0
| 本文作者： IamRichard | 編輯：谷磊 | 2017-03-28 09:26 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者Richard，目前就職于某新能源車企。有興趣的同學(xué)可以移步他的個(gè)人公眾號(hào)：聊聊汽車那些事兒。本文由雷鋒網(wǎng)獨(dú)家首發(fā)。
在國(guó)家大力支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的背景下，電池電機(jī)行業(yè)一下成了香餑餑，與之相反，發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)排氣、變速箱相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)則前景暗淡，受到較大的沖擊。
而區(qū)別于上述兩類技術(shù)，底盤(pán)系統(tǒng)（如懸架、制動(dòng)、輪胎）在這波浪潮中依然故我，沒(méi)怎么受到強(qiáng)烈的沖擊，享受著“穩(wěn)穩(wěn)的幸?！薄?span style="line-height: 1.8;"> 以制動(dòng)系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)很多年沒(méi)有大的變化了。
如下為傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)示意圖
其作用原理簡(jiǎn)單描述如下：駕駛員踩下制動(dòng)踏板，力通過(guò)真空助力器放大并在制動(dòng)總泵處轉(zhuǎn)化為液壓力，液壓力經(jīng)過(guò)制動(dòng)管路傳遞到位于車輪處的制動(dòng)器上，液壓推動(dòng)活塞，活塞推動(dòng)摩擦片或者制動(dòng)蹄片，對(duì)隨輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)盤(pán)或制動(dòng)鼓產(chǎn)生夾緊力，從而地面對(duì)輪胎產(chǎn)生制動(dòng)力。
不過(guò)，如果被這表象蒙蔽了就Too Young了，江湖從來(lái)就不太平，其實(shí)制動(dòng)系統(tǒng)一直都在暗流涌動(dòng)，變革也許即將到來(lái)。隨著汽車的新能源趨勢(shì)和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了需求了。
下面我們從制動(dòng)系統(tǒng)在新環(huán)境下面臨的挑戰(zhàn)和新需求來(lái)一一展開(kāi)解析。
挑戰(zhàn)之一：拋棄發(fā)動(dòng)機(jī)后，怎樣實(shí)現(xiàn)制動(dòng)助力？
傳統(tǒng)在汽車上，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管在工作中產(chǎn)生的真空是提供助力的來(lái)源。那么當(dāng)新能源汽車逐漸普及，車內(nèi)不再有發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，沒(méi)有真空產(chǎn)生，也就沒(méi)有助力來(lái)源了。這個(gè)時(shí)候，司機(jī)會(huì)感到制動(dòng)踏板踩不動(dòng)了。
這個(gè)咋辦？肯定已經(jīng)有人想到了解決辦法：這個(gè)簡(jiǎn)單！外加一個(gè)真空泵不就完了嘛。沒(méi)錯(cuò)，當(dāng)前的確是有很多電動(dòng)汽車用電子真空泵（EVP）來(lái)取代發(fā)動(dòng)機(jī)作為真空源。
目前主流的電子真空泵分葉片泵和膜片泵兩種。 
方案是可行的，國(guó)內(nèi)大多數(shù)純電動(dòng)汽車目前采用的也是這個(gè)方案。這個(gè)方案的好處是對(duì)傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)改動(dòng)較小，開(kāi)發(fā)難度低，風(fēng)險(xiǎn)低。
缺點(diǎn)是電子真空泵的頻繁啟動(dòng)會(huì)有噪音，受限于電子真空泵的使用壽命，其產(chǎn)生的真空度也不會(huì)太高。
某新能源汽車上搭載的電子真空泵
國(guó)家要求到2020乘用車平均油耗降至5.0升/100公里，為了滿足這個(gè)要求，眼下很多車都加裝了制動(dòng)能量回收裝置（48V或者混動(dòng)）。
對(duì)于新能源汽車而言，續(xù)航里程更是寶貴，直接影響到當(dāng)前能享受到的政策補(bǔ)貼，也關(guān)系到單車成本，目前主流純電動(dòng)車輛也都有制動(dòng)能量回收。
那么制動(dòng)能量回收（也叫再生制動(dòng)）是怎么回事呢？為什么大家對(duì)制動(dòng)能量回收這么重視呢？
傳統(tǒng)汽車在制動(dòng)過(guò)程中依靠摩擦的方式消耗車輛行駛的動(dòng)能（車速）從而達(dá)到降低車速，消耗的能量轉(zhuǎn)化為熱能，接著熱能就散發(fā)到空氣中浪費(fèi)掉了。
有分析表明，一輛緊湊型汽車在NEDC循環(huán)中，如果制動(dòng)能量能全部回收，可以節(jié)能17%左右。在典型城市工況中，車輛制動(dòng)消耗的能量與總驅(qū)動(dòng)能量的比值可達(dá)50%?？梢?jiàn)，若能提高制動(dòng)能量回收率，可大幅延長(zhǎng)續(xù)航里程，提高整車經(jīng)濟(jì)性。
制動(dòng)能量回收的原理就是當(dāng)車輛在滑行或制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的回饋力矩作用力車輛產(chǎn)生制動(dòng)效果，電機(jī)產(chǎn)生的電能給電池系統(tǒng)充電。
制動(dòng)能量回收原理圖
電機(jī)制動(dòng)時(shí)時(shí)有一個(gè)很大的問(wèn)題就是，其扭矩隨轉(zhuǎn)速變化影響較大，制動(dòng)力輸出不穩(wěn)定。
某典型制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)扭矩曲線特性如下：
