn)定性也不如前者。

????? 2.3 EMB所需解決的問題

????? EMB制動(dòng)系統(tǒng)顯而易見的具有很多傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，不過由于其發(fā)展時(shí)間短，也必不可少的存在許多亟待解決的問題：

????? 1）如果系統(tǒng)線路出現(xiàn)斷路或者電源出現(xiàn)故障，制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該如何動(dòng)作？如果制動(dòng)踏板模擬器出現(xiàn)故障該如何處置？因此需要加強(qiáng)系統(tǒng)可*性和意外事故保險(xiǎn)方面的研究力度。

????? 2）由于在高速制動(dòng)過程中產(chǎn)生大量的熱量，因此需要加強(qiáng)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和散熱性能。需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其它部件在高溫條件下的工作性能和穩(wěn)定性。

????? 3）電制動(dòng)系統(tǒng)采用大量的電控技術(shù)就難以避免有大量的電子電路，又由于車輛工況復(fù)雜而且在外部暴露的電磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)環(huán)境中工作，這就需要加強(qiáng)電制動(dòng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

????? 4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作需要消耗大量的電能，這是對(duì)目前車輛使用的12v電源的一個(gè)考驗(yàn)，未來將采取42V的電壓來位系統(tǒng)提供能量。

????? 5）目前車輛EMB制動(dòng)系統(tǒng)還要加強(qiáng)與其它現(xiàn)行車輛電控系統(tǒng)的整合，最好可以形成一體化、模塊化的底盤＿控制系統(tǒng)，對(duì)車輛進(jìn)行綜合控制。

?6）由于采用了大量的傳感器、控制芯片和新的技術(shù)，使得目前電制動(dòng)系統(tǒng)的成本比現(xiàn)有的液壓制動(dòng)系統(tǒng)成本高，因此降低系統(tǒng)的使用成本也是當(dāng)前需要解決的問題。

????? 2.4 EMB的研究方向

????? 目前EMB制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)還不成熟，需要解決的技術(shù)問題還很多，國外把對(duì)電制動(dòng)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)集中在如下幾個(gè)方面：

????? 1)耐高溫電子元器件；

????? 2）機(jī)械-電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

????? 3）可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制算法；

????? 4）靈敏度高而又廉價(jià)的傳感器；

????? 5）系統(tǒng)容錯(cuò)控制；

????? 6）高可靠性的電線和連接件；

????? 7）力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)。

????? 對(duì)耐高溫電子元器件的研究主要涉及到兩個(gè)方面：一個(gè)是在電子元器件本身上下功夫，提高其對(duì)高溫的承受能力和在高溫下的工作穩(wěn)定性；另一個(gè)就是改良制動(dòng)盤的材料和提高其散熱。為電子元器件的工作提供一個(gè)良好的環(huán)境。

????? 在對(duì)制動(dòng)器的控制算法和先進(jìn)傳感器的研究上，國內(nèi)外學(xué)者也都做了很多工作。而目前車輛制動(dòng)器的控制算法上主要采用三種：滑?？刂扑惴?、邏輯門限值控制、最優(yōu)控制算法等。

????? 在電控制動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)性上，最近也有大量的論文在研究這個(gè)問題。因?yàn)檫@個(gè)問題牽涉到了制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可*性，因此是一個(gè)關(guān)鍵和至關(guān)重要的研究方向。有些學(xué)者是用實(shí)驗(yàn)的方法去檢測(cè)和評(píng)估EMB對(duì)制動(dòng)請(qǐng)求的響應(yīng)情況，并通過一定的算法來忽略瞬間的錯(cuò)誤信號(hào)借以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制；有的是在分布式的線控制動(dòng)系統(tǒng)中加人一個(gè)中央控制芯片（brake-by-wire Manager），這是一個(gè)專門進(jìn)行容錯(cuò)控制的冗余設(shè)計(jì)，并配以專門編寫的軟件來進(jìn)行容錯(cuò)控制處理；最近的是在系統(tǒng)中引人一個(gè)監(jiān)控器（monitor），用以檢測(cè)可能導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤和失效的信號(hào)，然后產(chǎn)生、錯(cuò)誤檢測(cè)代碼，根據(jù)代碼來處理失效和提高安全性。顯然車輛電控系統(tǒng)的容錯(cuò)控制是一個(gè)牽涉到計(jì)算機(jī)硬件、軟件、通信協(xié)議等等多方面的比較難解決的問題。

????? 其它諸如連接電纜、傳感器的設(shè)計(jì)制造相應(yīng)會(huì)簡單一些。另外在制動(dòng)過程中，電機(jī)將在“堵轉(zhuǎn)”的惡劣環(huán)境下工作，因此對(duì)電機(jī)的可*性要求高，而且必須結(jié)構(gòu)小巧緊湊、便于安裝、能在各種惡劣的環(huán)境下可靠工作。至于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)有相當(dāng)一部分公司拿出了實(shí)物。

3 結(jié)束語

????? 從上可以看出，雖然EMB制動(dòng)器比傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器有著無法比擬的優(yōu)勢(shì)和廣闊的運(yùn)用前景，但是也有其自身需要解決的問題，只有解決了一些制約EMB制動(dòng)器發(fā)展的關(guān)鍵性問題，才能得到越來越廣泛的應(yīng)用。