什么是線控制動

什么是線控底盤 ?

2022年真的是魔幻的一年，繼陽臺種菜、吃綠化帶之后，騎行居然也開始“堵車”了。而騎過自行車的朋友應(yīng)該都清楚，加速、剎車、轉(zhuǎn)向靠的全是那一腔熱血、滿身激情。而當(dāng)熱血冷卻，激情褪去，只留下肉體與機(jī)械碰撞的無情。以剎車過程為例，通過五指緊握車閘、車閘拉緊鋼絲、帶動橡膠摩擦片夾緊車輪，自行車最終在摩擦力的作用下消停冷靜，這個(gè)過程是典型的力大出奇跡。 ?

而汽車在誕生之初，其制動、轉(zhuǎn)向等方面原理和自行車差不多，都是單純地利用機(jī)械方式傳遞能量。但是汽車質(zhì)量遠(yuǎn)大于自行車，雖然有一些類似杠桿一樣的省力機(jī)構(gòu)，但汽車一次緊急制動和轉(zhuǎn)向還是需要消耗駕駛員半碗米飯的力氣。 ? 且隨著汽車速度越來越快，這種全靠駕駛員麒麟臂和金華火腿的操作方式，對駕駛員的要求太高，制動轉(zhuǎn)向的效果及安全性很難得到保證。

有鑒于此，汽車轉(zhuǎn)向、制動等系統(tǒng)開始出現(xiàn)了一些助力方式，有真空助力，有液壓助力，有電動助力，并最終發(fā)展成為今天常見的機(jī)械液壓制動、電動助力轉(zhuǎn)向等。 ?

但是天有不測風(fēng)云，電動汽車興起并開始圈地賽馬。電動汽車不僅革了發(fā)動機(jī)的命，順帶也革了機(jī)械液壓制動的命。機(jī)械液壓制動中的真空助力器原本是利用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的負(fù)壓來提供助力，現(xiàn)在好兄弟倒下了，自己還得生存，回去理個(gè)發(fā)，重頭再來了。 ?

舞臺這邊電動汽車的狂歡還沒有結(jié)束，另一邊的自動駕駛已經(jīng)開始搭臺唱戲，且演員規(guī)模和知名度明顯要略勝一籌。自動駕駛更加囂張跋扈，直接對制動和轉(zhuǎn)向這哥倆說："以后不能只聽制動踏板和方向盤的話了，我手底下域控制器的話你們也要聽"。 ?

在電動化和智能化的雙重影響下，線控底盤的概念開始大火。所謂線控，是指通過傳感器采集駕駛員的制動或轉(zhuǎn)向等意圖，并由控制單元綜合決策后，將控制指令以電信號的形式輸入給最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。線控，用不太準(zhǔn)確的語言描述就是：用電線替代了傳統(tǒng)的機(jī)械液壓連接。 ?

線控底盤主要包括五大核心系統(tǒng)：線控油門、線控?fù)Q擋、線控懸架、線控轉(zhuǎn)向、線控制動。 ?

線控油門和和線控?fù)Q擋因技術(shù)發(fā)展較早，已經(jīng)在主機(jī)廠得到廣泛應(yīng)用。其中，線控油門的滲透率基本上接近100%，市場已經(jīng)飽和。線控?fù)Q擋目前的滲透率約25%，但隨著智能化相關(guān)功能配置率的提升，滲透率也會同步快速提升。 ?

線控懸架因成本較高，目前滲透率不足3%。最早主要搭載在海外豪華品牌車型上，后逐步在合資品牌車輛中有所應(yīng)用，近幾年國內(nèi)自主高端品牌如蔚來、理想、極氪、嵐圖等也逐步開始搭載，滲透率處于緩慢提升的階段。 ?

相對而言，線控制動和線控轉(zhuǎn)向因起步較晚，且技術(shù)門檻高，目前滲透率亦處于低位。不過這兩類子系統(tǒng)是汽車電動化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵，也是必須攻克的核心技術(shù)。兩者之中，線控制動又被譽(yù)為線控底盤的璀璨明珠。 ?

什么是線控制動 ?

線控修飾的是制動，欲知線控須先講制動。汽車制動系統(tǒng)的作用無需贅言：（1）可以讓行駛中的汽車以適當(dāng)?shù)臏p速度減速行駛直至停車；（2）可以讓下坡行駛的汽車保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定車速；（3）可以讓靜止的汽車可靠地停在原地或坡道上。 ?

