張世英，敖勇強(qiáng)，杜晶晶，高文杰，范武

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

傳統(tǒng)的真空助力器需要車輛發(fā)動(dòng)機(jī)提供真空源，并且助力部分只能被動(dòng)由駕駛員通過(guò)踩制動(dòng)踏板來(lái)實(shí)現(xiàn)，助力的大小無(wú)法調(diào)節(jié)。電動(dòng)車無(wú)直接真空源，并且電機(jī)在制動(dòng)工況下可以通過(guò)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)及能量回收，電動(dòng)車在智能駕駛方面需求更高的對(duì)智能化的縱向控制，L3級(jí)別及以上的自動(dòng)駕駛技術(shù)需要提供制動(dòng)系統(tǒng)備份，保證主系統(tǒng)失效的情況下，備份系統(tǒng)可以產(chǎn)生滿足法規(guī)要求的制動(dòng)力。電子助力器能主動(dòng)提供制動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)剎車，配合ESP 系統(tǒng)相互備份；助力部分大小可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)大減速度下的制動(dòng)能量回收并保持踏板感不變。電子助力器能提供的服務(wù)更多更強(qiáng)大，使得電子助力器與傳統(tǒng)助力器在整車上對(duì)制動(dòng)性能的貢獻(xiàn)有比較大的區(qū)別，本文就兩種助力器之間的相關(guān)差異和電子助力器的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)的研究和探討。

1 制動(dòng)系統(tǒng)工作原理和助力器工作概要

1.1 制動(dòng)系統(tǒng)工作鏈

如圖1 所示，駕駛員在制動(dòng)踏板上施加制動(dòng)力，制動(dòng)力通過(guò)踏板杠桿比按比例放大，通過(guò)助力單元進(jìn)一步放大，制動(dòng)力在主缸中轉(zhuǎn)化成液壓力，主缸的液壓通過(guò)制動(dòng)硬管和軟管傳遞到卡鉗輪缸，輪缸液壓力頂出活塞使摩擦片與制動(dòng)盤接觸產(chǎn)生制動(dòng)力矩，進(jìn)而使車輛減速或者保持靜止?fàn)顟B(tài)[1]。

圖1 傳統(tǒng)助力器制動(dòng)系統(tǒng)工作簡(jiǎn)圖

1.2 電子助力器功能描述

電子助力器可以由踏板行程觸發(fā)電機(jī)工作，輸出制動(dòng)力，其結(jié)果表現(xiàn)形式與傳統(tǒng)助力器類似，如圖2（a）所示；但是電子助力器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為主動(dòng)制動(dòng)提供了可行性，在更高級(jí)級(jí)別的智能駕駛工況下，可以聯(lián)合汽車上的其他傳感器，自動(dòng)觸發(fā)電子助力器的電機(jī)工作，產(chǎn)生制動(dòng)力，如圖2（b）所示，該功能可以與ESP 的主動(dòng)制動(dòng)功能相互備份，當(dāng)一套系統(tǒng)失效時(shí)，另外一套系統(tǒng)直接接管，保證制動(dòng)的可靠性，進(jìn)而支持更高級(jí)別的智能駕駛功能。

圖2 電子助力器制動(dòng)系統(tǒng)工作簡(jiǎn)圖

1.3 電子助力器與真空助力器工作過(guò)程對(duì)比

如圖3（a）所示，針對(duì)傳統(tǒng)真空助力器，踩下制動(dòng)踏板后真空助力器在踏板行程到達(dá)一定位置后，空氣閥打開產(chǎn)生固定的助力值，該值取決于反饋盤和推桿的直徑的比例，當(dāng)然也受助力器中彈簧力的大小影響[1]。

如圖3（b）所示，針對(duì)電子助力器，踩下制動(dòng)踏板后電子助力器通過(guò)行程傳感器的數(shù)值產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的助力值，該值可通過(guò)標(biāo)定來(lái)調(diào)節(jié)大，踏板力的大小通過(guò)一系列的彈簧等模擬器來(lái)實(shí)現(xiàn)，不直接由助力器的反饋力實(shí)現(xiàn)，這也是電子助力器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)協(xié)調(diào)能量回收并且踏板力仍保持線性的原因。

圖3 助力器工作原理簡(jiǎn)圖

1.4 電子助力器參與的制動(dòng)能量回收協(xié)調(diào)原理

如圖4 所示：Fpedal踏板+Fbooster電機(jī)=Fspring彈簧+Fhydraulic液壓

圖4 助力器輸入輸出示意圖

如果沒(méi)有能量回收，如圖5（a）所示，踏板力預(yù)先設(shè)置后，主缸液壓力主要由電機(jī)助力產(chǎn)生，但是踏板力保證與預(yù)設(shè)值一致。

