【原创】汽车智能化背景下线控制动系统的冗余设计

前言

线控制动系统工作原理

线控制动系统最典型的特征就是驾驶员制动踏板力与轮端的制动力之间的解耦，由此可以实现更高效的制动能量回收和主动制动功能，同时也是实现高阶智能驾驶的基础。为了更加直观了解线控制动系统的工作原理，下面就以行业内比较典型的EHB系统和EMB系统作为案例进行介绍。

 3.1博世iBooster+ESP hev

博世是最早推出线控制动系统的厂商，其iBooster系列在国内很多新能源汽车上都搭载过，截止2020年，博世全球线控制动系统份额达到65%。所以，博世iBooster产品相当于开了线控制动之先河，是学习其他线控制动系统的基础。

博世iBooster与ESP系统结合起来，用iBooster代替了传统制动系统的真空泵，实现更加高效和智能的制动控制，还不属于完全解耦系统。当驾驶员踩下制动踏板，传感器会将制动踏板信号给到iBooster控制单元，控制单元根据踏板信号计算出目标制动力，通过齿轮机构将电机的扭矩放大然后与踏板力一起推动主缸建压。如果电机制动和主动刹车功能没有介入，iBooster系统就是完全代替了真空助力系统。但是iBooster+ESP HEV系统能够与电机制动、AEBS、ACC等系统融合，实现制动能量回收和主动刹车功能。

iBooster模块本质上就是一个助力电机，当驾驶员踩下制动踏板时，VCU根据踏板行程及汽车目标减速度计算前后轴制动力，参考车速、电机及电池状态，计算出iBooster电机助力的期望值。iBooster控制单元会根据电机制动做出仲裁，自动调节电机助力大小。这就引出一个问题，那就是在制动能量回收介入的时候，踏板就会感觉很硬，让人刹车信心不足。通过标定可以改变iBooster电机扭矩曲线，从而实现无论在能量回收还是纯液压制动的时候踏板感觉一致。但是，在电机制动和液压制动状态切换的时候， iBooster助力延迟也会让敏感的驾驶员感觉到踏板力的变化。

博世第一代iBooster并不是踏板机构与制动机构解耦的系统，所以在装配ADAS、AEB功能的车辆执行主动刹车时，iBooster电机会推动制动踏板连杆产生制动力，这时候就能观察到制动踏板会自己上下移动。博世在第二代iBooster系统中，增加一套高压油泵，在主动刹车时，液压系统不再依靠iBooster建压，而是由高压油泵提供制动分泵所需制动压力。

iBooster系统通过踏板、助力泵、高压泵、储能器，以及开关阀和线性阀，可以实现多种制动模式，包括常规液压制动、能量回收、ESP功能、主动制动等。图2是第二代iBooster系统原理图，正常液压制动时，开关阀和线性阀处于默认状态，踏板和iBooster助力泵给主缸建压，经过四个轮缸的输入阀进入轮缸分泵。

当踩下制动踏板，若此时的制动力较小且全部依靠前轴电机制动，与各轮缸相连的线性调节阀打开，制动液直接进入低压储能器，而不作用到刹车的轮缸上。

当制动力由电机制动和液压制动共同作用时，此时根据前轮的电机制动和液压制动分配比例、前后轴制动分配比例，通过各轮缸的线性调压阀调节液压制动力大小，调节产生的制动力差通过电机制动补充。

iBooster系统支持主动刹车功能，比如装配ADAS、AEB等功能的车辆，主动制动时就会断开常闭阀，闭合常开阀，启动制动液油泵给轮缸提供高压制动液。

iBooster系统储能器会保持一定的压力，当iBooster系统出现故障时，ESPhev的储能罐与分泵之间的线控阀打开，能够提供最大0.3g的短时制动力，作为备份制动，也就是iBooster系统的冗余方案。

3.2 博世IPB+RBU

博世IPB+RBU是将iBooster和ESP整合到一起形成的one-box系统，相比iBooster系统，该系统在体积、重量和成本上都有所降低，这里IPB是基础液压系统（主系统），RBU是冗余系统。

正常工作时，RBU单元不起作用，IPB单元对液压主缸建压，其原理是：当驾驶员踩下制动踏板后，控制单元根据踏板信号识别制动请求，控制IPB电机工作建压和各电磁阀状态，使高压制动液经过2个主回路进入4个轮缸，实现基础制动。IPB+RBU与iBooster不同的是，制动踏板与液压管路通过关闭回路控制阀实现完全解耦，踏板压缩主缸制动液进入制动踏板感觉模拟器，正常工作时各阀体状态见下图7。

