汽車中的線控制動技術

在未來自動駕駛車輛上，轉向桿、剎車和加速踏板等都將不再保留，更先進的駕駛方式是利用車輛智能感知單元進行分析，工作指令通過線束傳遞給轉向或制動系統(tǒng)來實現(xiàn)自動駕駛。這項技術就被稱為線控技術。

要了解線控制動，首先要了解汽車的剎車原理。輕型車通常采用液壓制動。

傳統(tǒng)制動系統(tǒng)主要由真空助力器、主缸、儲液壺、輪缸、制動鼓或制動碟構成。當踩下剎車踏板時，儲液壺中的剎車油進入主缸，然后進入輪缸。

輪缸兩端的活塞推動制動蹄向外運動進而使得摩擦片與剎車鼓發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生制動力。

當駕駛者踩下制動踏板時，機構會通過液壓把駕駛人腳上的力量傳遞給車輪。但實際上要想讓車停下來必須要一個很大的力量，這要比人腿的力量大很多。所以制動系統(tǒng)必須能夠放大腿部的力量，要做到這一點有兩個辦法：一是杠桿作用；二是利用帕斯卡定律，用液力放大。制動系統(tǒng)把力量傳遞給車輪，給車輪一個摩擦力，然后車輪也相應的給地面一個摩擦力。

在我們討論制動系統(tǒng)構成原理之前，讓我們了解三個原理：

1. 杠桿作用  2. 液壓作用  3. 摩擦力作用

杠桿作用已經(jīng)無需贅言，大家想必已經(jīng)爛熟于心，在杠桿的左邊施加一個力F，杠桿左邊的長度（2X）是右邊（X）的兩倍。因此在杠桿右端可以得到左端兩倍的力2F，但是它的行程Y只有左端行程2Y的一半。

剎車踏板就是個杠桿。考慮到踏板的傾斜度，一般踏板的設計行程不超過18厘米。液壓原理需要特別說明，液體是無法被壓縮的，密閉容器里的液體的壓力有個特點：不論是液體內部、還是壓向容器壁的力，到處都一樣大?！矗喝绻黄椒矫咨嫌幸粐嵉牧α?，那么在所有的地方，一平方米上的力都是一噸。這叫帕斯卡定理。

由于液體無法壓縮，所以這種方式傳遞力矩的效率非常高，幾乎100%的力傳。液壓傳力系統(tǒng)最大的好處就是可以以任何長度，或者曲折成各種形狀繞過其他部件來連接兩個圓桶型的液壓缸。還有一個好處就是液壓管可以分支，這樣一個主缸可以被分成多個副缸。液壓的另一個作用就是放大力矩。如果主缸的直徑是1寸，輪缸的直徑是3寸，那么給主缸上面施加任何一個力，就會在輪缸上放大9倍。不過主缸的活塞推動9厘米，輪缸的活塞推動距離只有1厘米，能量守恒。通常轎車的主缸直徑是22毫米，前輪缸直徑是32毫米，后輪缸直徑是28毫米。

不同的材料表面，有不同的鋸齒結構；舉例來說：橡皮與橡皮之間就比鋼與鋼之間更難滑動。材料的類型決定了摩擦系數(shù)。所以摩擦力與物體接觸面上的正壓力成正比。例如：如果摩擦系數(shù)為0.1，一個物體重100磅，另一個物體重400磅，那么如果要推動他們就必須給100磅的物體施加一個10磅的力，給400磅的物體施加一個40磅的力才能克服摩擦力前進。

說完了這些，讓我們來說說ABS。

ESP與ABS非常接近，與ABS最大的不同在于ESP可以在沒有踩剎車踏板的情況下向輪缸輸出制動壓力，ABS只能在踩下剎車踏板后從主缸向輪缸輸出壓力。壓力生成器就是電機和柱塞泵，與ABS比多了4個柱塞泵，4個電磁閥，也就是VLV和USV。

博世第九代ESP增加了兩個特殊功能，一個是ACC，自適應巡航，ESP可以部分控制電子節(jié)氣門。另一個是AEB，ESP可以部分控制剎車系統(tǒng)。有些認為ESP既可以控制油門又可以控制剎車，是個很好的線控系統(tǒng)，非也。博世對國內廠家一般只開放ACC和ESP量產(chǎn)接口協(xié)議，剎車力度最大大約為0.5g，標準的剎車力度在0.8g以上，0.5g遠不夠用。再次，在設計之初，ESP控制剎車系統(tǒng)只是在少數(shù)緊急情況下使用，可能1年用不了2次，一般泵的容量只有3毫升，每一次使用，柱塞泵都要承受高溫高壓，頻繁使用，會導致柱塞泵發(fā)熱嚴重，精密度下滑，導致ESP壽命急劇下滑，常規(guī)剎車系統(tǒng)1小時就可能使用數(shù)次，如果用ESP做常規(guī)剎車系統(tǒng)，可能1個月就報廢了。最后即便是不計壽命問題，ESP的泵油功率有限，且缺乏真空助力，反應速度較慢。最后如果ESP真的可以做常規(guī)制動，那么博世也無需開發(fā)Ibooster，日立無需開發(fā)EACT，大陸無需開發(fā)MK C1，天合無需開發(fā)IBC。

