电控液压制动系统技术及应用研究.pdf

电控液压制动系统技术及应用研究 金正青 上海汇众汽车制造有限公司， 上海 2 0 0 1 2 2 张亚萍 乔成磊 上海卡达克汽车技术中心， 上海 2 0 0 1 2 0 【 摘要】 介绍了电 控液压制动系统的概念、 发展历程以及各种不同 技术路线的电控液压制动系统的技 术原理， 对不同产品的技术策略等进行了对比分析， 同时结合市场应用现状对不同系统的应用前景进行了预测。 【 A b s t r a c t 】 T h e c o n c e p t a n d d e v e l o p m e n t p r o c e s s o f e l e c tr o n ic a l l y c o n t r o l le d h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m E H B i s i l l u s t r a t e d ， a n d t h e t e c h n i c al p ri n c i p l e s o f v a r i o u s t e c h n i c a l r o u t e s o f t h i s s y s t e m a r e a l s o d e mo ns t r a t e d． A c o mp a ris o n b e t we e n t e c h n i c a l s t r a t e g i e s o f d i f f e r e n t p r o d u c t s i s p r e s e nt e d a s w e l l ，t h e n a p r e d i c t i o n a b o u t t h e a p p l i c a t i o n s o f d i f f e r e n t s y s t e ms i s c o n c l u d e d c o mb i n g w i t h c u r r e n t ma r ke t a p p l i c a t i o n s i t ua t i o n． 【 关键词】 电控液压制动系统汽车技术原理市场应用 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 4 5 5 4 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 1 2 0 引言 近年来我国汽车保有量迅速增长， 能源和环 境问题 日益突 出， 节能与新 能源汽车是 汽车产业 发展的重要方向。同时， 由于交通拥堵 ， 安全事故 等问题， 人们对汽车的安全陛、 可靠性也提出更高的 要求。制动系统作为汽车 主动安全的重要总成系 统， 其可靠性也愈加重要 。传统的制动系统 由于其 作用时间 主要靠人的反应时间 以及作用方式 依 靠发动机产生真空 的局限， 已经不能完全满足汽 车尤其是新能源汽车对于制动系统的要求。 随着汽车 电子技术、 集成化控制技术 的不 断 发展 ， 可控性好、 响应速度快 、 高效、 节能 的电控液 压制动系统应运而生。 收稿 日期 2 0 1 5 0 91 4 48 1 电控液压制动系统概念及发展历程 电控液压制动系统是指 电子控制技术与液压 控制系统相结合 的制动系统， 在沿用传统 的液压 装置作为制动动力 源的同时 ， 利用 电子装置实现 对其灵活 高效 的控制 。既能够保证 响应速度 ， 又 能保 留传统的制动模块 ， 二者相互协调 ， 从而保证 行车安全 。电控 液压制动 系统具 有模块化 程度 高 ， 结构简单 紧凑 ， 利于平 台化生产 ； 制 动效能显 著改善， 制动过程安全 可靠 ； 能 够集成 A B S 、 E S C 以及其他各种辅助功能； 尤其适用 于新能源汽车 ， 可实现制动能量 回收最 大化等显著优势 ， 是非常 具有应用价值和市场潜力的产品。 