科普|漫談新能源車制動系統技術路線

制動主缸壓力怎麼計算

/ 前言/

近段時間，制動系統剎車失靈事件鬧的沸沸揚揚，新能源車是否足夠安全、又重新引發了公眾的討論。本文從新能源車與傳統車制動系統的差異、新能源車制動系統的技術應用情況兩個方面，對新能源車的制動系統進行解讀，以便給讀者理性看待制動系統相關的問題提供技術參考。

Q1

乘用車制動系統結構概述

無論是傳統燃油車，還是新能源車，基礎制動系統都由下述幾種部件構成：

制動系統力的傳遞經歷機械→液壓→機械三個過程：1）來自駕駛員腳上的力首先由制動踏板放大、然後經助力器的二次放大作用，最後傳遞給主缸輸入推杆；2）主缸輸入推杆推動活塞將機械力轉化為液壓、液壓經管路傳遞至制動卡鉗、推動卡鉗活塞；3）制動卡鉗活塞推動摩擦片與旋轉的制動盤貼合產出摩擦力、作用到車輪上就是制動力矩。

上圖中，制動踏板和制動器對於新能源車與燃油車來講不存在原理和應用上的差異，不同型別車輛間的主要差異集中在“助力器+主缸+ESP”模組。這裡之所以將“助力器+主缸+ESP”放在一起是因為這3個模組在不同技術方案中的整合度不一樣。

Q2

傳統燃油車制動系統結構及

典型失效方式

傳統燃油車的制動系統結構見下圖：

圖2：傳統燃油車制動系統結構

“助力器+主缸”為一個總成，ESP為單獨的模組。這裡的“助力器”實際上是“真空助力器”，其原理為助力器內部被膜片分割為兩個腔體：大氣腔與真空腔。未制動時兩腔都與真空源接通形成真空負壓，踩下制動踏板後真空腔繼續保持真空、大氣腔與外界接通開始進氣，兩腔的壓力差作用到膜片上形成真空助力（最終作用到主缸輸入推杆上），其助力大小與踏板的輸入力成固定比例關係。真空源來自發動機、發動機端提供的真空有兩種方式：一是發動機進氣歧管進氣過程形成的真空、二是由發動機曲軸帶動機械真空泵抽真空。主缸帶真空助力器總成的具體結構見下圖。

圖3：真空助力器結構

對於上述真空助力系統來講，典型的失效方式有以下幾種：

1） 制動踏板：制動踏板斷裂是非常稀少及低階的失效模式（法規上也將該件定義成不易失效的零件），踏板相關的故障主要是制動燈開關（BLS）失效。BLS失效對基礎的液壓制動沒有影響，但是會影響ABS/TCS/VDC等電子制動功能、EMS與制動燈開關相關的邏輯判斷，當然制動尾燈的點亮肯定也會受到影響；

2） 真空助力器：真空助力器失效的最嚴重結果就是無真空助力（助力器洩漏、真空管洩漏等），給駕駛員的直觀感受就是制動發硬。因為缺少真空助力作用、駕駛員需要施加比平時大幾倍的力才能達到正常情況下的整車減速度。

3） 主缸：主缸的失效集中在洩漏和卡滯兩種形式，前者會導致踏板行程變長變軟、但整車無法建立正常的減速度；後者會直接導致制動踏板無法踩下。

4） ESP模組：制動燈開關、動力總成、輪速感測器、電源、CAN網路等故障都會影響ESP相關功能（ABS/TCS/VDC/HHC/AVH/HDC等），但由於ESP的ABS/TCS/VDC功能只在車輛極限條件下才會介入，因此ESP功能的失效不會影響基礎制動。即良好路面上輕/中度制動時影響不大，但重度制動時ABS失效、車輪容易抱死。這種情況下最危險的路況是低附著係數的冰雪路面或砂石路面，前後輪在制動或驅動時極易打滑失去控制。

5） 制動器：制動器的故障較多、尤其是制動NVH相關的抱怨，但真正嚴重影響行車安全的故障主要是卡鉗的制動液洩漏及摩擦片的效能衰退。卡鉗制動液洩漏與前述主缸洩漏類似，摩擦片的效能衰退以熱衰退居多、衰退後制動效能下降、整車減速度遠低於駕駛員預期，給駕駛員的感受就是剎不住車。