如何做到常規(guī)的線控制動，這得從真空助力器說起。

單單踏板的杠桿并不足以推動主缸活塞較大的行程，因為剎車油是非常黏性的液體，與主缸缸壁之間的摩擦力很大，需要的推力很大，為此人類使用了真空助力器，真空助力器一般位于制動踏板與制動主缸之間，為便于安裝，通常與主缸合成一個組件，主缸的一部分深入到真空助力器殼體內。真空助力器是一個直徑較大的腔體，內部有一個中部裝有推桿的膜片（或活塞），將腔體隔成兩部份，一部份與大氣相通，另一部份通過管道與發(fā)動機進氣管相連。它是利用發(fā)動機工作時吸入空氣這一原理，造成助力器的一側真空，相對于另一側正常空氣壓力的壓力差，利用這壓力差來加強制動推力。

如果膜片兩邊有即使很小的壓力差，由于膜片的面積很大，仍可以產(chǎn)生很大的推力推動膜片向壓力小的一端運動。真空助力系統(tǒng)，是在制動的時，也同時控制進入助力器的真空，使膜片移動，并通過聯(lián)運裝置利用膜片上的推桿協(xié)助人力去踩動和推動制動踏板。需要注意推力來自壓力差，而非真空。電動車和混合動力車不能依賴內燃機取得真空，需要用電子真空泵。真空助力器會減少一部分發(fā)動機效率，所以近來有些油車上也使用電子真空助力器，用電機制造真空。

線控制動正是從真空助力器延伸開來，用一個電機來代替真空助力器推動主缸活塞。由于汽車底盤空間狹小，電機的體積必須很小，同時要有一套高效的減速裝置，將電機的扭矩轉換為強大的直線推力。這其中的關鍵因素就是電機主軸，日本是此領域的霸主。

在電機技術不夠先進的1999年前，人們只得放棄這種直接推動主缸的思路。轉而使用高壓蓄能器。這就是奔馳的SBC、豐田的EBC系統(tǒng)、天合的SCB，這套系統(tǒng)利用電機建立液壓，然后將高壓剎車油儲存在高壓蓄能器中，需要剎車時釋放。這套系統(tǒng)結構復雜，液壓管路眾多，成本高昂，可靠性不高。奔馳曾經(jīng)大規(guī)模召回過SBC系統(tǒng)，豐田也曾經(jīng)召回過EBC系統(tǒng)，奔馳今天已經(jīng)幾乎不用SBC系統(tǒng)。而豐田從2000年一直用到現(xiàn)在。通用和福特的混動車上則全部使用天合的SCB。

由于成本過高，從2007年起，EVP電子真空泵開始在電動車或混動車上取代這種高壓蓄能器設計，EVP極為簡單，就是將油車的真空助力換位電子真空泵獲得真空，缺點非常明顯，首先它幾乎沒有任何能量回收，其次，剎車時會發(fā)出刺耳的噪音，最重要，它必須人力首先踩下制動踏板，也就是說它并非線控制動，而是機械制動。優(yōu)點也很明顯，首先是成本很低，再者是設計異常簡單，油車的底盤幾乎不做絲毫改動就可以用來做混動車，這對中國企業(yè)來說非常重要，中國企業(yè)缺乏自主設計底盤能力。

隨著電機技術的發(fā)展，日立旗下的東機特工在2009年首次推出電液線控制動系統(tǒng)E-ACT。除豐田外，大部分日系混動或純電車都采用這種設計，最典型的就是日產(chǎn)Leaf。說起來很簡單，用直流無刷超高速電機配合滾珠絲杠直接推動主缸活塞達到電液線控制動，這套方案對滾珠絲杠的加工精度要求很高。傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)反應時間大約400-600毫秒，電液線控制動大約為120-150毫秒，安全性能大幅度提高。百公里時速剎車大約最少可縮短9米以上的距離。同時用在混動和電動車上，可以回收幾乎99%的剎車摩擦能量。是目前公認最好的制動方式，為了保證系統(tǒng)的可靠性，這套制動系統(tǒng)一般都需要加入ESP（ESC）做系統(tǒng)備份。

人們對制動性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動系統(tǒng)在加人了大量的電子控制系統(tǒng)如ABS、ESP等后，結構和管路布置越發(fā)復雜，液壓（空氣）回路泄露的隱患也加大，同時裝配和維修的難度也隨之提高。

制動控制是自動駕駛執(zhí)行系統(tǒng)的重要部分，目前ADAS與制動系統(tǒng)高度關聯(lián)的功能模塊包括ESP（車身穩(wěn)定系統(tǒng)）/AP（自動泊車）/ACC（自適應巡航）/AEB（自動緊急制動）等。

線控制動系統(tǒng)與各個模塊的高度關聯(lián)