车辆电控机械制动系统的研究现状和发展趋势

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102商用汽车杂志　２００５年第１１期

套产业

随着车辆安全性的日益提高，车辆制动系统也历经了数次变迁和改进。从最初的皮革摩擦制动，到后来的鼓式、盘式制动器，再到机械式ＡＢＳ制动系统，紧接着伴随电子技术的发展又出现了模拟电子ＡＢＳ制动系统、数字式电控ＡＢＳ制动系统，等等。近１０年来，西方发达国家又兴起了对车辆线控系统（ｘ－ｂｙ－ｗｉｒｅ）的研究，线控制动系统（ｂｒａｋｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ）应运而生，并开展了对电控机械制动系统（ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，简称ＥＭＢ）的研究。简单来说，电控机械制动系统就是把原来液压或者压缩空气驱动的部分改为电动机驱动，借以提高响应速度，增加制动效能，同时大大简化了结构，降低了装配和维护的难度。

由于人们对制动性能要求的不断提高，传统的液压或者空气制动系统在加入大量电子控制系统（如ＡＢＳ、ＴＣＳ、ＥＳＰ）后，结构和管路布置越来越复杂，加大了液压（空气）回路泄漏的隐患，同时装配和维修的难度也随

车辆电控机械制动系统的

研究现状和发展趋势

■　汪 洋 翁建生

之提高；因此，结构相对简单、功能集成可靠的电控机械制动系统越来越受到青睐。可以预见，ＥＭＢ将最终取代传统的液压（空气）制动器，成为未来车辆制动系统的发展方向。

ｂｒａｋｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ系统

ｂｒａｋｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ系统是指一系列智能制动控制系统的集成，提供如ＡＢＳ、车辆稳定性控制、助力制动、牵引力控制等现有制动系统的功能，并通过车载有线网络把各个系统有机地结合成一个完整的功能体系。采用一个模拟发生器替代原有的制动踏板，用以接受驾驶员的制动意图，产生、传递制动信号给控制和执行机构，并根据一定的算法模拟反馈给驾驶员。其工作原理如图１所示。

由于技术发展程度的局限，目前主要有２种形式的ｂｒａｋｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ系统，即ＥＨＢ和ＥＭＢ。

ＥＨＢ（ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｂｒａｋｅ），即线控液压制动器，是在传统的液压制动器基础上发展而来的。ＥＨＢ用一

个综合的制动模块取代传统制动器中的压力调节器和ＡＢＳ模块，这个综合制动模块包含电机、

泵、蓄电池等部件，它可以产生并储存制动压力，并可分别对４个轮胎的制动力矩进行单独调节。与传统的液压制动器相比，ＥＨＢ有了显著进步：结构紧凑，改善了制动效能；控制方便可靠，制动噪声显著减小；不需要

真空装置，有效减轻了制动踏板的打脚，提供了更好的踏板感觉；由于模块化程度的提高，在车辆设计过程中又提高了设计的灵活性，减少了制动系统的零部件数量，节省了车内制动系统的布置空间。但是ＥＨＢ还是有其局限性，整个系统仍然需要液压部件，离不开制动液。

国外的汽车公司早就开始了对ｂｒａｋｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ系统的研究。早在１９９３年，ＦＯＲＤ公司就有一款电动汽车采用了ＥＨＢ，后来通用公司在其一款轿车上也采用了ＥＨＢ制动系统。图２是ＤＥＬＰＨＩ公司研发的ＥＨＢ原理图。

如果把ＥＨＢ称为“湿”式ｂｒａｋｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ系统，那么ＥＭＢ就是“干”式ｂｒａｋｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ系统。ＥＭＢ和ＥＨＢ以及ＨＢ的最大区别在于它不再需要制动液以及液压部件，制动力矩完全是通过安装在４个轮胎上的由电动机驱动的执行机构产生；因此，相应

地取消了制动主缸、液压管路等等，可以大大简化制动系统的结构，便于布置、装配和维修；更为显著的优点是不使用制动液，降低了对环境的污染。

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配套产图３　ＥＭＢ原理图另外，由于相应可以取消很多现有部件，大大减轻了系统的质量，便于对车辆底盘进行综合主动控制。其突出的优点是：不需要制动管路，从而降低了制造成本和安装布置的难度，制动效能得到提高，并且制动效能稳定；不需要制动液，降低了成本并且保护环境；便于融入到车辆综合控制的网络中（ＣＡＮ总线）；减少了部件数量，降低了对空间的占用；制动踏板只提供参考输入，不直接作用于制动系统之上，便于改善踏板性能。