在执行ABS、TCS、VDC和制动能量回收等功能时，则可以通过控制进油阀和泄压阀实现，比如调节OVLF、OVRR、PVLR、OVRF的流量可以改变液压制动大小，与目标制动力的差值可以通过电机制动补充，从而实现制动能量回收功能。

在主制动模块IPB失效时，冗余部分RBU单元开始工作，如图8，回路控制阀USV1/USV2关闭，高压阀HSV1/HSV2通电打开，回路隔离阀CSV1/CSV2打开，RBU中的电机工作建压。同时，博世IPB+RBU系统还有机械备份方案，如果系统掉电导致RBU电机也不能工作时，则常开阀USV1/USV2和CSV1/CSV2接通，踏板给主缸建压后制动液流入到各个轮缸。但是，单纯的机械备份是无法满足L3级以上自动驾驶制动系统冗余要求的，所以必须通过RBU电机建压。

3.3 大陆MK C1

大陆MK C1是比较典型的one-box方案，2018年推出后打破了博世iBooster一统江山的地位，在EHB系统失效后，可以通过机械冗余和MK100 HBE提供建压进行制动。其工作原理图如9，正常制动时，主缸回路阀断开，制动踏板推动主缸内制动液进入制动踏板感觉模拟器，EHB系统根据踏板信号识别驾驶员制动意图，然后控制电机给液压回路建压，通过控制各轮缸的进油阀和调压阀实现正常制动、制动能量回收、ESC等功能。MK C1具有机械备份方案，在主系统失效后，将会打开主缸回路，断开制动踏板感觉模拟器控制阀，制动踏板推动主缸制动液进入各轮缸实施制动。

但是，智能辅助驾驶和L3级及以上的自动驾驶有主动制动要求，制动系统需要具备冗余备份，博世的IPB系统采用RBU备份方案，大陆的MK C1系统采用MK100 HBE作为制动备份，但是MK100 HBE只能对前轮实现主动增压。

大陆将MK C1与MK 100 ESC的衍生产品MK 100 HBE结合实现冗余备份。在正常的运行模式下，MK C1单元将起到制动、保障稳定性及舒适性的作用，液压压力通过MK 100 液压制动系统 (HBE)传递到制动轮。MK 100 HBE系统会经常进行自我检测，以保证100%即时可用性。如果MK C1制动系统发生故障，MK 100制动系统会立即介入，接管制动功能。如果MK C1制动系统完全失效（概率很低），MK 100 HBE单元将利用两个前轮对汽车实施制动。

3.4 TWR IBC+SBM

ZF天合针对L3级及以上自动驾驶需求，推出了IBC+SBM系统，该系统有两个平台，分别是IBC+SBM1和IBC+SBM2。前者的结构和工作原理与大陆MK C1+MK 100 HBE极其相似，都是在主制动模块失效时，备用系统对两前轮主动建压制动。后者则是增加了主模块失效后的两后轮的主动建压，实现四轮制动可调。

正常情况下，制动踏板直接与制动踏板感觉模拟器连通，IBC控制单元根据踏板信号控制IBC助力电机给液压系统建压。当主系统失效时，IBC所有阀处于默认状态，如下图10，切换到SBM单元，上面的BPV阀、RCV阀、IDV阀均关闭，SBM从蓄能器BSA直接抽取制动液给前轴车轮建压制动。

SBM1只能对两前轮进行建压制动，所以只能用于L3级别的自动驾驶汽车，对于L4和L5级别自动驾驶汽车，天合开发了IBC+SBM2。SBM2是在SBM1的基础上增加了对两后轮的制动建压，前轮仍然通过液压泵从储能器BSA抽取制动液，后轮则是直接从主泵抽取制动液实现增压，该方案可以实现500ms内达到1.0g（9.8m/s2）的减速度。

3.5 EMB系统

EMB相对于EHB减少了液压系统，主要由电机、减速器、夹紧装置、卡钳和控制器组成，结构更加简单，控制更加高效。EMB控制单元根据踏板信号识别驾驶员制动意图，然后控制集成在各轮端的制动卡钳电机实施制动，所以控制原理也非常简单。由于轮端制动力对卡钳电机的功率需求较大，所以需要采用48V电压，以保证制动响应快、制动力大。EMB系统结构见下图11。

