浅谈制动系统在新能源汽车上的应用和发展

包丹丹

采埃孚集团天合亚太有限公司 上海市 200233

1 引言

在如今的传统燃油车上，刹车制动系统主要通过驾驶员对制动踏板的操作，然后力传导到后续的真空助力器并且被放大，使得制动泵的液压力可以传递和分配到汽车各个制动轮上的制动器，最终产生制动摩擦力，达到制动减速的效果。这其中真空助力器的真空源就是通过汽车发动机进气歧管来提供的，然而随着新能源汽车的推行和发展，汽车不再过度依赖发动机，甚至发动机完全被电机取代，导致汽车失去了真空来源，整个传统汽车制动系统就无法在新能源汽车上实现。为了解决这个问题，目前许多制动系统零部件企业纷纷推出各种解决方案，比较主流的有这几种：电子真空泵替代发动机产生真空源；智能化助力器替代整个真空助力器；分布式制动系统替代整个传统制动系统。

2 传统汽车制动系统

汽车的制动系统原理和所有其他轮式运动机构的制动原理一样，通过压力产生摩擦，利用摩擦力使得滚动的车轮停止。压力或者说制动力的源头是通过驾驶员对刹车踏板的操作来产生的，但是由于汽车制动所需要的制动力非常的大，往往无法只靠人力来直接产生，所以需要助力器来将制动踏板的力放大。传统燃油车利用发动机的进气岐管来产生一个稳定可靠的真空环境，然后将驾驶员对制动踏板的制动力通过真空传递到制动泵，再由制动泵产生液压实现对车轮的制动力。这里的真空环境和制动力传递机构就是整车制动系统里非常重要的一个部件，真空助力器。

真空助力器对驾驶员有着非常大的辅助制动作用，一旦失效或者工作异常，驾驶员在踩制动踏板时就会遇到非常大的阻力，甚至无法制动。因此当前许多整车厂都有各种方案来保证真空助力器的可靠工作，比如更加稳定可靠的真空环境，比如设置或者追加额外的外部独立真空泵来确保真空度并且可以弥补真空助力器工作时可能发生的失效。

但是新能源汽车的出现，对传统制动系统带来了非常大的冲击，特别是真空助力器的部分。由于新能源汽车的动力系统不再是传统的发动机，而是被电机取代，没有了真空源，该如何来保证制动助力呢？

3 电子真空泵

我们在上面提到了新能源汽车对传统制动系统的影响，为了解决这个问题，无非是两种，一种就是完全摒弃现有的传统刹车制动系统，不再依靠现在的制动结构，不再需要真空助力，通过研发全新的制动控制技术，设计出可靠的制动系统；另一种则是致力于解决“真空”问题或者助力器的问题，通过寻找其他的真空源或者替代介质，来实现助力器的作用和工作。前者属于全新的设计研发，周期长投入大，往往需要大量的时间和精力。而后者利用现有的基础结构做改进，无论从研发难度，还是研发时间成本上，都是目前比较理想的一种过渡方法。

目前最简单和直接的方法就是利用车上外部的真空泵来实现，外部真空泵将不再作为辅助真空泵工作，而是完全替代现在发动机所产生的真空源。典型的外部真空泵就是电子真空泵，当传感器感知到真空助力器里的真空度不足时，就会启动并工作。这样的方案最大的优势在于可以几乎完全保留现有的制动系统结构，原有的真空助力器和相关的管路都不需要变动，只是需要将保持真空环境的相关接口从发动机的进气歧管变换到外部真空泵上，利用外部真空泵维持真空环境，剩下的制动工作则与传统制动系统完全一样。

由于上述方案的改动小，特别是底盘部分，国内大多数沿用传统燃油车底盘改造的新能源汽车，几乎都是采用的这个方案。虽然这个方案难度低，风险小，但是电子真空泵在工作的时候往往会产生非常大的噪音，除此之外，电子系统的工作稳定性和寿命都不能很好的满足整车可靠性的要求。所以为了解决这些缺点，我们需要能够研发出更加合理可靠的方案。

4 智能制动助力器

作为汽车零部件的领先企业博世公司，就最先推出了一套全新的智能制动助力器，称为iBooster。从整个结构上替代了传统的真空助力器，不再依赖真空源，而是利用电控的方式来实现制动力的助力辅助。而行业的竞争对手德国大陆和采埃孚-天合也基于同样的设计方案，开发了相关的产品。