从２０世纪９０年代开始，一些著名的汽车电子零配件生产厂商，如Ｂｏｓｃｈ、Ｓｉｅｍｅｎｓ以及ＣｏｎｔｉｎｅｎｔａｌＴｅｖｅｓ等相继开始了对ＥＭＢ电控机械制动器的研究，并作过一些相应的系统仿真和装车试验。图３是ＥＭＢ制动系统的结构图。

ＥＭＢ系统简介

１．ＥＭＢ的发展和现状

ＥＭＢ最早应用在飞机上，后来才开始在汽车上应用。ＥＭＢ与传统的制动系统有着极大的差别，其执行和控制机构都需要重新设计。其执行机构需要能够把电动机的转动平稳地转化为制动蹄块的平动，需要能够减速增矩，能够自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等。由于体积的限制，其结构也必须巧妙和紧凑，减小电控

制动系统体积是整个ＥＭＢ系统设计中非常重要的内容。同时，其控制部分要求能精确控制电动机的转速和转角从而防止制动抱死。最近几年一些国际大型汽车零配件厂商和汽车厂进行了一些对于ＥＭＢ制动系统的研究工作，也申请了一部分专利。主要参与竞争的公司有Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ　Ｔｅｖｅｓ、Ｓｉｅｍｅｎｓ、Ｂｏｓｃｈ、Ｅａｔｏｎ、ＡｌｌｉｅｄＳｉｇｎａｌ、Ｄｅｌｐｈｉ、Ｖａｒｉｔｙ　Ｌｕｃａｓ、Ｈａｙｅｓ，等等，而国内在此项目上的研究基本为空白，仅有二汽、清华大学和南京航空航天大学进行了一些相关的初步研究工作。

２．ＥＭＢ系统的结构和分类

对于ＥＭＢ系统的机械执行机构，它直接接受电动机产生的力矩，并放大作用到制动盘上，其结构主要满足如下几项基本要求。

⑴结构紧凑，便于布置；

⑵能够把转动转化为平动；⑶具有减速增矩、自增力机构；⑷能够自动补偿制动间隙；⑸能够提供停车时的驻车制动；⑹安全可靠，工作时间长。如前所述的各家公司都取得了各自的研究成果并成功申请了部分专利保护。总的来说，ＥＭＢ制动系统从节省能量的角度来说可以分为２种：第１种是电动机直接带动机械执行机构然后作用到制动盘上，其典型是

Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ　Ｔｅｖｅｓ公司研制的制动器；第２种是电动机通过一个自增力机构，间接作用到制动盘上，可以大大降低系统所消耗的能量，ＧｅｒｍａｎＡｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｃｅｎｔｅｒ　（ＤＬＲ）内部资料显示其公司研制的ＥＭＢ制动系统ｅＢｒａｋｅ比第１种结构节省了约８３％的能量。第１种结构形式的制动器的特点是控制简单、制动过程稳定，但是由于电机提供所有推动制动块所需的推力，使得所需的驱动电机的功率很大，从而造成电机的尺寸、质量和能耗都较大。第２种结构形式的制动器由于间接利用了汽车的动能作为制动自增力，驱动电机所需功率可大幅下降，只需要约３％的其他替代方案的能耗，其体积、尺寸和质量也必然比第１种结构形式的制动器小，不过目前这种形式的制动器控制难度大，制动稳定性也不如前者。图４是２种ＥＭＢ制动系统的原理图。