1區(qū)：由于電機(jī)外特性在高速區(qū)呈現(xiàn)恒功率特點(diǎn)，即電機(jī)功率限制區(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，扭矩越?。?/p>
2區(qū)：電機(jī)外特性在較低轉(zhuǎn)速為恒扭矩區(qū)，受限于電機(jī)的最大輸出扭矩；
3區(qū)：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，因車輛可供回收的動(dòng)能已經(jīng)很有限，加上低速區(qū)電機(jī)效率不佳，電機(jī)扭矩快速減小。
典型制動(dòng)過(guò)程電機(jī)扭矩變化
一般來(lái)說(shuō)，典型的制動(dòng)能量回收工況主要分兩種。一種是松開(kāi)油門踏板（但制動(dòng)踏板未踩下）時(shí)，第二種是踩下制動(dòng)踏板時(shí)。
制動(dòng)力的來(lái)源有兩個(gè)，一個(gè)是電機(jī)的回饋轉(zhuǎn)矩，用于發(fā)電，一個(gè)是液壓制動(dòng)系統(tǒng)摩擦作用產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，產(chǎn)生熱量散發(fā)到空氣中。
在第一種制動(dòng)能量回收工況下（松開(kāi)油門踏板，但制動(dòng)踏板未踩下），此時(shí)的制動(dòng)力來(lái)源只有電機(jī)的回饋轉(zhuǎn)矩這一種。此時(shí)回饋轉(zhuǎn)矩越大，能量回收功率就越高。
考慮到駕駛感覺(jué)（收油之后的拖滯感），為了不與傳統(tǒng)車輛差異較大，除了極少數(shù)車輛比較激進(jìn)外（如特斯拉），其他車型一般不會(huì)把回饋力矩設(shè)置地很大。
在第二種工況下（踩下制動(dòng)踏板），其制動(dòng)力來(lái)源包括電機(jī)的回饋轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩。
對(duì)于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)而言，由于液壓制動(dòng)力與駕駛員踩下的踏板力線性相關(guān)（通常稱為“不解耦”），踩下剎車踏板后，液壓制動(dòng)開(kāi)始介入。隨著踏板力的增大，液壓制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)力也越大。在一般幅度的減速和大幅減速時(shí)，其主要制動(dòng)力來(lái)源為液壓制動(dòng)，具體可見(jiàn)下圖。
制動(dòng)力分配簡(jiǎn)圖
由于電機(jī)回饋和傳統(tǒng)制動(dòng)同時(shí)介入，所以也稱作并聯(lián)式。在中高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，電機(jī)反饋例力矩所占的比率較小，制動(dòng)能量回收率較低。
為了進(jìn)一步提高制動(dòng)能量回收利用率，只能盡可能地利用電機(jī)的回饋轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)的回饋力矩不足時(shí)，再讓液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入，此時(shí)就需要踏板力與液壓制動(dòng)力不再是線性相關(guān)（通常稱為“解耦”），也就是所謂的串聯(lián)式，即下圖所示。 
為了滿足上述目的，博世BOSCH推出了Ibooster（見(jiàn)下圖）。
Ibooster不需要真空源，利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)助力，與ESP hev再生制動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)完全解耦，最大程度地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，也可以實(shí)現(xiàn)多種制動(dòng)踏板模式的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同駕駛風(fēng)格的切換。
與博世類似，大陸Continental也推出了類似的產(chǎn)品MK C1，但是集成度更高，除了可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力和解耦外，還集成了ABS/ESC的功能。
由于上述產(chǎn)品面世不久，目前還主要在中高端純電動(dòng)或混動(dòng)車輛上應(yīng)用，如特斯拉、CT6混動(dòng)版等，規(guī)模效應(yīng)還沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。Bosch ibooster的物料成本約是傳統(tǒng)真空助力器的10倍左右。
不過(guò)可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著應(yīng)用車型越來(lái)越多，規(guī)模效應(yīng)越來(lái)越明顯，成本會(huì)逐漸下降，甚至于可以跟傳統(tǒng)助力器競(jìng)爭(zhēng)。
自動(dòng)駕駛是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)潮流和必然趨勢(shì)，而執(zhí)行系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。
制動(dòng)控制是自動(dòng)駕駛執(zhí)行系統(tǒng)的重要部分，目前ADAS與制動(dòng)系統(tǒng)高度關(guān)聯(lián)的功能模塊包括ESP（車身穩(wěn)定系統(tǒng)）/AP（自動(dòng)泊車）/ACC（自適應(yīng)巡航）/AEB（自動(dòng)緊急制動(dòng)）等。
自動(dòng)駕駛對(duì)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的第一要求就是要在不借助外力的情況下實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減壓。那么問(wèn)題來(lái)了，目前制動(dòng)系統(tǒng)有可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減壓的嗎？