从 2 0世纪末 开始 国外的知名汽车公 司和零 上海汽车2 0 1 5 ． 1 0 部件生产厂商就大力投入研 发第一代 电控液压制 动系统 。1 9 9 6年， 德 国博世公司与戴姆勒 一克莱 斯勒公 司联合 开发了 电控液压制动 系统 ， 并对其 进行了实车试验 ， 得 到了满意 的效果 。此外 ， 博世 公司开发的感应制动控制系统 S B C 于 2 0 0 2年在 奔驰 S L级和 E级车上装配。2 0 0 0年 ， 美国德尔福 公司与福特合作研制 了 D B C型 电控液 压制动 系 统 ， 并且在一些豪华车型中进行实验。另外 ， 丰田 公司针对混合 动力汽车开发 的 E HB系统也 已成 功在普 锐 斯 车 型 中得 到应 用 。随后 C o n t i n e n t a l T e v e s 、 天合等也相继在电控液压制动系统的开发 中取得进展 ， 并开始为通用、 福特 、 戴姆 勒 一克莱 斯勒公司等汽车厂家供货 。 2 0 1 0年前后 ， 博世、 天合、 大 陆等 知名 企业 陆 续开发出第二代 电控液压制动系统 ， 与上一代相 比， 该系统技术更加成熟 和完善 。除了能够高效 制动 、 实现 A B S等基本功能外 ， 还集成各种制动模 块以实现其他更为优秀的辅助功能。 2 0 1 0年 。 日立推 出支持再生协调制动 的电动 式控制制动 系统 eA C T 。该系统具有无刷 电机 直接驱动滚珠丝杆 的小 型结构 ， 可 以实现踏板力 的补偿 ， 提供制 动助 力。2 0 1 1年 ， 大 陆推 出 MK C 1 ， 该产品将制动执行模 块、 制动助力模块、 制动 压力控制模块集成为一个结构 紧凑的集成式制动 单元。2 0 1 2年 ， 天 合 发 布 集 成 制 动 控 制 系 统 I B C ， 该系统具有减轻重量 、 节省燃油、 简化结构 的显 著优 点， 同时 能够 最大 化 制动 能量 回收 效 率 。2 0 1 3年 ， 博世推 出不依赖真空源 的电机伺 服助力机构 i B o o s t e r ， 为制动系统提供模块化 和可 拓展的解决方案 。 前后两代电控液压制动系统均能够有效弥补 传统制动系统 的不足， 很大 限度地提 高车辆 制动 性能 。除此之外 ， 电动真空泵 E V P 技术也 是 目 前应用较为广泛的电控液压制动系统解决方案。 2 电控液压制动系统技术原理及分类 2 ． 1 电控液压制动系统分类 根据不 同的技术路线将 电控液压制动系统分 为3 类 传统电控液压制动系统 第一代 、 电控真 空助力 系统 E V P 以及机 电伺服 液压助力 系统 第二代 。 2 ． 1 ． 1传 统 电控 液压 制动 系统 传统电控液压制动 系统在 正常工作情况下 ， 需要进行制动时， 由驾驶员踩下制动踏板 ， 制动踏 板产生位移后 ， 踏板传感器将其转化 为电信号 传 给电控单元 E C U ， 通过分析 和判 断对 高压 蓄能 器或电磁阀进行调节 ， 产生制动压力 ， 同时 E C U接 收并处理来自A B S ／ A S R ／ E S P的汽车动态数据， 将 控制信号发送到相应 的控制单元 实现优 化控制。 若系统失效 ， E C U将切换成应急制动模式 ， 制动踏 板力的液压管路与应急制动管路 连通 ， 踏板力通 过液压管路加载在制动器上 见图 1 。 2 ． 1 ． 2 电控 真 空助 力 系统 在真空助力器不能获得真空或获得的真空不 足 高海拔 、 低温、 节 油发动机 、 柴油机、 新能源 车 等情况下 时 ， 将导致 制动系统助力效果差。电 动真空助力系统能通过真空度传感器与大气压力 上海 汽车2 0 1 5 ． 1 O 图 1 传统电控液压制动系统结构图 4 9 传感器监测助力器 内的真空度变化 ， 通 过逻辑 判 断真空助力泵 的工作 时机 ， 为制动系统提供合适 的辅助助力 ， 进而保证在各种工况下 ， 都能为驾驶 者提供足够 的制动助力效果 见图 2 。 