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1 汽車制動的發展概況 20世紀80年代后期，世界汽車技術領域最顯著的成就就是防抱制動系統(ABS)的應用和推廣。ABS 集微電子、精密加工、液壓控制技術為一體，是機電一體化的高技術產品。它的安裝大大提高了汽車的主動安全性和操縱性。車輛制動控制系統的發展主要是控制技術的發展。一方面，是擴大控制范圍、增加控制功能；另一方面，是采用優化控制理論，實施伺服控制和高精度控制。經過100多年的發展，汽車制動系統的形式已經基本固定。隨著電子，特別是大規模、超大規模集成電路的發展，汽車制動系統的形式也將發生變化。如凱西一海斯(K-H)公司在一輛實驗車上安裝了一種電一液(EHB)制動系統，該系統徹底改變了制動器的操作機理。 目前以最新技術形態出現的汽車電子系統是從飛機控制系統引來的，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、增壓器及制動總泵等，通通淘汰出局，而且可以使用各種電機作動器，外加腳踏板和轉向感覺模擬器，不僅減輕了重量，降低油耗和制造成本，相應也提高了可靠性和安全性。由于電線走向布置的靈活性，汽車操縱部件的布置也具有靈活性，提高了汽車設計的自由空間。美國通用汽車公司研制的“自主魔力”概念車，轉向、制動、動力系統采用了X-by-Wire形式，使其整車控制采用電子而不是傳統的機械方式進行。 2 國內外研究狀況 在汽車電子技術研發上，著眼于解決環保和能源問題，不少國家在經濟和政策上給予大力支持。 國外的大公司在電子控制技術上較為領先，ITT Automotive Europe進行了多年電子制動方面的研究，Continental Teves公司已推出幾代制動執行器。馬自達LS使用了壓力分配的電子制動技術，它是利用汽車負載改變前后剎車轉換。以氣動ABS聞名的Wabco公司已經推出了電動制動的ABS系統。 在國內，目前僅擁有電動汽車的整車開發與試驗設施，對電動汽車主要零部件電動化開發與試驗還沒有有效工具和方法，所以電動汽車的研發基本上還處于燃油汽車輔助系統動力源的電動化改裝階段。 3 電子制動系統的結構及特點 電子制動是指正常工作時在制動踏板和制動器之間沒有機械連接，用電線取代部分或全部制動管路，并省去制動系統的很多閥。此外，在電子控制系統中設計相應程序，操縱電控元件來控制制動力的大小以及各軸的制動力分配，可完全實現使用傳統制動系統所能達到的 ABS及ASR等功能。與傳統的制動系統相比，所有油壓管道、油壓元件都被電子線路、電子元件所取代，安裝也方便很多。此外對制動系統功能的整合也有很大幫助，包括ABS、制動力輔助系統、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)電制動器。其結構和液壓制動器基本類似，有盤式和鼓式兩種，作動器是電動機。 (2)電子制動控制單元(ECU)。接收制動踏板發出的信號，控制制動器制動；接收駐車制動信號，控制駐車制動；接收車輪傳感器信號，識別車輪是否抱死、打滑等，控制車輪制動力，實現防抱死和驅動防滑。由于各種控制系統如衛星定位、導航系統、自動變速系統、無級轉向系統、懸架系統等的控制系統與制動控制系統高度集成，所以ECU還得兼顧這些系統的控制。 (3)輪速傳感器。準確、可靠、及時獲得車輪速度。 (4)線束。給系統傳遞能源和電控制信號。 (5)電源。為整個電制動系統提供能源。與其他系統共用。可以是各種電源，也包括再生能源從結構上可以看出上述電子制動系統具有傳統制動控制系統無法比擬的優點： 縮短制動距離，優化穩定性；由于制動執行器和制動踏板之間沒有了液壓和機械連接取而代之是數據線，無疑這將大大減少制動器的作用時間，進而有效地縮短制動距離； 無需制動液，有利于環保； 制動踏板可調，使舒適性和安全性更好； 抗碰撞性能提高； 在ABS模式下踏板無回彈振動； 節省空間，零件減少； 幾乎無噪聲； 安裝簡易； 可實現所有制動和穩定功能，如ABS、EBD、TCS、ESP、BA、ACC等； 可與未來的交通管理系統輕松聯網；．方便的集成附加功能，如電子駐車制動。 4 電子制動系統開發過程中的關鍵問題 BBW系統由于沒有機械或液壓后備，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：可靠的能源來源、容錯的通信協議和一些硬件的冗余等。下面是一些開發中的關鍵部分。 (1) 驅動能源問題。鼓式制動需100 W的功率，而盤式制動則需要1 kW。12 V的車輛電器系統難以支持執行電氣制動的高功率需求。因此，建立42V電壓系統機構十分重要，同時需要解決高電壓帶來的安全問題。 (2)對容錯的要求。在完全取消了液壓元件的系統中，沒有獨立的后備執行系統。此時，與其使用能安全停止工作的系統，不如采用容錯或自動防故障系統。