摘要：线控制动系统作为电动汽车智能底盘控制系统的关键组成之一，是实现自动驾驶车辆制动控制的基础。随着人们对汽车智能化的要求越来越高，对制动系统要求也随之增加，而具有冗余备份功能的线控制动系统越来越受关注。文章从电子液压制动（EHB）系统和电子机械制动（EMB）系统两个方面，分别对线控制动系统结构、组成和功能进行阐述，简要介绍了不同线控制动系统的冗余原理及特性，提出了电动汽车线控制动系统冗余的发展展望。结果可知，线控制动系统的多级冗余及控制将是未来重点研究的方向。
伴随着电动汽车的电动化和智能化，制动系统也在优化升级，逐步从部分线控向完全线控发展。线控制动系统作为电动汽车智能底盘控制系统的关键组成之一，是实现自动驾驶汽车制动控制的基础。相较于传统汽车制动系统，线控制动可以通过电子液压、电子气压助力、全电动等方式提供动力源，实现对车轮智能施加制动力矩，使车辆按照要求进行减速、停车、驻车[1-3]。
线控制动系统可分为电子液压制动（Electronic Hydraulic Brake, EHB）系统和电子机械制动（Electronic Mechanical Brake, EMB）系统。EHB以传统的液压制动系统为基础，用电子元器件代替了一部分机械部件的功能，使用制动液作为动力传递媒介，控制单元及执行机构布置得比较集中，保留有液压备份系统，因此，具有制动响应时间短、制动力建压快、制动力控制精确等优点[4]。与EHB不同的是，EMB完全取消了液压制动助力机构、主缸、电子稳定性控制（Electronic Stability Controller, ESC）系统及液压管路，结构和布置更为简单，四个车轮的制动由独立的电机制动器来实现，四个制动器之间可互为冗余[5-6]。对每个车轮进行独立且精准地控制，可实现更多智能化功能，进一步满足整车智能化、电气化的要求。
随着对汽车智能化的要求越来越高，对制动系统要求也会随之增加，而具有冗余备份功能的线控制动系统越来越受人们关注，以满足自动驾驶系统的需要。制动系统冗余备份是指当制动系统某一部分或电子元件发生故障或失效时，制动系统中的冗余备份能够及时对车辆进行部分制动或全部制动，以确保车辆的行驶安全[7-8]。本文从EHB系统和EMB系统两个方面分别对电动汽车线控制动系统及其冗余发展现状进行分析与展望。
目前EHB系统主要由制动踏板、制动液泵、电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）、液压管路系统、执行机构等组成。EHB取消了传统的真空助力器，根据制动踏板与制动轮缸之间的耦合程度分为非解耦、半解耦和全解耦三种类型[9]；根据不同液压系统建压方式，可以分为推液直接建压和增压助力建压两种[10]；根据系统的集成度又可分为“Two-box”和“One-box”两种形式[11]，区别在于防抱死制动系统（Anti-lock Braking System, ABS）/车身电子稳定系统（Electronic Stabilty Program, ESP）是否与电子助力系统集成。电子液压制动系统不同分类及比较如表1所示。
表1 不同类型电子液压线控制动比较
Two-box的EHB系统一般由电机、机械减速机构、主缸、传感器和控制器ECU等组成。但是Two-box方案未集成轮缸液压力控制单元，无法对单独轮缸液压实现控制，因此，也无法实现ABS、ESC等功能，所以需要结合传统的ESC才能组成完整的汽车制动系统。例如博世的电子助力制动器（iBooster）+再生制动系统（ESP®HEV）的Two-box方案（见图1），其中HEV为混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle）。
图1 iBooster+ESP®HEV方案