这套方案简单来说，就是利用一个全新的由电子控制单元和电机驱动机构组成的助力器将传统的真空助力器替代，驾驶员对刹车踏板的制动力通过推杆机构传递给这个新的助力器，而助力器通过内部转载的踏板位置传感器检测到踏板的变化，通过预设的算法计算并转换成相应的电机执行动作，产生助力传递到制动主缸，并通过后续的液压回路实现最终的制动。

这样的设计从源头摆脱了真空源的要求，不仅解决了现有电子真空泵带来的噪声大，寿命短的缺陷，由于电机控制的关系，还能够和其他的电子控制系统结合，提供更加全面的制动控制，这其中最重要的一个应用就是制动力能量回收。我们都知道，新能源汽车大量的使用电能来实现低排放和低油耗的标准，这就对电池续航提出了很高的要求。所以除了不断提高电池本身的性能外，如何有效的利用汽车各种工况来给电池充电就成了另外一个突破点。制动力能量回收，就是对车辆在滑行和制动的过程中产生的制动能量进行回收并转变为电能储存的技术，其基本的原理就是在制动过程中，使得电机处于一个反向逆过程，产生逆电动势，以一个发电机的工作模式给车载电池进行充电。但是这个能量回收的过程需要始终保持在一个非常理想的制动力与能量回收关系中，传统的制动系统完全无法实现这样的控制，能量回收的效率极低，几乎达不到给电池充电的作用。然而随着现在智能制动助力器的出现，助力器上的电子控制单元可以和其他电子系统很好的配合，在整个过程中将汽车始终保持在最佳的能量回收区间，大大提高能量回收的效率。

此外，除了目前已经推出的智能制动助力器以外，各大汽车零部件厂也在全力开发更新一代的助力器，德国大陆和采埃孚-天合就推出了集成度更好的第二代助力器，称作IBC。除了满足现在智能助力器的功能，可以完全取代传统真空助力器外，还集成了大家熟悉的电子稳定系统，ABS和ESC功能。这样的模块化设计所带来的好处不仅仅是拥有更集成化和小型化的设计，还能够显著的提高ABS和ESC的主动制动响应时间，因为集成设计，所有的制动动作都可以直接通过制动系统来执行。

5 电子线控制动系统

以上讨论的所有研究和产品虽然方案不同，但原理上还是基于传统的制动系统，只是在部分功能实现上结合了新能源汽车的特点，而推出的不同的解决方案。对于真正意义上改变传统制动系统的方案，可能就是业内目前讨论最多的电子线控制动系统，EMB。 电子线控制动系统的原理与传统制动系统完全不同，不再需要整车的液压系统来实现制动，通过电子控制单元，直接给车轮轮毂端的制动执行机构进行控制，实现制动。这样的控制系统，在响应速度上要远远高于传统的制动系统，可以做到小于100毫秒。这样的响应性能对于未来无人驾驶的安全性要求也有很大的帮助。此外，舍弃了传统主缸、助力器等零部件，可以降低车重和成本，电子控制单元通过不同的控制模式集成，也很容易的可以实现各种ABS和ESC的功能，奥迪R8 e-tron就利用了电子线控制动系统，不过只是在后轮使用。这是因为目前的电子线控制动系统还存在着几种缺陷。首先就是制动力问题，因为电子线控制动系统是通过轮毂上的电机结构实现制动的，轮毂的大小决定了可以选用的电机大小，而电机的大小又关系到电机的功率，功率的大小直接反映到制动系统上就是制动力的大小。所以基于目前轮毂和电机的限制，要想实现拥有制动力非常大的电子线控制动系统，是非常困难的，这也是为什么奥迪也只是在后轮应用的原因。另外一个问题就是对于汽车制动可靠性来说，需要整车拥有多备份的制动方案，特别是对于电子系统，无论是电源系统还是通讯系统，都要求有多备份和高容错的设计，然而目前的电子线控制动系统，无法实现。

6 结语

随着新能源汽车和驾驶辅助及自动驾驶的发展，对于制动系统的要求也会越来越高，基于当前的技术条件和限制，现阶段的解决方案还是更多地倾向于智能制动助力器。但从长远的发展趋势，由于电子线控制动系统的优势，很可能会需要电子线控制动系统与常规制动系统结合的方案，同时满足响应速度和可靠性要求。这将会是未来汽车制动零部件企业的主要研究方向和课题。