自动驾驶基础（二十)之线控制动的实现

上文简单介绍了线控制动的基本概念，而对于如何做到常规的线控制动，这得从真空助力器说起。



单单踏板的杠杆并不足以推动主缸活塞较大的行程，因为刹车油是非常黏性的液体，与主缸缸壁之间的摩擦力很大，需要的推力很大，为此人类使用了真空助力器，真空助力器一般位于制动踏板与制动主缸之间，为便于安装，通常与主缸合成一个组件，主缸的一部分深入到真空助力器壳体内。真空助力器是一个直径较大的腔体，内部有一个中部装有推杆的膜片（或活塞），将腔体隔成两部份，一部份与大气相通，另一部份通过管道与发动机进气管相连。它是利用发动机工作时吸入空气这一原理，造成助力器的一侧真空，相对于另一侧正常空气压力的压力差，利用这压力差来加强制动推力。如果膜片两边有即使很小的压力差，由于膜片的面积很大，仍可以产生很大的推力推动膜片向压力小的一端运动。真空助力系统，是在制动的时，也同时控制进入助力器的真空，使膜片移动，并通过联运装置利用膜片上的推杆协助人力去踩动和推动制动踏板。需要注意推力来自压力差，而非真空。电动车和混合动力车不能依赖内燃机取得真空，需要用电子真空泵。真空助力器会减少一部分发动机效率，所以近来有些油车上也使用电子真空助力器，用电机制造真空。

线控制动正是从真空助力器延伸开来，用一个电机来代替真空助力器推动主缸活塞。由于汽车底盘空间狭小，电机的体积必须很小，同时要有一套高效的减速装置，将电机的扭矩转换为强大的直线推力。这其中的关键因素就是电机主轴，日本是此领域的霸主。

在电机技术不够先进的 1999 年前，人们只得放弃这种直接推动主缸的思路。转而使用高压蓄能器。这就是奔驰的 SBC、丰田的EBC系统、天合的SCB，这套系统利用电机建立液压，然后将高压刹车油储存在高压蓄能器中，需要刹车时释放。这套系统结构复杂，液压管路众多，成本高昂，可靠性不高。奔驰曾经大规模召回过SBC系统，丰田也曾经召回过EBC系统，奔驰今天已经几乎不用SBC系统。而丰田从 2000 年一直用到现在。通用和福特的混动车上则全部使用天合的 SCB。

由于成本过高，从 2007 年起， EVP电子真空泵开始在电动车或混动车上取代这种高压蓄能器设计，EVP极为简单，就是将油车的真空助力换位电子真空泵获得真空，缺点非常明显，首先它几乎没有任何能量回收，其次，刹车时会发出刺耳的噪音，最重要，它必须人力首先踩下制动踏板，也就是说它并非线控制动，而是机械制动。优点也很明显，首先是成本很低，再者是设计异常简单，油车的底盘几乎不做丝毫改动就可以用来做混动车，这对中国企业来说非常重要，中国企业缺乏自主设计底盘能力。

随着电机技术的发展，日立旗下的东机特工在 2009 年首次推出电液线控制动系统 E-ACT。除丰田外，大部分日系混动或纯电车都采用这种设计，最典型的就是日产Leaf。 说起来很简单，用直流无刷超高速电机配合滚珠丝杠直接推动主缸活塞达到电液线控制动，这套方案对滚珠丝杠的加工精度要求很高。传统的液压制动系统反应时间大约400-600 毫秒，电液线控制动大约为 120-150 毫秒，安全性能大幅度提高。百公里时速刹车大约最少可缩短 9 米以上的距离。同时用在混动和电动车上，可以回收几乎 99%的刹车摩擦能量。是目前公认最好的制动方式，为了保证系统的可靠性，这套制动系统一般都需要加入ESP（ESC）做系统备份。

早在 1999 年大众在开发纯电动车过程当中也很想使用这种电机直接推动主缸的设计，但是德国的电机工业当时没有能力满足大众的需求，大众采取了妥协的设计。既然电机的能量达不到，那就继续用高压蓄能器配合，但是推动主缸的是电机，大众称之为 eBKV ， 是德文Elektromechanischer .Bremskraftverstärker 的缩写， 2009 年的大众 E-UP 上首次使用。



博世从 e-UP 中获得灵感，加上博世是电机大师，经过博世的努力，最终在 2013 年去掉了高压蓄能器，单用电机推动主缸，这就是 iBooster。



博世的 iBooster 于2013年初推出，并且应用大众（包括奥迪品牌，大众持有ibooster的部分专利）全系列电动与混动车上，其他客户还有特斯拉和卡迪拉克CT6。

大陆和天合（ ZF）则在此基础上将ESC也集成进来，大陆的MK C1早在2011年就已经推出，在2017年版的阿尔法罗密欧Giulia上使用。TRW的则于2012年推出IBC，通用的K2XX平台上将全线使用。顺便说下TRW的IBC技术并非自己原创，是收购自一家小公司，不过博世的ABS技术也不是自己原创的。

这些线控制动都不是纯粹的线控制动，仍然需要液压系统放大制动能量。液压系统结构复杂，专利门槛很高。为了突破大厂的封锁，也为了简化制动系统，纯粹的线控制动（ EMB)近年来是个火热的研究领域。EMB取消液压系统，直接用电机驱动机械活塞制动。优点一、安全优势极为突出，大幅度缩短刹车距离，EMB的反应时间大约90毫秒，比iBooster的120毫秒更快速。优点二、没有液压系统，不会有液体泄露，对电动车来说尤其重要，液体泄露可能导致短路或元件失效，进而导致灾难。同时成本和维护费用也降低不少。

缺点一：没有备份系统，对可靠性要求极高。 特别是电源系统，要绝对保证稳定，其次是总线通信系统的容错能力，系统中每一个节点的串行通信都必须具备容错能力。同时系统需要至少两个 CPU来保证可靠性。

缺点二：刹车力不足。 EMB系统必须在轮毂中，轮毂的体积决定了电机大小，进而决定了电机功率不可能太大，而普通轿车需要1-2KW的刹车功率，这是目前小体积电机无法达到的高度，必须大幅度提高输入电压，即便如此也非常困难。
缺点三：工作环境恶劣，特别是温度高。 刹车片附近的温度高达数百度，而电机体积又决定只能使用永磁电机，而永磁在高温下会消磁。同时 EMB有部分半导体元件需要工作在刹车片附近，没有半导体元件可以承受如此高的温度，而受体积限制，无法添加冷却系统。同时这是簧下元件，震动剧烈，永磁体无论是烧结还是粘结都很难承受强烈震动。对半导体元件也是个考验。需要一个高强度防护壳，然而轮毂内体积非常有限，恐怕难以做到。

缺点四、需要针对底盘开发对应的系统，难以模块化设计，导致开发成本极高。

我们认为除非永磁材料有重大突破，居里温度点大幅度提高到 1000摄氏度，否则EMB无法商业化。顺便说一句，轮毂电机也是如此，不解决材料问题，轮毂电机商业化不大可能。不过这种材料从理论上来说是不可能出现的，磁性越强，其居里温度点就越低，高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列必然从整齐划一到混乱无序，这是物理特性，无法改变。
比如最好的磁王钕铁硼，一般使用 N35牌号，其居里温度点为310摄氏度，但其工作温度上限只有80摄氏度，超过80度，磁性能就开始下降，到310度，磁性完全消失。而夏天汽车刹车盘的温度轻松超过100度，工作时温度轻松超过300度。所以未来十年内，电液线控系统会是唯一的选择。