按照上述作用來劃分，汽車制動系統(tǒng)主要分為駐車制動系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)第三條作用）和行車制動系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)前兩條作用）。駐車制動系統(tǒng)的江湖已被電子手剎(Electrical Park Brake，EPB)所統(tǒng)一，短時(shí)間內(nèi)估計(jì)無人能撼動其地位。行車制動系統(tǒng)就比較熱鬧，電動化和智能化口號沒喊之前，機(jī)械液壓制動系統(tǒng)處于絕對的統(tǒng)治地位，占據(jù)大概99%的乘用車市場份額。而電動化和智能化口號開始吶喊之后，線控制動系統(tǒng)登上舞臺，如今已經(jīng)被確立為行車制動江湖中的下一任盟主。 ?

線控制動系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)的不同，又可分為電子液壓制動(Electro-Hydraulic Brake，EHB)系統(tǒng)和電子機(jī)械制動(Electro-Mechanical Brake，EMB)系統(tǒng)兩類。下面我們展開介紹上文提到的幾種制動系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。 ?

一、機(jī)械液壓制動系統(tǒng) ?

一個(gè)典型的純機(jī)械液壓制動系統(tǒng)主要由制動踏板、真空助力器、制動主缸、制動輪缸等組成，如下圖所示。

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這其中的定海神針非真空助力器莫屬，真空助力器位于制動踏板的后方，通過膜片隔出兩個(gè)腔，前腔連接標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(0.101MPa)，后腔連接發(fā)送機(jī)進(jìn)氣歧管的負(fù)壓(0.05～0.07MPa)。作用就是通過前后腔的氣壓差，來將制動踏板的輸入力放大，從而實(shí)現(xiàn)以小博大、杠桿撬起地球的效果。寫到這塊不禁產(chǎn)生了一絲感嘆，推動汽車百年文明發(fā)展的不就是這些看似平平無奇，但又巧奪天工的發(fā)明嗎！ ?

如下圖所示，制動過程中，駕駛員踩下制動踏板，在真空助力器的作用下，推動制動主缸里的活塞移動，并將液壓力通過制動管路傳遞給各制動輪缸，進(jìn)而驅(qū)動摩擦片壓向制動盤。在液壓壓強(qiáng)一定的情況下，由于制動輪缸受力面積大，由壓力=壓強(qiáng)x受力面積可知，其表面將產(chǎn)生足夠大的制動壓力。 ?



當(dāng)然，現(xiàn)在機(jī)械液壓制動系統(tǒng)一般還會通過增加傳感器、控制器、制動壓力調(diào)節(jié)器等部件來實(shí)現(xiàn)常用的ABS/ESP的功能。 ?

二、電子液壓制動系統(tǒng) ?

但是汽車的電動化打破了這一平衡，電動汽車由于沒有發(fā)動機(jī)，機(jī)械液壓制動系統(tǒng)中的真空助力器便沒有了負(fù)壓的源頭。如果繼續(xù)采用真空助力器，那么就必須額外增加一套電子真空泵(Electronic Vacuum Pump，EVP)，來提供真空助力器的負(fù)壓。這對成本、體積、重量三重敏感的乘用車主機(jī)廠來說，簡直是個(gè)噩耗。 ?

同時(shí)為了提高電動汽車的續(xù)航里程，工程師無所不用其極，制動系統(tǒng)也未能幸免于難。燃油車時(shí)代，工程師只能眼見制動能量通過摩擦發(fā)熱浪費(fèi)掉，有一種眼看他起高樓、眼看他宴賓客、眼看他樓塌了的無可奈何。但是到了電動車時(shí)代，制動減速時(shí)可以通過反拖電機(jī)來進(jìn)行能量回收，做到發(fā)電減速兩不誤。 ?

另一方面，輔助駕駛和自動駕駛抱著解放人類雙手雙腳的偉大理想而奮發(fā)前進(jìn)，而其理想得以實(shí)現(xiàn)的前提條件之一就是需要有一套制動系統(tǒng)不僅可以聽制動踏板的差遣，也可以隨時(shí)聽候智駕域控制器的指揮，也就是制動系統(tǒng)需要具有主動制動的能力。 ?

而在主動制動的時(shí)候，L3~L5級別的自動駕駛具有一個(gè)無情的計(jì)算大腦，時(shí)刻在根據(jù)感知到的外界環(huán)境的變化，做出精準(zhǔn)的決策規(guī)劃，如果這時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能及時(shí)精準(zhǔn)的響應(yīng)，則會表現(xiàn)一種手腳不聽使喚的癥狀。所以為了達(dá)到和自動駕駛大腦的高度協(xié)同，還要求制動系統(tǒng)這只腳具有更快速的響應(yīng)和更精準(zhǔn)的走位。 ?