EMB系统由三部分组成，分别是电子踏板模块、信号处理模块和车轮制动模块，电子踏板模块提供踏板信号和制动需求输入，对于智能辅助驾驶和自动驾驶汽车，也包括智能驾驶系统的制动指令输入。ECU模块负责信号处理和制动决策，将制动力需求转化成对电机的控制信号，同时也根据电机运行参数进行闭环控制。车轮制动模块是轮端制动力的执行模块，电机控制器根据制动力需求控制电机扭矩和转速，再通过减速机构和传动机构将电机旋转运动转变为摩擦片的直线运动，摩擦片被推向制动盘产生制动力。

EMB系统优点很多，缺点也很明显，最主要的就是冗余设计方案。EMB系统本来简单，但是冗余设计要求使其变得复杂，因为EMB无法通过人力提供制动冗余，所以只能通过双系统、双电源、独立分布等方式进行冗余设计。

EMB系统除了冗余设计之外，还有其他因素制约着它的批量应用，包括：（1）成本高，因为需要大功率电机和相应的传动机构，且大部分传统制动系统零部件都无法直接应用，需要研发配套的零部件；（2）无制动失效备份功能，档EMB系统失效时无法通过人力提供备份制动，不符合现有法规要求；（3）EMB系统带来的簧下质量相较于传统制动系统有所增加，对驾驶感受有一定影响；（4）EMB系统的无刷电机需要在高温、浸水、强烈机械冲击的恶劣环境下可靠工作，对可靠性要求非常高。

制动系统冗余要求

冗余制动是指在汽车制动系统中，除了主制动系统外，还设置有备用制动系统或制动装置，以确保在主制动系统失效或发生故障时，车辆仍能够进行有效的制动。冗余制动系统的设计和实施需要考虑多种因素，包括制动性能、可靠性、安全性以及成本等。

在GB 12676标准中，对于冗余制动系统的要求包括：在主制动系统失效时，备用制动系统应能够在一定时间内提供足够的制动力，使车辆在规定距离内停下来；同时，备用制动系统应易于操作和维护，以确保其在实际使用中的可靠性和有效性。

因为制动系统关系到行车安全，传统汽车的制动系统设计上就需要备份考虑，到了新能源汽车以及智能汽车，制动系统变得更加复杂，制动性能要求更高，制动备份系统的性能同样也在提高。传统汽车冗余制动通过机械方式就足够了，但是到了智能驾驶和自动驾驶阶段，单纯的机械方式的备份系统已经不能满足要求，需要备份制动系统能够实现主动制动功能，比如博世的iBooster系统通过ESP hev实现备份，IPB系统有RBU单元做备份。

冗余制动设计必须要满足制动系统设计要求，汽车越是智能化，对制动系统的要求就越高，冗余系统就必须达到更高的制动性能。根据法规要求，应急制动减速度要达到5m/s2，制动响应时间小于0.8秒，冗余制动系统也应能满足这个要求。

线控制动系统根据实现形式可分成两个阶段，EHB阶段以摩擦制动为主，再生制动作为冗余方案，主-冗切换时间为10-20ms，冗余系统能实现的最大减速度至少要达到0.5g、建压时间为500ms-1s，实现电动主缸、ESC系统和EPB多级冗余控制，部分具备冗余ABS功能。EMB阶段以再生制动为主，可以发展前轴EHB、后轴EMB的互为冗余的线控制动系统方案，主-冗切换时间小于10ms，冗余系统能实现的最大减速度至少要达到0.64g、建压时间小于500ms，实现轮毂电机、EMB系统、失电全功能RBU与EPB系统组成的多层次冗余控制，部分具备冗余ABS功能。

线控制动系统冗余功能开发

制动系统设计的时候必须要考虑备份功能，传统汽车的制动备份比较简单，最早的机械制动可以通过紧急刹车（手刹）作为备份；后来液压制动设计成平行结构和X结构，主缸出来两路分别控制前轴荷后轴，或者是相交叉的两个轮子，当某一路出现故障时，另一路可以作为备份，由于前后轮的制动力分配不同，所以X型结构可以实现50%的备份制动效果。传统的完全耦合式制动系统在冗余设计时考虑因素较少，冗余方案相对比较简单，但是随着新能源汽车制动能量回收功能以及智能汽车主动刹车功能的需要，制动系统必须部分解耦或者完全解耦，冗余设计需要考虑的因素就更多了，实现起来相对复杂，实现方式也呈现出多样化。