One-box的EHB系统则是在原Two-box形式上将iBooster和ESP集成在一起，集成度更高、减少体积和质量，同时能够完成轮缸液压独立调控，从而实现ABS、ESC、牵引力控制系统（Traction Control System, TCS）等车辆稳定性控制功能。目前主要的One-box EHB系统集成的是ESC模块的执行机构（Hybrid Combining Unit, HCU），但也有企业将ABS的HCU与eBooster集成的One-box EHB系统，如Two-box也有eBooster+ABS的型式一样。图2为One-box EHB系统模块，其中主要包含了制动液壶、电控单元、踏板单元、动力单元、液压单元等。
图2 One-box EHB系统模块
Two-box制动系统方案主要是由电子助力系统和车辆ESC或制动ABS双控制单元组成的制动系统，其中电子助力系统取代了传统的真空助力方式。驾驶员踩下制动踏板使得推杆产生位移，输出位移信号给行程传感器，行程传感器将位移信号发送给控制单元。控制单元计算出电机驱动的扭矩并控制电机提供助力，将电机扭矩转换为直线的制动压力，与驾驶员踩下制动踏板产生的推杆力一起作用于制动主缸，进而产生制动压力。图3为博世iBooster产品示意图。
图3 博世iBooster产品示意
在博世的iBooster+ESP®HEV的Two-box方案中，ESP主要执行ABS、车辆动态控制（Vehicle Dynamics Control, VDC）功能。此时，电子助力系统与ESP均具备主动建压功能，可互为备份，并且还可以协调电动汽车的再生制动系统功能，最大可实现0.3g制动减速度。同时，制动系统中的电子助力器、ESP®HEV均可以集成驻车制动控制（Parking Brake Controller, PBC）软件及轮速信号采集功能备份，能够满足L2及以上级别的自动驾驶需求，具备单通道ABS。即使制动系统电源失效后，还可以保留纯机械制动。
图4 为iBooster+ESP®HEV冗余形式图。在有人驾驶的情况下，ESP®HEV即作为iBooster的备份制动系统。当iBooster发生助力降级或电源电量不足的情况下，ESP®HEV能够主动建压，并达到预期的制动力。当车辆处于自动驾驶状态时，iBooster与ESP®HEV即互为线控制动功能的备份，车辆的ECU将采集的减速度、制动力、目标车辆、距离等信息后，通过计算得出车辆行驶的状态。如果ESP®HEV接收到制动请求后，控制系统通过计算电制动力和液压制动力的分配关系，转化为液压流量信息和电机扭矩信息，再分别iBooster和电机进行执行。此时，iBooster将作为主要的制动执行系统，对车辆进行制动控制，而ESP®HEV将作为备用执行系统，在iBooster失效的情况下主动建压，使车辆达到制动的目的。
图4 iBooster+ESP®HEV冗余形式
图5(a)为亚太机电的Two-box制动系统方案，该系统由执行单元和建压单元两部分组成，统称智能制动系统（Intelligent Braking System, IBS）。制动液油壶的输出端通过制动软管连接到建压单元副缸的输入端；建压单元副缸的输出端通过制动硬管连接到制动主缸的输入端；制动主缸的输出端通过制动硬管连接ESC/ABS的输入端。图5(b)为IBS系统工作原理。该方案采用半解耦形式、一个湿式模拟器模拟踏板感、一个绝对式位移传感器监测驾驶员的制动意图，由建压单元建压，输出高压助力制动液压协助制动主缸进行制动。
图5 亚太机电的Two-box系统
在有人驾驶的情况下，ESC作为IBS的备份制动系统，在IBS发生助力降级、失效的情况下，主动建压达到预期的制动效果。在自动驾驶条件下，建压单元与ESC 互为线控制动功能的备份。建压单元作为主制动系统，主要扮演执行系统的角色，当IBS总成失效时，ESC将作为备用执行单元，进行主动建压。此外，当IBS与ABS搭配形成制动系统时，ABS将无法作为备用执行单元进行主动建压，实现备份制动的功能，即eBooster+ABS的Two-box制动系统没有ESC的备份冗余能力，但eBooster仍可以提供纯机械制动。