當(dāng)帶制動(dòng)能量回收后，如圖5（b）所示，通過(guò)控制電子助力器的助力部分，可以保證踏板力不隨主缸壓力變化而變化。

圖5 制動(dòng)示意圖

電子助力器與電子助力器提供的制動(dòng)能量回收是電動(dòng)車混合能量回收的一部分，當(dāng)駕駛員、自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)或動(dòng)力系統(tǒng)請(qǐng)求制動(dòng)力矩，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)就開始工作。制動(dòng)能量回收的策略是：協(xié)調(diào)用于回收的制動(dòng)力矩與摩擦制動(dòng)力矩,使得力矩總量等于駕駛員、自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)或動(dòng)力系統(tǒng)等需求的制動(dòng)扭矩，通過(guò)協(xié)調(diào)摩擦制動(dòng)力矩和能量回收制動(dòng)力矩不使駕駛員明顯感覺(jué)到踏板行程和踏板力的變化，同時(shí)制動(dòng)減速度滿足期望值。制動(dòng)應(yīng)用和控制系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車采用盡可能多的制動(dòng)能量回收策略來(lái)延長(zhǎng)駕駛里程并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 制動(dòng)性能差異

2.1 制動(dòng)踏板感

制動(dòng)踏板感是踏板操作（踏板力和踏板行程）與減速度之間的關(guān)系，是制動(dòng)系統(tǒng)零部件集成在整車上的綜合表現(xiàn)，是制動(dòng)性能的重要組成部分，也是顧客和媒體及測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)。制動(dòng)踏板感的好壞直接影響顧客駕乘體驗(yàn)和駕駛信心，制動(dòng)踏板感一般分為舒適踏板感和運(yùn)動(dòng)踏板感，主要區(qū)別是舒適踏板感強(qiáng)調(diào)線性和輕便性，運(yùn)動(dòng)踏板感要求制動(dòng)響應(yīng)迅速，給駕駛員的反饋感強(qiáng)，但是兩者要求的制動(dòng)信心度是一致的，不能讓駕駛員有“剎不住”的感覺(jué)。本文下面只從助力部分展開不同助力器對(duì)踏板感調(diào)教的影響分析。

2.1.1 傳統(tǒng)助力器制動(dòng)系統(tǒng)

在硬件選型階段通過(guò)助力器的助力比、初始力、起跳值、拐點(diǎn)值、主缸缸徑來(lái)達(dá)到需要的踏板感曲線。硬件選型結(jié)束之后，如調(diào)整踏板感則需要通過(guò)更改硬件，開發(fā)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，需反復(fù)更換零件，其對(duì)應(yīng)的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 助力器各零部件參數(shù)耦合關(guān)系

2.1.2 電子助力器制動(dòng)系統(tǒng)

在硬件選型階段與傳統(tǒng)助力器相似，但在硬件選型結(jié)束后仍可通過(guò)軟件來(lái)調(diào)整踏板曲線從而達(dá)到需要的踏板感，如圖6 所示，圖中綠色曲線代表標(biāo)準(zhǔn)值，綠色曲線上下兩條曲線分別代表了運(yùn)動(dòng)型與舒適型踏板感，電子助力其可以根據(jù)不同的車型定位來(lái)設(shè)置軟件參數(shù)，或者同一車型的不同駕駛模式，通過(guò)設(shè)置軟件參數(shù)，讓駕駛員感受到不同的制動(dòng)踏板感覺(jué)，其上下調(diào)整相對(duì)于傳統(tǒng)的助力器開發(fā)，開發(fā)時(shí)間周期短，費(fèi)用低。

圖6 電子助力器軟件參數(shù)調(diào)整范圍示意圖

2.1.3 制動(dòng)熱衰退

連續(xù)制動(dòng)過(guò)程中由于制動(dòng)盤和摩擦片高溫導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低以及連續(xù)制動(dòng)后真空度不足導(dǎo)致的助力變小，從而使制動(dòng)距離變長(zhǎng)以及踏板行程變長(zhǎng)甚至制動(dòng)踏板直接觸底的駕駛工況[2]。

2.2 制動(dòng)熱衰退

2.2.1 傳統(tǒng)助力器制動(dòng)系統(tǒng)的熱衰退

傳統(tǒng)助力器制動(dòng)系統(tǒng)可能受發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性影響，導(dǎo)致真空源提供的真空度不足，從而使助力拐點(diǎn)降低，更容易導(dǎo)致連續(xù)制動(dòng)后制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)力小于地面制動(dòng)力的情況，從而使輪胎無(wú)法充分發(fā)揮出最大的附著力，進(jìn)而導(dǎo)致制動(dòng)距離增加。