雖然許多技術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。當節點或電子控制單元出現故障時，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合而不同，但重要的傳感器和控制器都應有備份。另外，系統中每一節點之間的串行通信必須支持容錯。而容錯就需要開發相應的通信協議。因為現在車輛應用的一些普通通信系統，如CAN等都不能滿足容錯要求。實現電子制動控制的關鍵技術是系統失效時的信息交流協議，如TTP／C。系統一旦出現故障，立即發出信息，確保信息傳遞符合法規。最適合的方法是采用時分多路復用電路控制(TDMA)，它可以保證不出現不可預測的信息滯后，TTP／C協議就是根據TDMA制定的。 (3)裝用電機控制的執行器，要求高性價比的半導體具有較好的高溫性能，以承受在制動執行器附近產生的高溫。另外，需要開發輕的低價位的車輛制動器，而且由于輪轂尺寸的限制，尺寸要滿足設計要求。 (4)抗干擾處理。車輛在運行過程中會有各種干擾信號，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現部件化以適應不同種類的車型需要，如何實現底瘟的部件化，是一個重要的難題。只有將制動、轉向、懸架、導航等系統綜合考慮，從算法上部件化，建立數據總線系統，才能以最低的成本獲得最好的控制系統。 隨著技術的進步，上述各種問題會逐步得到解決，電子制動控制系統會真正代替傳統的以液壓為主的制動控制系統，其示意圖見圖3。 同時，隨著其它汽車電子技術特別是超大規模集成電路的發展，電子元件的成本及尺寸不斷下降。汽車電子制動控制系統將與其它汽車電子系統如電子懸架、電子轉向、電子導航、無人駕駛系統等融合在一起成為綜合的汽車電子控制系統，未來的汽車中就不存在孤立的制動控制系統，各種控制單元集中在一個ECU中，并將逐漸代替常規的控制系統，全面實現車輛控制的智能化。 5 電子制動系統原理樣機的模塊化設計 (1)車輪制動模塊 車輪制動模塊由制動執行器、制動執行器ECU等組成。整車共4個車輪制動模塊，其結構如圖4所示。該執行器采用了電機內置結構，其最大特點是模塊化，整個機構分為3個獨立模塊：驅動電機、行星齒輪減速部分、把螺旋運動變成絲杠直線運動的行星滾子螺旋傳動部分。 驅動電機的選擇：由于永磁無刷直流力矩電機的無可比擬的優點，選定它作為制動電機。把電動機安裝在車輪輪轂內，既提高了車體空間的利用率又舍棄了傳統的離合器、減速器、傳動橋等機械傳動部件，使整車重量減輕，降低了機械傳動損耗，并具有更靈活的行駛驅動特性。由于執行器經常在堵轉狀態下工作，要求電機的堵轉特性好，允許長時間堵轉，且要求電機的空載轉速盡可能高。在正常狀態下，通過調節電機輸入電流的變化，實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變成絲杠的直線運動，對制動鉗施加壓力，產生制動力。 制動器：盤式和鼓式制動器。 傳感器：輪速、壓力和角位移傳感器。 (2)中央電子控制單元 作為電子制動系統的核心，ECU要接受制動踏板發出的信號，控制制動器制動；接受駐車制動信號，控制駐車制動；接受車輪傳感器信號，識別車輪是否抱死、打滑等，控制車輪制動力，實現防抱死和驅動防滑。由于未來車輛中各種控制系統，如衛星定位、導航、自動變速、無級轉向、懸架系統等的控制系統與制動控制系統高度集成，所以ECU還得兼顧這些系統的控制。 (3)電子踏板模塊 它帶有踏板感覺模擬器和用以感知駕駛意愿的傳感器。電子制動系統取消了傳統液(氣)壓制動系統中機械式傳力機構和真空助力器，取而代之的是踏板模擬器。它將作用在踏板上的力和速度轉化為電信號，送給中央ECU。踏板模擬器的輸入輸出特性曲線要符合人們的駕駛習慣，并根據人體工程學設計以提高舒適性和安全性。 6 展望 隨著其它汽車電子技術特別是超大規模集成電路的發展，電子元件的成本不斷下降。汽車電子制動控制系統將與其它汽車電子系統如電子懸架、電子轉向、電子導航、無人駕駛系統等融合在一起成為綜合的汽車電子控制系統，未來汽車中不 存在孤立的制動控制系統，各種控制單元集中在一個ECU中，并將逐漸代替常規的控制系統，全面實現車輛控制的智能化。預計，到2010年40％歐洲生產的汽車將采用X-by-Wire技術。隨著X—by-Wire的發展，Brake-by-Wire、Thrust-by-Wire、Steer-by-Wire、Shift-by- Wire等by-Wire系統將成為X-by-Wire系統的各個子系統，它們之間會有一些數據共享，將有一個更大的通訊系統來實現之間的通訊，從而使整個汽車成為一個完全的X-by—Wire系統。不過，汽車電子制動系統的發展受到整個汽車工業發展的制約，只有巨大的現有及潛在的汽車市場吸引，各種先進的汽車電子、信息以及各種智能技術才能不斷應用到汽車制動控制系統中，同時也需要國際及國內相關法規健全，電子制動系統才會真正批量應用到汽車中。 |