2 ． 1 ． 3 机 电伺服 助 力 系统 机电伺服助力系统以博世公 司的 i B o o s t e r 为 代表 ， 其工作 原理与传统 真空助力器类似 。正常 工作 时， 驾驶员踩下制动踏板， 由集成在 i B o o s t e r 内的踏板行程传感器检测位移信号并发送至电子 控制单元。控制单元计算 出电机应产生的扭矩要 求 ， 再 由二级齿轮装置将 该扭矩转化为助力器阀 体的伺服制动力 。助力器阀体的输 出力和助力器 输人杆的输入力在制动主缸 内共同转化为制动液 压 见 图 3 。 i B o o s t e r 采用 了双安 全失效模式。第一 道安 全失效模式将两种故 障情况考虑在内。如果车载 电源不能 满负载运行 ， i B o o s t e r则 以节能模式 工 5 O 作 ， 以避免给车辆电气系统增加不必要的负荷 ， 同 时防止车载 电源发生故 障； 若 i B o o s t e r 发生故障 ， E S P系统会接管并提供 制动助力。在上述两种情 况下， 制动系统均可在 2 0 0 N的踏板力作用下提 供 0 ． 4 g的减速度。在第二道安全失效模式 ， 即车 载电源失效 即断电模式 时， 则 可通过机械推动 力式作为备用 驾驶员可 以通过无制动助力 的纯 液压模式对 4个车轮施加制动力 ， 使车辆安全停 止 ， 同时可以满足所有法规要求 见图4 。 2 ． 1 ． 4集成 式液压 系统 集成式的液压系统 以天合公司的集成化制动 系统 I B C 为代 表。其工作原理 与 i B o o s t e r 产 品 类似， 但是集成度更高 ， 以一个集成单元取代了低 真空或无真空系统所需 的大量 独立部件 ， 包括 电 子稳定系统 E S C 、 真空助力器和相关的缆线、 传 感器、 开关、 电子控制器 、 真空泵 等。该系统 的核 心是一个 由超高速无刷 电机驱动 的执行器 ， 受旋 图2 电控真空助力系统结构图 图 3 机电伺 服助力系统结 构图 上海汽车2 0 1 5 ． 1 0 图 4 集成 式液 压系统结 构图 转 编码 器 监 测 ， 编 码 器 向 中 央 电 子 控 制 单 元 E C U 提供电机的转数、 转速和位置数据 。此外， 高性能电机还可为系统提供 E S C 、 A B S 、 A E B等辅 助制动功能。同时集成其 中的还有一个独立的液 压回路， 向系统传达驾驶员的制动意图 。I B C仅 有单安全失效模式 即在 I B C失效时 ， 直接 由无制 动助力的液压模式提供制动力。 2 ． 2 产品技术策略对 比 传统电控液压制动系统 、 电控 真空助力 系统 以及电子液压助力系统 3种 电控液压制动系统技 术路线不同， 制动控制方式等有所不同， 同样也各 有优缺点 。传统电控液压制动 系统 出现较早 ， 但 其结构复杂 ， 技 术难度较 高， 且可靠性有待提高 ， 因而仅在部分 高端车 型和少数 日系 车上有 所应 用。电控真空助力系统结构简单 ， 成本低 ， 是 目前 市场上最主流的电控真空制动系统解决方案。电 子液压助力系统则是近几年才推出并逐步完善 的 制动系统 ， 其制动效率高 ， 能够集成各种制动辅助 功能 ， 用于新能源汽 车时能够实现最大化 的能量 回收 ， 预计将 是今后 主流 的电控 液压制 动系统。 表 1 为几种电控液压制动系统 的技术特点及优缺 点 的总 结 。 电子液压制 动系统根据 其技术策略 的不 同， 又可以分为 以博世 i B o o s t e r 为代表 的机 电伺 服助 力系统和以天合 I B C为代表 的集成式液压制动系 统 。两种系统 在开发成本、 使用成本 、 功耗、 可靠 上海汽车2 0 1 5 ． 1 0 性等方面各有优劣。目前普遍认为博世 i B o o s t e r 系统由于其具有冗余 备份功能 ， 有双重失效保 护 模式 ， 工作更加可靠 ， 因而得到了诸如大众等汽车 厂商的青睐。