３．ＥＭＢ所需解决的问题

ＥＭＢ制动系统具有很多传统制动系统所不能比拟的优势，不过由于其发展时间短，也不可避免地存在许多亟待解决的问题。

⑴如果系统出现问题或者电源出现故障，制动系统应该如何动作？如果制动踏板模拟器出现故障该如何处置？是否要安装机械备份？因此，需要加强系统可靠性和意外事故保险方

图４ ２种ＥＭＢ制动器的原理图

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面的研究。

⑵由于在高速制动过程中产生大

量的热量，因此需要反复实验验证驱

动电机和其他部件在高温条件下的工

作性能和稳定性。

⑶电制动系统采用大量的电控技

术就难以避免有大量的电子电路，又

由于车辆工况复杂而且在外部暴露的

电磁场和地球磁场环境中工作，这就

需要加强电制动系统的抗干扰能力。

⑷驱动电机动作需要消耗大量的

电能，这是对目前车辆使用的１２　Ｖ电

源的一个考验，未来将采取４２　Ｖ的电

压来为系统提供能量。

⑸目前车辆ＥＭＢ制动系统还要

加强与其他现行车辆电控系统的整合，

最好可以形成一体化、模块化的底盘

控制系统，对车辆进行综合控制。

⑹由于采用了大量的传感器、控

制芯片和新的技术，使得目前电制动

系统的成本比现有的液压制动系统

高，因此降低系统的使用成本也是当

前需要解决的问题。

４．ＥＭＢ的未来研究方向

目前ＥＭＢ制动系统的技术还不

成熟，需要解决的技术问题还很多，

国外把对电子机械制动系统的研究重

点集中在以下几个方面。

⑴耐高温电子元器件。对耐高温电

子元器件的研究主要涉及到２个方面：

一个是在电子元器件本身上下工夫，提

高其对高温的承受能力和在高温下的工

作稳定性；另一个就是改良制动盘的材

料和提高其散热能力，通过优化设计

提高整个制动器的散热性能，为电子元

器件的工作提供良好的环境。

⑵机械－电子执行机构。对于机

械－电子执行机构的研究已经有几家

公司提出了设计方案并申请了专利，

目前的执行机构中机械零件还比较

多，结构也很复杂。如何有效地传递

转矩、增大转矩，如何保证机构能自

动调节制动间隙，如何使结构尽量小巧

并可靠，都是设计过程中要面对的难

题，也是重要的研究方向。图５、图６、

图７分别是Ｂｏｓｃｈ、Ｓｉｅｍｅｎｓ和Ｇｅｒｍａｎ

Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｃｅｎｔｅｒ公司研制的ＥＭＢ

电子机械制动系统的原理框图。

⑶可自适应调节的控制算法。目

前车辆制动器在控制算法上主要采用

３种：滑模控制、逻辑门限值控制和最

优控制算法。以后为了适应ＥＭＢ的发

展和特点还可以采用新的控制算法。

⑷灵敏度高而又价廉的传感器。现

在使用的传感器功能还比较单一，灵敏

度也有待提高。为了保证ＥＭＢ系统能

正常可靠地工作，需要研发灵敏度高、

功能集成、质优价廉的新型传感器。

⑸系统容错控制。电控制动系统

的容错性牵涉到制动系统的安全性和

可靠性，因此是一个至关重要的研究

方向。有些学者是用实验的方法去检

测和评估ＥＭＢ对制动请求的响应情

况，并通过一定的算法来忽略瞬间的

错误信号借以实现系统的容错控制；

错控制的冗余设计，并配以专门编写

的软件来进行容错控制处理；最新的

研究是在系统中引入一个监控器，用

以检测可能导致系统错误和失效的信

号，然后产生错误检测代码，根据代

码来处理失效和提高安全性。车辆电

控系统的容错控制是一个牵涉到计算

机硬件、软件、通信协议等多方面的

比较难解决的问题。

⑹高可靠性的电线和连接件。在

新的ＥＭＢ制动系统中，电线和连接件

取代了原来的制动管路等零部件，因

此要求必须可靠，这将直接影响到整

个系统的安全性和可靠性。

⑺力矩电机的设计。ＥＭＢ的一个

极大优势就是制动响应快，所以要求

电动机必须响应速度快。此外也要求

电动机功耗小、输出的力矩大。另外在

制动过程中，电机将在“堵转”的恶劣

环境下工作，因此对电机的可靠性要

求高，而且必须结构小巧紧凑、便于安

装、能在各种恶劣环境下可靠工作。

结束语

综上所述，虽然ＥＭＢ制动器比传

统的液压制动器有着无法比拟的优势

和广阔的应用前景，但是也有其自身

需要解决的问题，只有解决了一些制

约ＥＭＢ制动器发展的关键性问题，才

能得到越来越广泛的发展和应用。

图５ Ｂｏｓｃｈ公司的电子机械制动系统

图６ Ｓｉｅｍｅｎｓ公司的电子机械制动系统

图７ Ｇｅｒｍａｎ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｃｅｎｔｅｒ公司的电子机械制动系统

有的是在分布式

的线控制动系统

中加入一个中央

控制芯片，这是

一个专门进行容

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