在這樣的背景下，傳統(tǒng)巨頭Tier1都開始了下一代制動系統(tǒng)的布局和研發(fā)，以便可以在未來幾十年時(shí)間繼續(xù)在自己的強(qiáng)勢領(lǐng)域收割一茬茬新的韭菜，坐享漁翁之利。傳統(tǒng)巨頭Tier1也不負(fù)眾望，經(jīng)過最近這十來年的努力，均有了EHB的量產(chǎn)產(chǎn)品。如Bosch的IPB、ZF TRW的IBC、Continental的MK C1、日立的E-ACT等。 ?

EHB系統(tǒng)是電控+液壓制動的混合體，目前各家方案略有不同，包括制動踏板是部分解耦還是完全解耦，助力方式是高壓蓄能器間接型還是純電機(jī)直接型。但是制動原理基本一致，都是在駕駛員踩下制動踏板后，踏板傳感器將力和位移信號轉(zhuǎn)化為電信號送入電控單元。電控單元結(jié)合整車其他信息，計(jì)算出需要的助力大小，并利用助力機(jī)構(gòu)施加助力，產(chǎn)生和真空助力器相同的功能。 ?

同時(shí)會計(jì)算模擬一個(gè)反饋力給到剎車踏板，用以模擬駕駛員真實(shí)的制動效果。部分廠家EHB產(chǎn)品還保留了傳統(tǒng)的機(jī)械液壓制動系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)安全冗余。在EHB系統(tǒng)失效時(shí)，駕駛員可通過大力踩剎車進(jìn)入傳統(tǒng)機(jī)械液壓制動模式。 ?

Bosch在線控制動領(lǐng)域毫無意外的又充當(dāng)了無情的超級韭菜收割機(jī)，根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)研數(shù)據(jù)，2020年博世占全球線控制動產(chǎn)品份額65%以上，大陸、采埃孚分別為23%、8%。在Bosch線控產(chǎn)品矩陣?yán)?，ibooster+ESP的Two-box方案應(yīng)用最廣。2016年發(fā)布的二代產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)在150毫秒（機(jī)械液壓制動：300~500ms）內(nèi)傳導(dǎo)制動壓力、100%制動能量回收，同時(shí)ibooster與ESP還互為制動冗余。 ?

2020年Bosch量產(chǎn)了集ESP+ibooster一體的One-box產(chǎn)品IPB，體積更小、成本更低。配合其RBU（Redundant Brake Unit，剎車冗余），最高支持L4自動駕駛。如此一來，Bosch便完成iBooster在L2，IPB在L3/L4的完整線控制動布局，國內(nèi)廠商的突圍之路依舊任重而道遠(yuǎn)。 ?

三、電子機(jī)械制動系統(tǒng) ?

EHB系統(tǒng)其實(shí)不能算是嚴(yán)格意義上的線控制動系統(tǒng)，它僅是將制動踏板與助力器之間的機(jī)械連接替換為電信號連接，但是助力器到輪邊制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間制動力傳遞依舊是傳統(tǒng)的液壓方案。而嚴(yán)格意義上的線控制動系統(tǒng)，是指制動踏板到輪邊制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間全部由電信號連接，這也就是制動系統(tǒng)領(lǐng)域的璀璨明珠——EMB系統(tǒng)。 ?

EMB系統(tǒng)的一種典型裝車方案如下圖所示。主要包括模擬電子踏板，四套（兩兩互為冗余）EMB機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、四個(gè)輪速傳感器、兩個(gè)控制單元（ECU，互為冗余）及兩套供電系統(tǒng)等組成，部件之間通過 CAN 總線或其他時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)通信。 ?

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模擬電子踏板一方面采集制動踏板被踩下的力信號和位移信號，發(fā)送給ECU；另一方面提供一定的反饋力給駕駛員，以模擬真實(shí)的路感。 ? EMB機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)是整個(gè)EMB系統(tǒng)的機(jī)械核心部分，每一套機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)都包括自己的動力驅(qū)動機(jī)構(gòu)（電機(jī)）、減速增力機(jī)構(gòu)（力放大）、運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)直線運(yùn)動）、制動鉗體、制動墊塊等組成。

EUC是整個(gè)EMB系統(tǒng)的控制核心部分，EMB系統(tǒng)的整體性能直接取決于控制單元中算法性能的好壞。 ? 制動過程中，駕駛員踩下模擬電子踏板，ECU通過分析各路傳感器信號，并根據(jù)車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)以及路面狀態(tài)計(jì)算出每個(gè)車輪制動時(shí)不抱死所需的最佳制動力，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號給電機(jī)控制器，電機(jī)產(chǎn)生的力矩經(jīng)過減速增力機(jī)構(gòu)以及運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)后，將最終的制動力矩施加在制動盤上。 ?

