液压制动的终结－电子机械制动EMB技术分析

随着消费者对车辆安全性日益提高的重视，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，到后来出现鼓式、盘式制动器，再到后来出现机械式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，由此展开了对电子机械制动器（Electromechanical Brake）的研究，简单的来说电子机械制动器就是把原来由液压或者压缩空气驱动的部分改为由电动机来驱动，借以提高响应速度、增加制动效能等，同时也大大简化了结构、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人了大量的电子控制系统如ABS、TCS、ESP等后，结构和管路布置越发复杂，液压（空气）回路泄露的隐患也加大，同时装配和维修的难度也随之提高。因此结构相对简单、功能集成可靠的电子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，成为未来车辆的发展方向。

1 brake-by-wire的发展简介

brake-by-wire是指一系列智能制动控制系统的集成，它提供诸如ABS,车辆稳定性控制、助力制动、牵引力控制等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的结合成一个完整的功能体系。原有的制动踏板采用了一个模拟发生器替代，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。显而易见，它需要非常安全可靠的结构，用以正常的工作。其工作原理如图1所示：

由于技术发展程度的局限，目前出现了两种形式的brake-by-wire系统：

1.1 EHB的简介

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来取代传统制动器中的压力调节器和ABS模块等，这个综合制动模块就包含了电机、泵、蓄电池等等部件，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。比传统的液压制动器，EHB有了显著的进步，其结构紧凑、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。可见相比传统的液压制动器，EHB有了很大的改善。但是EHB还是有其局限性，那就是整个系统仍然需要液压部件，其基本的还是离不开制动液。

EHB的出现主要是为以后研究和生产EMB打下基础、并积累大量的生产经验。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。可见国外的大汽车公司早就开始了对brake-by-wire制动系统的研究。如下图所示是DELPHI公司研发的一款EHB的结构

1.2 EMB的简介

如果把EHB称为“湿”式brake-by-wire制动系统的话，那么EMB就是“干”式brake-by-wire制动系统。EMB是Electromechanical Brake的英文简称，它和EHB以及HB的最大区别就在于它不再需要制动液和液压部件，制动力矩完全是通过安装在4个轮胎上的由电机驱动的执行机构产生。因此相应的取消了制动主缸、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，更为显著的是随着制动液的取消，对于环境的污染大大降低了。

另外由于相应可以取消很多现有部件，因此可以大大的减轻系统的重量，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、制动效能得到了提高性能稳定、不需要制动液降低了成本并且保护环境、便于融人到车辆综合控制的网络中去（CAN总线）、由于减少了部件数降低了对空间的占用、由于制动踏板只提供参考输人不直接作用于制动系统之上便于改善踏板性能。

从20世界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电制动器的研究，并做过一些相应的系统仿真和装车试验。如下图所示是德国一家公司开发的EMB制动系统的示意图：

2 EMB电子机械制动系统

2.1 EMB的发展和现状

EMB起先是应用在飞机上的，如美国的F-15战斗机就采用了EMB制动器，后来才慢慢转化运用到汽车上来。EMB与传统的制动系统有着极大的差别，其执行和控制机构需要完全的重新设计。其执行机构需要能够把电动机的转动平稳转化为制动蹄块的平动、需要能够减速增矩、需要能够自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等，而且由于体积的限制其结构也必须巧妙和紧凑，是整个EMB系统中非常重要的组成部分；其控制部分也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：Conti-nental Teves、Siemens、Bosch、Eaton、Allied Signal、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研究工作。

2.2 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，其结构应该满足如下几个基本的要求：

1）结构紧凑，便于布置；

2）能够把转动转化为平动；

3）有减速增矩、自增力机构；

4）能够自动补偿制动间隙；

5）能够提供停车时的驻车制动；

6)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两个大类，其一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；第二类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，German Aerospace Center (DLR)内部资料显示其公司研制的EMB制动系统eBrake比第一类结构节省了约83％的能量。第一种结构形式的制动器特点是控制简单，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、重量和能耗都较大。第二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%的其它替代方案的能耗，其体积、尺寸和重量也必然比第一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。