6） 其他：管路失效（洩漏）、輪速感測器失效、EPB失效等。

Q3

新能源車制動系統結構及

典型失效方式

首先需要明確的是，本文新能源車指的是具備純電行駛能力的廣義的新能源車，即除了純電動車之外、還包含PHEV、HEV、以及支援短里程純電行駛的48V車輛。由於圖2中的真空助力器需要發動機提供真空、新能源車純電行駛時發動機處於停機狀態、因此新能源車無法繼續使用這種依賴真空的系統。

3。1 電子真空泵方案

電子真空泵方案的邏輯是：既然純電模式下發動機停機導致真空源失效，那就提供不依賴發動機的、能夠獨立抽真空的零件。其原理很簡單，就是電機帶動葉片旋轉抽真空（也有柱塞式的，但應用不廣）。因此電子真空泵方案在硬體層面是直接替代圖2中的發動機或透過三通與發動機並行提供真空。根據“替代”還是“並行”的不同，電子真空泵分為獨立泵（唯一真空來源、對硬體要求較高）和輔助泵。

圖4：電子真空泵結構

這種方案的明顯優點就是改動量小、非常適合同一平臺上燃油車和新能源車制動系統的共用。這種方案的缺點也明顯：

1） 電子真空泵因噪音、振動帶來的佈置問題；

2） 電子真空泵主流市場幾乎被壟斷、價格較高，其他廠家產品質量不穩定的問題；

3） 搭配的常規ESP主動建壓能力較低、無法給能量回收、智慧駕駛提供有力支援的問題；

4） 電子真空泵的失效或策略不合理導致真空助力失效或降低的問題。

因此，總體而言、電子真空泵方案實際上是一種低成本方案，從技術發展的趨勢來看、這也是一種過渡方案。

3。2 電子助力器方案（Two Box）

隨著新能源車的普及、以及智慧駕駛技術的發展，制動系統與外界的互動越來越重要。新能源車的續航里程對能量回收提出了更高的要求，能量回收中的滑行回收與車輛低附上的穩定性有關係、制動回收需要制動系統來主導液壓制動與電機回收制動間的協調；智慧駕駛的發展對制動系統建壓能力和響應也提出了更高的要求，同時自動駕駛的冗餘設計也要求制動系統必須具備備份功能。因此，博世公司推出了不依賴真空的電子助力器的解決方案，即通常稱呼的iBooster（實際上Conti等公司隨後也推出了類似的產品、國際上標準稱呼為eBooster，本文以博世的iBooster產品為例進行介紹）。

電子助力器結構上與真空助力器差異很大、但本質上還是模擬空助力器進行的設計，其與真空助力器的不同之處在於助力的提供是直接由內建的電機提供的。下圖可以充分說明電子助力器的助力方式：電機旋轉帶動齒輪轉動、降速增扭後最終透過蝸輪蝸桿將旋轉運動轉化為直線運動、最後與踏板上直接傳遞過來的力一起推動主缸輸入推杆建立液壓。主缸部分與傳統真空助力器是完全一樣的，決定助力器助力比大小的閥座與傳統真空助力器的結構及原理也是基本一樣的。由於這種方案中，助力器和ESP是兩個獨立的模組，業內稱其為Two Box方案。

圖5：博世iBooster結構

圖6：Two Box制動系統結構（綠色部分表示訊號互動）

關於iBooster助力的判斷：ECU內部會儲存一組或幾組車輛開發過程中標定好的踏板感曲線（踏板行程VS減速度、踏板行程VS制動助力等）。駕駛員踩下制動踏板時、iBooster內部的行程感測器根據制動踏板踩下的位移推斷出駕駛員的制動意圖、進一步計算出目標助力大小，再綜合考慮能量回收大小、ABS工作狀態，得到iBooster電機執行的最終助力。