表2为博世与亚太机电Two-box方案比较。Two-box方案的优势在于其具有天然的冗余备份结构，在常规模式下，线控制动由ESP®HEV作为主控制器，iBooster作为执行器。在两个模块分别供电的前提下，当任意一个模块失效后，另一个模块都可以充当备份执行器，从而保证在单点失效后有一定减速度的建压能力。
表2 不同Two-box线控制动冗余方案比较
One-box制动系统方案是将车身稳定系统和电子制动助力系统集成一个控制器。目前主流的供应商包括博世的集成制动（Integrated Power Brake, IPB）系统、大陆MK-C1+MK 100液压制动扩展件（Hydraulic Brake Extension, HBE）、芜湖伯特利线控制动系统（Wire-Controlled Brake System, WCBS）等。其中博世的IPB智能集成制动系统应用最为广泛，博世IPB系统取消了传统的真空泵、真空制动助力器、ESP以及相关连接组件，将电子制动助力器和ESP®HEV集成到一个控制单元[12]。
图6为博世IPB制动系统简图，主要由三部分组成：制动踏板-液压主缸、建压及压力调节。可以看出，博世IPB系统的制动力与制动踏板是完全解耦。当驾驶员踩踏板后，制动液进入主缸并与踏板模拟器一起建立制动压力，IPB的ECU控制器收集踏板位移传感器信号，通过计算并控制电机建压，产生制动力。与此同时，通过ABS/ESP液压调制模块对各轮轮缸压力进行调节，从而控制车辆的纵向及横摆运动。IPB正常工作时，控制阀1、2、3关闭，控制阀4、5打开。当IPB进入失效备份模式时，控制阀1、2、3打开，控制阀4、5关闭，驾驶员能够通过制动踏板直接产生制动压力，并作用在车轮上进而使车辆减速。
图6 博世IPB方案
因One-box方案中集成了ESC系统，采用的是全解耦的形式。制动助力器与ESC系统共用一套ECU，当One-box系统处于失电状态时，ESC模块也会失效。因此，在One-box系统中的备份主要依靠纯机械制动，能够达到 0.5g及以上的减速度，如果电子驻车制动（Electrical Park Brake,EPB）系统的ECU是独立的，也可以采用EPB系统作为行车制动的备份方案，但EPB在行车制动中控制精度及响应速度相对较差。对于L3级及以上级别的自动驾驶，One-box系统需要有专门的冗余制动单元（Redundant Brake Unit, RBU）进行制动备份，RBU和One-box系统是并联的形式，以形成管路系统的冗余。
因此，博世在IPB制动系统的基础上提出了IPB+RBU方案，如图7所示。在IPB的电子液压制动系统的基础上，串联了一个RBU冗余制动单元，其采用了两进两出方案，分别有2个回路控制阀和2个高压控制阀，没有储能器。
图7 博世IPB+RBU方案
在博世IPB+RBU方案下，正常模式时车辆的制动功能和稳定性主要由IPB制动系统进行控制，RBU单元只是通路作用，不参与执行动作；当IPB制动系统失效或故障时，RBU单元将立即介入并进行制动和车辆控制，即使制动系统电源失效后，IPB+RBU方案依然可以进行机械制动。因此，博世IPB+RBU方案可以满足L3级以上等级的自动驾驶要求。模块化制动系统，以及IPB与RBU的组合，可以为高级自动泊车和自动驾驶提供冗余制动的解决方案。
与博世IPB+RBU方案不同，大陆的MK-C1+RBU方案在于将RBU连接于轮端与MK-C1之间。这样使得RBU可以在IPB系统或者MK-C1系统失效后，提供左前右后与右前左后两个回路的主动建压和压力控制，因此，在IPB失效情况下仍满足一些低选ABS的功能。目前，大陆已经推出最新的双制动冗余方案MK-C1+MK100HBE，当MK-C1主制动系统失效后，HBE将在毫秒内切换至HBE系统，并提供60%的主系统制动效果以及紧急制动功能。图8为大陆MK C1+MK100HBE方案。