2.3 EMB所需解决的问题

EMB制动系统显而易见的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，也必不可少的存在许多亟待解决的问题：

1）如果系统线路出现断路或者电源出现故障，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？因此需要加强系统可靠性和意外事故保险方面的研究力度。

2）由于在高速制动过程中产生大量的热量，因此需要加强系统的热稳定性和散热性能。需要反复实验验证驱动电机和其它部件在高温条件下的工作性能和稳定性。

3）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。

4）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12v电源的一个考验，未来将采取42V的电压来位系统提供能量。

5）目前车辆EMB制动系统还要加强与其它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。

6）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成本高，因此降低系统的使用成本也是当前需要解决的问题。

2.4 EMB的研究方向

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，国外把对电制动系统的研究重点集中在如下几个方面：

1)耐高温电子元器件；

2）机械-电子执行机构；

3）可自适应调节的控制算法；

4）灵敏度高而又廉价的传感器；

5）系统容错控制；

6）高可靠性的电线和连接件；

7）力矩电机的设计。

对耐高温电子元器件的研究主要涉及到两个方面：一个是在电子元器件本身上下功夫，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。为电子元器件的工作提供一个良好的环境。

在对制动器的控制算法和先进传感器的研究上，国内外学者也都做了很多工作。而目前车辆制动器的控制算法上主要采用三种：滑模控制算法、逻辑门限值控制、最优控制算法等。

在电控制动系统的容错性上，最近也有大量的论文在研究这个问题。因为这个问题牵涉到了制动系统的安全性和可*性，因此是一个关键和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；有的是在分布式的线控制动系统中加人一个中央控制芯片（brake-by-wire Manager），这是一个专门进行容错控制的冗余设计，并配以专门编写的软件来进行容错控制处理；最近的是在系统中引人一个监控器（monitor），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。显然车辆电控系统的容错控制是一个牵涉到计算机硬件、软件、通信协议等等多方面的比较难解决的问题。

其它诸如连接电缆、传感器的设计制造相应会简单一些。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*性要求高，而且必须结构小巧紧凑、便于安装、能在各种恶劣的环境下可靠工作。至于机械执行机构已经有相当一部分公司拿出了实物。

3 线控制动系统市场现状

• 现阶段市场上线控制动系统产品主要以EHB为主，EMB系统仍处于研发、概念阶段，并未量产；

• EHB系统全球主流供应商主要有博世、大陆、采埃孚三家，并且均有量产产品。

L3/L4/L5级制动技术方案

• L3/L4级别下线控制动系统总体技术路线选用EHB方案（EMB短时间内无法量产），架构采用主制动系统+辅制 动系统设计；

• L5级别下线控制动系统会选用轮毂电机技术。

L3/L4级别下线控制动技术方案冗余设计：

（1）主辅制动系统设计 技术路线选用EHB方案，采用主制动系统+辅制动系统双设计。主辅系统均具有独立制动的能力，且两者互相监测对方状态，任何一方出现故障，另一方可做到实时制动 。

（2）双电源设计L3/L4级别下可采用48V电源方案，双电源备份设计。当主电源故障或供电不足时，备用电源可直接工作。

（3）主制动系统ECU采用双芯片设计将控制系统进行双份设计，即芯片、电路板等均用两套零件。其中，主芯片和冗余芯片需要运行不同的算法，且运算后的指令需要进行相互比较；

总线技术：L3选用CAN FD，L4选用CAN FD或车载以太网。

L5级别下线控制动技术方案

• 总体结构：伴随着核心技术的逐渐 突破，L5阶段轮毂电机将是汽车制动系统的制动力来源；

• 冗余设计：对ECU同样进行冗余设 计，可选用高性能多核芯片，且采取双甚至三层备份；软件算法的选 取也要兼顾容错特性；

• 总线技术：车载以太网；

• 电源：双48V电源设计

4 结束语

从上可以看出，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运用前景，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应用。