天合 的 I B C系统集成度较高 ， 体积 小、 重量轻、 易于布置 ， 使用成本较低 ， 且 目前天合 公司也在致力于 I B C产品的可靠性优化， 预计其 同样具有 良好的市场应用前景 。此 外 ， 由于定点 采购等非技术原因 ， i B o o s t e r主要配套于欧洲 厂商 的车型中 ， 如大众 、 宝 马等 ， 而 I B C则主要配套 于 北美厂商， 如通用等。目前中国市场尚未有配套 车型面世 ， 但 由于新能源汽车的大力推广 ， 对其需 求度较高 ， 预计 两类 系统在 国内均具有 良好 的应 用前景 。两种技术策略的对比如表 2所示 。 3 典型电控液压制动系统市场需求 及 应用 3 ． 1 电控液压 制 动 系统 市 场需 求 传统制动系统中， 真空助力器是关键部件之 一 ，能够为制动系统提供辅 助制动力。真空助力 器通过单 向阀与发动机进气歧 管相通 ， 当发动机 运转时， 便可产 生真空助力器工作所需 的真空环 境。而真空度的大小 ， 则直接影响制动效果。 但是 日趋严格 的节 能环保要求、 特殊工况需 求以及新能源汽车的发展对传统制动系统提出了 新的挑战。 51 表 1 电控液压制动系统分类及优缺 点 技术路线 代 表产 品 主要技术特点 优点 缺点 取消真空助力 器和真空泵 ， 快速响应 ； 能够根据需要对 博世 一S B C 采用电子 元件代 替部 分机 个车轮 制动力 进行 分配及 传统 电控液压制动系统 AD V I C SE C B 械元件 ， 制动力产 生和控制 控制 ， 缩 短制 动距离 ， 提 高 结构复杂制造成本较高 ； 工 N i s s i n S e r v o B r a k e 依赖高压 蓄能器 或控 制 阀 安全 性 ； 可 以 集 成 A B S 、 作可靠性有待提高 体 A S R、 E S P等系统 能够满 足所有 的真 空需求 在不改变传 统制 动 系统 的 电动 车 和混 合 动力 车 ； B e n z R B S 基础上 ， 增加一套 电子真空 也可在 内燃机 不能 够产 生 噪声较 大； 工作稳定性以及 电控 真空助力系统 寿命不适合 作 为主要或 者 B MW S B A 助力装置 ， 以实现真空 的产 足够 真 空 度 时 发 挥 作 用 生 柴 油 车和 缸 内直 喷 发 动 唯一的真空源供应部件 机车 ． 由机 电伺 服助力 器代 替传 可以为新能 源车提 供制 动 完全舍弃液压 系统 ； 对制动 机 电伺 服 博世 一B o o s t e r 统 的真空助力器 ， 彻底终结 助力 ， 可 以满足制动的精度 伺服电机要求较 高 ，制造 困 了制动 系统对 于真空 的依 要求 ； 可 以实现几 乎 1 0 0 ％ 液压系统 H i t a e h i e A C T 难 ， 成本较 高； 集 成化 方面 赖 。伺服制 动力 由专 门 的 的制动 回收 ； 安装方 便 ； 可 有所不足 电子 液 压 伺服电机产生 以满足 自动驾驶的需求 助力 系统 技术原理 与机 电伺 服助力 集成度 高 ； 响应速 度较 快 ； 系统类 似 ，但是 结构 紧凑 ， 未完全舍弃液压系统 ； 电机 集成 式 液 C o n t i MK C 1 结构 简单 ， 重 量轻 ， 可 降低 集成度更高 。将 H C U集成 要求较高 ， 制造 困难 ， 成本 压系统 T R W I B C 能量 消耗 ； 可 以实现再生制 较高 在 一 起 ， 可 以 实 现 AB S 、 动与舒适性 的完美统 一 E S C等功能 表 2两种 主流技术策略对 比 企业 产品 技术类型 安全性 踏板感 制动功耗 开发成本 使用效果 量产时间 制动 电流 与 E S P h e v协 调 博世 i B o o s t e r 2 b o x 有冗余备份 踏板完全解耦 相对较低 使用才能实 现制 2 0 1 7芷 l ma x 5 6 A 动能量 回收 大陆 MK C 1 踏板未完全 制动 电流 可以实现制 动能 1 b o x 无冗余备份 相对较高 更晚 天合 I B C 解耦 ／ ma x8 5 A 量 回收 对于传统汽车， 各项节能环保技术， 如缸 内直 喷技术、 启 一 停技术、 发动机小 型化等逐渐开始应 用 ， 会导致发动机真空度的下降； 对于柴油车 ， 由于 柴油机没有节流阀体 ， 进气歧管 内无法产生足够 的 真空度。