图8 大陆MK C1+MK100 HBE方案
针对新能源再生制动系统的研究发展，提出一种新型（冗余）制动系统[13-14]，主要应用于四轮分布式驱动的车辆，一般采用弱化的EHB+EMB与单轮电机进行机械结合，实现了制动执行单元四轮分布布置且完全独立，传感器信号直接与域控制器硬线共享，控制单元完全集成在域控制器。当行车制动系统发生故障或失效时，冗余制动系统控制电机再生制动进行制动，使车辆达到制动减速的效果。比亚迪汽车已经在自己的方程概念车上完全取消整车传统的制动单元，而采用驱动电机再生制动的方式，实现车辆制动的功能。表3为不同One-box线控制动系统产品方案比较。
表3 不同One-box线控制动冗余方案比较
EMB抛弃了传统液压制动系统通过控制制动管路压力，进而控制制动力的思路，转而采用电机制动，直接作用在卡钳端，通过推动活塞形成制动力。
图9为EMB系统原理图。由此可知，EMB 具有四个独立的制动执行器，每一个执行器都由动力单元和制动钳块组成。它们作为一个整体执行机构将制动力作用在车轮的制动盘上。EMB控制器模块主要是提供每一个制动执行器所需的控制信号，如制动执行机构应该产生的力矩。控制单元同样也从执行器获得反馈回来的信号，如电机转子转角、实际产生的力矩、制动衬块和制动盘的触点压力等。EMB控制器模块通过不同的传感器，如制动力传感器、踏板位移传感器、轮速传感器等获取所需的变量参数，获取驾驶员的意图及车辆动力学状态，经过处理后发送给每一个轮端执行器，以此来控制车辆的制动。其中驾驶员意图来自制动踏板，其主要包括制动踏板、踏板位移传感器、踏板力传感器、踏板力模拟器。
图9 EMB系统原理图
相比传统的液压制动，EMB具备更加快速的响应速度。由于EMB采用的是轮边单独电机制动，四个轮端的制动力可以单独控制，且由于电机控制精度比传统液压控制精度高，制动力可以控制得更加精准。同时，由于不再需要制动液，减少了制造和维护成本，制动效能和车辆的噪声、振动性能都会有大幅提升。
EMB系统各个车轮均可以独立制动，这就为系统的预设计提供了多种选择[15-16]。以布雷博的线控制动系统为例，其由踏板模拟器、制动控制单元、液压执行器、电子机械卡钳组成，如图10所示。
图10 布雷博EMB系统
当驾驶员踩下制动踏板时，产生的制动信号通过前后BCU将制动指令传输到四个轮端执行机构。其中前轮卡钳为传统液压卡钳（类似于EHB结构），前制动控制单元的制动力需求指令会传输给液压执行器，电机推动执行单元产生液压力传递至卡钳，摩擦片夹紧制动盘产生制动力。后轮为EMB卡钳，后制动控制单元与前制动控制单元，同时接收制动踏板产生的电信号，将制动力需求指令直接传递给左右后卡钳上的电机，通过电机运动使得摩擦片夹紧制动盘产生制动力。
在正常制动工况下，踏板与前后执行器均解耦，区别于传统的EHB制动系统，不再通过液压电磁阀调整轮端压力，四轮制动力通过电机独立调节控制。当任一单轮失效时，其他三轮仍然可以提供制动力。
当前轮BCU失效时，与踏板相连的储液罐液压回路打开，前轮可提供备份液压制动力，后轮正常。当前后BCU均失效时，整套系统有前轮液压备份，通过人力踩下踏板仍然可以产生制动力，满足法规应急制动要求。