1、 EHB阶段冗余系统开发

EHB系统有Two-Box和One-Box两种，目前以Two-box居多，Two-box系统是将EHB和ESP/ESC独立成两个单元，比如博世iBooster+ESP hev系统，该系统除了保留机械备份之外，还可以在主系统失效时通过ESP做备份。行业内的Two-box系统其实都是通过ESP/ESC实现冗余控制的，它是利用ESP/ESC系统的储备压力对液压系统建压，其弊端就是制动持续时间或者制动次数较少，只能用于应急情况。当电控系统或者液压系统失效时，司机踩制动踏板也可以通过机械部分进行制动，只是iBooster电机没有助力，制动踏板会很硬。对于Two-box线控制动系统，ESP/ESC和机械冗余都会保留。

One-box系统是将EHB和ESC集成在一个模块里，所以当EHB系统失效时，ESC也可能失效，所以就不能单纯通过ESC做备份了。博世的IPB+RBU系统则是另外加一套系统做备份，IPB是主制动系统，RBU为备份制动系统。前面也介绍了该系统，只有在IPB系统失效时，各种阀体就会进入默认状态，RBU的泵对液压系统建压。该系统同样保留了机械踏板冗余设计，在系统断电的时候，踩制动踏板液可以制动，只是踏板会比较硬。对于One-box线控制动系统，ESP/ESC系统集成在EHB系统里，需要设计另一套液压泵作为冗余，同时保留机械冗余。这种方式在大陆MK C1系统和万都IDB+RCU系统上也都是一样，只是有的冗余系统只是单轴制动，有的可以做到双轴制动，冗余系统的制动效果会有差异。

2、 EMB阶段冗余系统开发

EMB线控制动系统是未来的新趋势，结构简单、响应快，但是冗余方案却比较困难，因为轮端的制动电机控制很难实现人力制动备份，这是不符合现有法规要求的。

EMB阶段的冗余设计分成如下三种方案：

1） 分布式制动系统

现阶段EMB系统没有很好的备份方案，所以行业内提出了一种混合式的线控制动系统概念，也就是前轴采用EHB方式，后轴采用EMB方式，两种系统互为冗余，其中EHB系统还保留了机械冗余功能，再加上制动能量回收功能，可以实现至少0.3g的制动力。

2） 双系统冗余设计

L3级别自动驾驶汽车必须满足无人化操作要求，在主制动系统失效后，备份制动系统能够主动切换，对于EMB线控制动系统，没有人力冗余方案，所以需要双系统保证在主系统出现失效时能切换到备份制动。双系统是指双电源、双电机、双控制器、双CAN总线。

3） 轮毂电机备份

在具有轮毂电机驱动构型的车辆上，轮毂电机可以直接通过电机实施更大强度的制动能量回收，同时也可以作为EMB线控制动系统的冗余制动系统。

线控制动系统冗余功能开发

本文系统介绍了线控制动系统的发展历程和类型，其中EHB是当前使用最广泛的线控制动系统，它保留了传统的液压制动系统，又以是否集成ESC功能分为one-box系统和two-box系统，前者因为在体积、质量和成本方面的优势逐渐成为主流。EMB系统被认为是未来的发展趋势，目前因为在零部件可靠性、冗余设计、成本等方面的因素推广困难，国内长城精工、华为等企业已经正式发布相关产品，预计在2025年会有一些车型搭载。

线控制动系统需要满足备份制动要求，EHB系统已经有了较为成熟的冗余设计方案，two-box系统可以通过ESC备份制动，one-box需要增加主动冗余制动系统，典型的有RBU、MK100、RCU，但是系统复杂度同时也会提高成本、降低可靠性。EMB系统因为踏板与执行机构完全解耦，冗余设计具有困难，目前有双系统和混合制动系统等提案，但是会导致系统复杂、成本高，未来对于轮毂电机类型的电动汽车，可以通过电机制动作为冗余部分。

制动系统作为汽车的安全要件，安全性和可靠性是最重要的，只有成熟的技术方案才能批量搭载，这也使得线控制动系统概念很多年前已经提出来了，但是产品化过程相当漫长。如今，EHB和EMB系统都在近些年随着汽车智能化飞速发展，但是为了保证安全，还需要更多的验证。