此外 ， 在一些特殊情况下 ， 如发动机突然 熄火、 冬季冷启动、 高原行车等都会对真空度产生 影响。真空度不足 ， 会影响真空 助力器 的工作 ， 无 法提供足够的制动助力。 52 对于新能源汽车， 因为没有配备发动机 纯 电动 或无法提供足够的真空度 混合 动力 汽车 ， 因此 也需要采用其他的方式来产生制动助力。针对上 述情况 ， 各大汽车公司纷纷研究相应的解决 方案， 电控液压制动系统的使用较好地满足了各种要求， 在不同的使用条件下 ， 均 能够提供 良好 的解 决方 案。各种车辆对 电控液压制动系统的应用需求见 表 3 上海 汽车2 0 1 5 ． 1 0 表 3 电控 液压制动系统使用需求 应用领域 应用原 因 真空度 需求度 各项 节能技术 ， 如缸 内直喷 、 涡轮增压 、 发动机小型化及启 一停应 用等 ， 导致 的发动机 汽油车 低 中 真空度不足 传统汽车 柴油 车 柴油机没有节流阀体 ， 无法 提供满 足周围附件工作 的真空环境 低 高 发动机突然熄火 ， 对真空度产生影 响 特定情况 有时低 由 低气压高海拔地 区 、严寒地区 ， 冷启动影响发 动机真空度 电动机独立工作时 ， 无真空度 ； 其他工况真空度 可能不足 插电式 低 ／ 有时无 高 对制动能量 回收要求较高 新能源 油 电混合 电动机独立工作时 ， 无真空度 ； 其他工况真空度 可能不 足 汽车 对制动 能量 回收要求一般 有时无 高 纯 电动 动力总成无法产生真空度 增程式 对能量回收要求较高 无 高 3 ． 2 电控液压制动 系统应用情况 传统电控液压制动系统在 2 O世纪末相继被各 大汽车及零部件企业研发成功 ， 由于其结构较为复 杂 ， 使用成本高 ， 最初只是应用在一些高端车型中。 汽车电子感应制动控制系统 S B C在 2 0 0 0年左右 由 博世率先推出 ， 并 由戴姆勒公司开始使用 ， 搭载在 其 s L级、 E级等车型上 ， 但随后 因产品可靠性 问题 被大量召回， 因而逐渐放弃在量产车使用。 日系品 牌开发混合动力车型较早 ， 对电控液压制动系统 的 需求较高。丰田旗下的爱德克斯公司的 E C B系统 是 日系品牌具有代表性的产品之一 ， 它能够最大程 度地利用再生制动 ， 提高车辆燃油经济性 ， 降低排 放 ； 四轮可以独立控制 ， 实现 A B S 、 E S P等功能 ， 并 可与转向协 同控制 ， 目前主要应用在 丰田普锐斯 ， 雷克萨斯以及 S a i 等车型中。 电控真空助力系统是 出现较早 的“ 弥补真 空 度” 方案 ， 由于其结构简单、 成本低 、 泛用性较好 等 因素 ， 目前广泛应用于许多传统汽车以及大部分新 能源汽车中， 是 目前市场上主流的低成本电动液压 制动系统解决方案。电控真空助力系统的代表产 品是宝马的 S B A， 主要应用于宝马 X 6车型中； 奔驰 的 R B S ， 主要 应用在 奔驰 4 0 0 H y b r i d车型 中； 此 上海汽车2 0 1 5 ． 1 0 外， 华晨宝马之诺、 特斯拉 目前使用 E V P 、 下一代 将采用 i B o o s t e r 、 沃尔沃部分 车型、 比亚迪 e 6 、日 产聆风等新能源车型均使用 了 E V P系统。 机电伺服助力器 i B o o s t e r由博世推 出以来 ， 受 到了业内的极大关注。由于其成本问题 ， 目前仅在 欧洲部分高端车型上有所应用。