相信很多人已經(jīng)猜到了，ESP（車身穩(wěn)定系統(tǒng)）本身是可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減壓的。
目前ESP系統(tǒng)應(yīng)用的已經(jīng)相對(duì)比較廣泛了，如HBA（液壓制動(dòng)輔助）和HHC（坡道輔助控制）等功能需要ESP主動(dòng)減壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。
最簡(jiǎn)單的就是最容易實(shí)現(xiàn)的，目前最常見(jiàn)的ADAS的制動(dòng)執(zhí)行方式是通過(guò)ESP主動(dòng)減壓來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力控制的。
不過(guò)ESP畢竟有自己的限制，也存在一些問(wèn)題：
1. ESP模塊從接收到信號(hào)到實(shí)現(xiàn)減壓，大概需要300到400毫秒，響應(yīng)比較遲緩。目前從傳感器采集信號(hào)，到信號(hào)處理、決策生成，共需要200毫秒到500毫秒的時(shí)間。大家都知道，目前ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）最主要的應(yīng)用場(chǎng)景之一就是高速工況。在100km/h車速下，車輛在100毫秒時(shí)間內(nèi)可以行駛2.7米，相當(dāng)于中級(jí)車的一半車身長(zhǎng)度（新蒙迪歐和帕薩特車身長(zhǎng)度均為4.87米），可見(jiàn)更快的響應(yīng)意味著更安全。受限于傳感器的有效感應(yīng)距離，為了提高ADAS系統(tǒng)的安全性，必須盡量降低自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，尤其是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間。
2. 由于ESP模塊的受限于內(nèi)部閥體的硬件和制造成本，其最大建壓壓力和循環(huán)壽命受到較大限制。目前主流通過(guò)ESP模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)AEB的車型中，其最大減速度一般不超過(guò)0.5g（g為重力減速度），而在緊急制動(dòng)下，一般需要最大程度的利用路面附著力（一般可以達(dá)到0.8g以上的減速度）。為了拓展ADAS的應(yīng)用場(chǎng)景，提高安全性，主要是提高緊急工況下的安全性，迫切需要更可靠更常規(guī)的執(zhí)行器來(lái)替代ESP模塊。
前文提到的Ibooster和MKC1，就能夠完美地勝任這個(gè)任務(wù)。
以Ibooster為例，其響應(yīng)時(shí)間為120毫秒到150毫秒左右，比ESP模塊的響應(yīng)時(shí)間要短200到300毫秒，大大提高了安全性。
線控制動(dòng)，Brake By Wire，即通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作。常見(jiàn)的線控制動(dòng)，除了上文提到的Ibooster和MKC1外，業(yè)內(nèi)還比較看好EMB（電子機(jī)械制動(dòng)）。
EMB通過(guò)電機(jī)作用于輪轂端的制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行制動(dòng)。由于不再使用液體作為傳遞介質(zhì)，其響應(yīng)時(shí)間更快，可以做到不足100毫秒。如Brembo的線控制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間僅為90毫秒，相對(duì)于ESP模塊的主動(dòng)減壓來(lái)說(shuō)，在60Km/h的車度下，制動(dòng)距離可以縮短3.5米，在100Km/h的車速下，制動(dòng)距離可以縮短5.8米。
SIMENS VDO的EMB示意圖
除此外，EMB還有以下好處：
1. 除去了制動(dòng)主缸和助力器等零件，降低了車重，節(jié)省了空間。
2. 在實(shí)現(xiàn)ABS（防抱死）、EBD（制動(dòng)力分配）等功能時(shí)，不再需要單獨(dú)的作用模塊，只需要在EMB的控制模塊上增加相應(yīng)代碼即可。
但是由于法規(guī)要求，必須要有應(yīng)急制動(dòng)裝置，所以如何滿足法規(guī)要求還是待解決的問(wèn)題，可以考慮EMB和電機(jī)的回饋扭矩相結(jié)合。
長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，以后的趨勢(shì)肯定是輪轂電機(jī)/輪邊電機(jī)作為中小強(qiáng)度減速的執(zhí)行器，以提高制動(dòng)能量回收率，而EMB作為緊急制動(dòng)的輔助執(zhí)行器，也作為硬件冗余，滿足法規(guī)要求。
本文通過(guò)匯總了目前制動(dòng)系統(tǒng)面臨的幾大挑戰(zhàn)，分析了目前的解決方案以及以后的發(fā)展趨勢(shì)。
目前來(lái)看，為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，EVP和ESP是當(dāng)前普遍采用的主流方案。從短期來(lái)看，Ibooster+ESP hev/MKC1是發(fā)展趨勢(shì)，而長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，輪轂電機(jī)由于具有顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)，可以作為常規(guī)制動(dòng)執(zhí)行器，EMB只作為輔助執(zhí)行器。電氣化和智能化是汽車發(fā)展的不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，這在當(dāng)前給從業(yè)者和企業(yè)出了很難的考卷。
雷峰網(wǎng)特約稿件，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見(jiàn)轉(zhuǎn)載須知。