长城汽车旗下的精工菲格推出的EMB，取消了原有的制动系统，包括ESP、EPB、管路，使电控软件和ECU实现了三合一集成化。长城汽车EMB 系统是对四轮制动单元进行线控，其机械部分集成了真空助力器结构、EPB 功能、并省去了复杂的液压管路以及储液壶，控制器部分则集成了EPB、ABS、ESP等功能，比较于iBooster+ESP制动方案更加集成化。该系统的四轮制动卡钳皆为电机（干式）卡钳，相比较传统EHB制动系统完全省去了复杂的液压管路，四轮制动力通过电机独立调节控制，当任一单轮失效时，其他三轮仍然可以提供制动力，并且设定有很全面的冗余方案，保证了其性能稳定性。同时，长城汽车智慧线控制动系统采用三重备份设计（即三冗余系统），其中就包括电源、传感器、控制器、执行器。相较主流的全冗余系统（双冗余），长城汽车智慧线控制动不只多了一道安全措施，即便在最极端情况下，三重系统全部失效，还有跨系统冗余系统确保安全。例如，当三重冗余线控制动系统全部失效时，车辆还可以通过提高动能回收强度来实现车辆减速。表4为不同EMB线控制动冗余方案比较。
表4 不同EMB线控制动冗余方案比较
不同的线控制动系统由于其工作原理不同而导致在失效处理和控制方面的差异。EHB系统因其具有独立的备份冗余制动系统，因此安全性较高，被广泛应用。EMB系统虽然也可以实现冗余系统备份，但因缺少相关技术支持，短期内难以大量应用。因此，掌握线控制动系统的软硬件开发及冗余备份技术，是实现高效、安全、可靠线控制动系统的关键。
对于L3级及以上级别的自动驾驶汽车，驾驶员参与较少，需要更多的制动冗余，即制动系统控制器中可以主动增压的装置，如ESP、iBooster、IBC、MKC1等。快速故障检测能力、冗余模式控制、冗余的纵向稳定性控制、可转向（防抱死）冗余、再生制动冗余等，将会是未来线控制动系统冗余的重要研究发展方向。
参考文献
[1] 张鹏飞,吴希玲,王晓亮.我国汽车制动系统技术发展趋势的探讨[J].专用汽车,2021(12):64-66,70.
[2] 张晓明.乘用车线控电子液压制动系统开发探讨[J].汽车科技,2024(1):91-96.
[3] 张军和.汽车线控制动技术及发展趋势探析[J].时代汽车,2021(7):24-25.
[4] 中国汽车工程学会.线控制动及线控转向系统技术路线图[M].北京:机械工业出版社,2023.
[5] 熊璐,李聪聪,卓桂荣,等.电子机械制动器构型及控制技术发展现状[J].汽车工程,2023,45(12):2187-2199,2250.
[6] 陆继军.纯电动汽车线控制动系统设计与控制研究[D].合肥:合肥工业大学,2021.
[7] 杨涛.面向自动驾驶的车辆线控制动系统功能安全研究[D].长春:吉林大学,2023.
[8] 杜康.自动驾驶冗余线控制动控制研究[D].秦皇岛:燕山大学,2023.
[9] 刘效平.汽车电子液压制动系统及其助力制动功能研究[D].聊城:聊城大学,2022.
[10] 熊喆.电子液压制动系统分层式压力控制方法研究[D].武汉:武汉理工大学,2019.
[11] 雍健羽,王洪亮,董金聪,等.轻型车辆线控制动技术研究现状及发展趋势综述[J].中国汽车,2022(11):16-22.
[12] BAUER U,BRAND M,MAUCHER T.Integrated Power Brake:Modular Set Extension for Highly Automated Driving[C]//8th International Munich Chassis Symposium 2017.Berlin:Springer,2017:693-710.
[13] 王博文.纯电动汽车线控制动与智能能量回收算法研究[D].合肥:合肥工业大学,2022.
[14] 陆继军.纯电动汽车线控制动系统设计与控制研究[D].合肥:合肥工业大学,2021.
[15] 崔立昂.商用车电子机械线控制动系统冗余控制研究[D].秦皇岛:燕山大学,2023.
[16] 赵立金,杨世春,曲婧瑶.电子机械制动系统关键技术研究进展[J/OL].北京航空航天大学学报:1-12[2024-07-24].https://doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0210.