主要应用车型有 eu p 、 eG o l f 等大众 系列新 能源车型 、 保时捷 9 1 8 、 奥迪 A 3 et r o n 、 下一代特斯拉以及 2 0 1 5年发 布的凯迪拉克 C T 6 H y b r i d 。由于其可 复用于传统 车型， 且制动性能安全可靠 ， 拥有丰富的主动安全 性能 ， 是未来 汽车制动系统发展趋势之一 ， 3年 内 有明确配套意 向的主机厂每年都有至少 2～ 3家。 据预测 ， 至 2 0 2 0年 i B o o s t e r 能达到 1 1 ％左右 的市 场份额 ， 且主要应用在 H E V和 E V上 。 集成式液压制动系统的代表产品主要有大陆 MK c 1和天合 I B C两款主流产品， 均未配套量产车型 ， 该 产品面临的最大挑战是集成式系统的安全性及失效 保护策略。目前只有两辆分别加装 了 M K C 1和 I B C 的福特 C m a x 和奥迪 A 6 试验车。北美通用下一代 C S S发动机将完全舍弃进气歧管， 完全放弃真空 ， 在其 新开发的车型 中， 大型车预计将定点采购 T R W I B C 系统， 中小型车预计将定点采购 i B o o s t e r 系统。 5 3 4 结语 通过对 电动液压制动系统不同技术路线 的技 术对 比以及市场应用情况分析， 可 以预见电子液压 助力系统是今后 一段时间内汽车制动系统 的发展 趋势。随着技术的发展、 成 本的优化及 相关 的制 动、 安全、 能耗等法律法规的推动 ， 这些系统有望得 到大规模的推广。如何能保证 电控系统的可靠性 和安全性 ， 是下一步工作 的重点。此外 ， 整车和零 部件厂商 的协同开发和配套也是这类系统能否快 速进入市场的关键。 参考文献 [ 1 ] 田玉 明．博世 电液制动 系统 S B C[ J ] ．轻 型汽车 技术 ， 2 0 0 3 2 ． [ 2 ] B e c k e r J ， K a m m e l S ， P i n k 0 e t a 1 ． 博世 a p p r o a c h t o w a r d a u t o ma t e d d r i v i n g [ J ] ．a t A u t o ma t i s i e r u n g s t e c h n i k ，2 0 1 5，6 3 3 l 8 01 9 0． [ 3 ] T R w 汽车集 团．掀起设计革命 的制动系统 [ J ] ．汽车 与 配件 ， 2 0 1 3 2 ． [ 4 ] 姚波 ， 曲万达 ， 何耀华．汽车电子液压制动系统[ J ] ．客 车技术 与研究 ， 2 0 0 7 2 ． 上海汽车 欢迎订阅、 投稿和刊登广告 上 海 汽 车 月 刊 ， 中 国 标 准 连 续 出 版 物 号 竺 盖 创 刊 于 1 9 7 5 年 ， 是 国 内 外 具 有 权 威和影响力的汽车产业学术交流平台， 主要刊登汽车产业理论 、 科技趋势、 新能源汽车、 设计研 究、 制 造试验 、 技术经济、 工艺材料、 标准法规、 市场研 究、 经营管理和汽车文化等方面论文以及相关文献与 数据。 上海汽车 对广大汽车专业技术人员、 高校师生和相关企业管理人 员在学习交流汽车科技知 识方面具有重要参考意义。 上海汽车 刊登的论文 自2 0 1 1年起标注 d o i 数字对象唯一标识符 编码 。 ． 上海汽车 已入编“ 中国核心期刊 遴选 数据库” 、 “ 万方数据一数 字化期刊群” 、 “ 中国学术期 刊 光盘版 ” 、 “ 中国期刊全文数据库 C J F D ” 、 “ 中文科技期刊数据库 全文版 ” 、 “ 国务院发展研究 中心信息网” 。作者著作权使 用费与本刊稿酬一次性给付 ， 如不愿将论文入编， 请来稿时声明。 上海汽车 真诚欢迎广大读者、 作者和企业订阅、 赐稿和刊登广告。 上海汽车 定价 6 ． O 0元， 全年 7 2 ． 0 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