得益於iBooster強大的助力能力、電控化的半解耦控制方式、以及Two Box（iBooster與ESP）的天生雙備份，該制動系統方案在能量回收及智慧駕駛方面具有非常大的優勢，這也是市場上iBooster能夠快速推廣的原因。截止目前，特斯拉全系、大眾幾乎所有的新能源車、本田雅閣全系（包含燃油車）、吉利領克新能源車全系、賓士S級、蔚來、小鵬等一大批車型都使用了iBooster方案。

當然，該類系統也有一定的缺點：

一是制動踏板感會差於傳統真空助力器系統，理論上電子助力器與傳統真空助力器助力比的協調原理是一樣的（都有橡膠反饋盤結構），但實際上電子助力器的助力大小是經過了一系列計算與執行的過程，過程中感測器對訊號的採集、控制器的計算、電機的執行都會產生一定的誤差及延遲，再加上能量回收與液壓制動間的協調、也會進一步增大控制的難度，這樣的“模擬”過程畢竟沒有傳統真空助力器上的純物理上的力的動態平衡來的“絲滑”。

二是不可避免的越是複雜的東西、故障的機率越是大。iBooster與外界的ESP、智慧駕駛、動力系統都是強相關的，關聯絡統故障及CAN網路故障都可能會影響iBooster的助力功能。

3。3 One Box方案

On Box主要是針對Two Box來定義的，在博世開發iBooster+ESP的Two Box方案時，大陸公司也應主機廠的需求在開發另一種整合度更高的方案：將ESP與電子助力器整合為一個模組，就是俗稱的One Box。（大陸的具體產品MK C1應用較廣、本文以該產品為例進行說明）

圖7：one box方案

圖8：大陸公司 MK C1

one box集成了制動助力和ESP功能，與two box的相同點是制動助力都靠電機提供，主要差異在於two box傳遞到主缸輸入推杆上的力是駕駛員輸入力和電機助力之和、並且兩者之間的比例關係是一個機械平衡結果，而one box提供的制動力全部來自電機、沒有疊加駕駛員提供的制動力。駕駛員透過制動踏板提供的力最終轉化為液壓被洩入one box內建的踏板感模擬器。踏板感模擬器實際上就是一個活塞彈簧機構，用於模擬製動踏板感、給駕駛員提供力及行程的反饋感受。one box助力過程可簡單描述為：踏板產生的位移由感測器獲得後輸入給ECU、ECU計算駕駛員制動需求後驅動電機建立液壓、液壓透過ABS的進液閥進入4個輪缸、最終產生制動力。所以正常情況下踏板力與one box最終提供的制動力在機械上是解耦的。

圖9：One Box控制原理簡圖

這樣整合最明顯的好處是零部件數量減少、體積重量減少。完全解耦的設計、理論上可以透過軟體調校出任何想要的踏板力或行程對應的減速度關係，即踏板感很大程度上軟體決定。缺點就是踏板上力的反饋與車輪隔離，駕駛員無法透過踏板感知車輪的狀態，比如ABS工作時駕駛員無法透過踏板的振動來感知。參考two box的踏板感問題經驗、完全解耦的one box的踏板感更是值得關注。另外，針對L3及以上等級的智慧駕駛，one box需要外掛一個ESP模組作為冗餘備份，這也是one box在高階智慧駕駛上雞肋的地方。

至於失效方面，two box在電子助力器失效後還可以由ESP主動建壓進行制動，但one box在制動助力部分是沒有備份系統的（除非外掛了低效能的ESP）。

總結 ▉

上述two box及one box系統，國內外零部件供應商均有對應的產品，比如國外的博世、大陸、採埃孚（含天合）、日信、日立（含CBI）、摩比斯、愛德克斯等，國內也有萬向、亞太、伯特利、格陸博、拿森、同馭等，技術理念大同小異、主要差異在於量產規模、產品成熟度。這些系統也不是新能源車專有、只要成本合適、在傳統燃油車上照樣能夠應用，比如本田CRV全系就使用了博世的iBooster。

所以，回到問題的本源：並不是新能源車的制動系統不安全，而是新能源車普遍溢價、高昂的價格可以支援更多高新技術的應用，但反過來，功能越多、互動越多、系統越複雜，系統故障的機率也相應增大了。