在這套方案中，每個(gè)車輪處都安裝有一套可獨(dú)立控制的 EMB機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通常前輪的兩個(gè)EMB機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和后輪的兩個(gè)EMB機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)各有一套獨(dú)立的供電系統(tǒng)和控制單元。這樣可以保證在一套供電系統(tǒng)或控制單元失效時(shí)，另一套供電系統(tǒng)或控制單元仍可完成基本的制動功能，以防止危險(xiǎn)事故地發(fā)生。同時(shí)兩個(gè)控制單元之間可以通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)及時(shí)相互通信，實(shí)現(xiàn)故障診斷功能。 ?

EMB系統(tǒng)優(yōu)勢及應(yīng)用前景 ?

EMB作為制動領(lǐng)域人人都追逐的“鐵王座”，與傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)相比，EMB系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢： ?

（1）EMB系統(tǒng)去掉了冗雜的液壓管路及液壓元件，降低了車輛整備質(zhì)量；機(jī)械連接少，結(jié)構(gòu)簡單，布置方便；采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于裝配與維修。 ?

（2）EMB系統(tǒng)可以與汽車其它電控系統(tǒng)共享輪速傳感器、ECU等硬件。因此，通過修改 ECU中的軟件程序，易于實(shí)現(xiàn) ABS、TCS（牽引力控制系統(tǒng)）、ESP（電子穩(wěn)定性程序）等復(fù)雜電控功能。并且易于匹配安裝有制動能量回收系統(tǒng)的電動汽車。 ?

（3）EMB系統(tǒng)采用電信號傳遞控制信號以及能量，因此響應(yīng)迅速，加上其機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)靈敏，EMB系統(tǒng)能極大地提高車輛的制動效能。 ?

（4）EMB系統(tǒng)采用的模擬電子踏板，能有效避免ABS介入時(shí)的打腳現(xiàn)象。 ?

（5）EMB系統(tǒng)中沒有制動液，避免了因制動液泄漏而帶來的環(huán)境污染問題。 ?

然而，在EMB系統(tǒng)的應(yīng)用道路上，還存在著一些亟需克服的難題： ?

（1）由于車載電子設(shè)備的增加，汽車電力系統(tǒng)已趨于飽和，而EMB系統(tǒng)的原理決定了其制動力地產(chǎn)生需要消耗大量的電能，目前車載12V電源已無法滿足EMB系統(tǒng)的需要。因此，車載48V電源的技術(shù)成為 EMB系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。 ?

（2）在制動過程中，EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)需要工作在大電流堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，并且需要在各種惡劣工況下安全可靠地提供制動力矩，這對電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、控制來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。 ?

（3）從現(xiàn)有專利中公布的EMB系統(tǒng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)來看，大都機(jī)械零件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如何設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小巧并能有效可靠地傳遞足夠大的制動力矩的EMB機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是EMB系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。 ?

（4）隨著高性能電機(jī)、ECU、傳感器等各種硬件設(shè)備地增加，整車成本勢必提高。如何降低EMB系統(tǒng)成本，成為EMB系統(tǒng)應(yīng)用道路上不能忽視的問題。 ?

由以上我們可以看出，汽車EMB系統(tǒng)雖然有著廣闊的應(yīng)用前景以及傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)無法企及的優(yōu)勢，但是其自身也面臨著一些亟需解決的問題。只有解決了一些制約EMB系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵性問題，EMB系統(tǒng)的應(yīng)用道路才能越走越遠(yuǎn)。 ?

寫在最后 ?

國內(nèi)可以提供L4自動駕駛解放方案的公司不能說多如牛毛，但也稱得上遍地開花；國內(nèi)可以提供線控制動解決方案的公司不能說九牛一毛，但也稱得上屈指可數(shù)。既然線控制動是未來自動駕駛的剛需，國內(nèi)為何很少有初創(chuàng)公司立志攻破此機(jī)電產(chǎn)品壁壘？而大都選擇了輕裝上陣的提供代碼解決方案？ ?

無論以后汽車上有幾億行代碼，無論汽車被賦予什么的功能屬性，這一切的基礎(chǔ)都是組成汽車的那一萬多個(gè)零件。歷史也證明，供應(yīng)商無論在哪一個(gè)零件上掌握點(diǎn)核心技術(shù)，不會讓你大富大貴，但足以保證小康水平。百年汽車，要想玩的明白，還是需要一點(diǎn)沉淀，一點(diǎn)耐心的。

審核編輯：劉清