2.2.2 電子助力器制動(dòng)系統(tǒng)的熱衰退

電子助力器無(wú)需真空源，在連續(xù)制動(dòng)后拐點(diǎn)不變。但電子助力器在熱衰退后由于效能的降低使得在相同的踏板行程下產(chǎn)生的助力大小仍與衰退前一樣，導(dǎo)致制動(dòng)熱衰退后的踏板感偏軟引起制動(dòng)信心缺失，這點(diǎn)在開發(fā)階段需充分驗(yàn)證。

2.3 制動(dòng)距離

特定車速下快速踩踏板，制動(dòng)開始時(shí)到車輛停止時(shí)經(jīng)過(guò)的距離[2]。

傳統(tǒng)助力器從駕駛員制動(dòng)踏板開始到達(dá)到最大制動(dòng)力系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間約為0.2 s[2]，電子制動(dòng)器有更快的反應(yīng)時(shí)間約0.1 s，以百公里制動(dòng)距離為例，在其他制動(dòng)部件相同的條件下，電子助力器能縮短約2.7 m的制度距離。

2.4 制動(dòng)NVH

典型的制動(dòng)噪音有高頻的Squeal，低頻groan、moan、rattle，電機(jī)工作時(shí)的噪音，電機(jī)工作時(shí)反饋在踏板上的振動(dòng)，以及制動(dòng)抖動(dòng)。

電動(dòng)車使用電子助力器，0.3 g 以下的制動(dòng)能量回收過(guò)程中制動(dòng)器基本不提供減速度，而顧客使用的制動(dòng)工況95 %都在0.3 g 以下。圖7 展示了某車型黃山噪音試驗(yàn)工況，不帶能量回收時(shí)制動(dòng)盤持續(xù)保持在高溫狀態(tài)，最高能達(dá)300 ℃，帶能量回收后制動(dòng)盤溫度基本在100 ℃以下。

圖7 能量回收與無(wú)能量回收制動(dòng)盤溫度差異

使用電子助力器的制動(dòng)系統(tǒng)由于液壓制動(dòng)參與較少，制動(dòng)器高溫產(chǎn)生極少，相對(duì)使用真空助力器的制動(dòng)系統(tǒng)，摩擦片的工作環(huán)境更穩(wěn)定，產(chǎn)生Squeal 噪音的幾率大大降低；同時(shí)也要注意到由于制動(dòng)器不經(jīng)常被高強(qiáng)度使用，制動(dòng)器的除銹能力相對(duì)降低，產(chǎn)生制動(dòng)抖動(dòng)的幾率增加；電子助力制動(dòng)系統(tǒng)直接與制動(dòng)踏板連接，工作時(shí)產(chǎn)生的噪音很容易被駕駛員感知到，振動(dòng)也容易傳遞到制動(dòng)踏板上；對(duì)于低頻的噪音，傳統(tǒng)助力器與真空助力器無(wú)明顯差異。

2.5 制動(dòng)能量回收

傳統(tǒng)助力器無(wú)法發(fā)揮踏板力的協(xié)調(diào)作用，只能由電機(jī)設(shè)定固定的回收扭矩產(chǎn)生恒定的減速度，該值一般設(shè)定在0.1 g 以下，設(shè)定過(guò)大影響駕乘體驗(yàn)，回收能量有限。

電子助力器在更大范圍的制動(dòng)強(qiáng)度下能使電機(jī)回收能量更多，如圖8 所示，在中等制動(dòng)強(qiáng)度下完全由電機(jī)提供扭矩，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度加大時(shí)，非驅(qū)動(dòng)軸的液壓制動(dòng)提供部分扭矩，近一步加大制動(dòng)強(qiáng)度后驅(qū)動(dòng)軸的液壓再提供指導(dǎo)扭矩，由于電子助力器可以精確協(xié)調(diào)液壓制動(dòng)介入的時(shí)機(jī)，使制動(dòng)力矩非常平順，同時(shí)電子助力器的踏板感由模擬器反饋，所以可以保證駕駛?cè)藢?duì)液壓制動(dòng)的介入“毫無(wú)感知”。

圖8 能量回收扭矩與制動(dòng)液壓補(bǔ)償扭矩介入順序示意圖

3 電動(dòng)車電子助力器在開發(fā)過(guò)程中的問(wèn)題

3.1 制動(dòng)踏板感的協(xié)調(diào)性的標(biāo)定

電子助力器制動(dòng)過(guò)程中需要液壓和電機(jī)的扭矩協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性直接影響踏板感的體驗(yàn)，該部分需要與電機(jī)聯(lián)合標(biāo)定，制動(dòng)系統(tǒng)的變化也將影響液壓扭矩執(zhí)行的準(zhǔn)確性，理想情況下，制動(dòng)液壓產(chǎn)生的扭矩與電機(jī)扭矩相互協(xié)調(diào)，產(chǎn)生理想的制動(dòng)需求扭矩，如圖9（a）所示；而現(xiàn)實(shí)情況是：由于制動(dòng)系統(tǒng)各零部件的一致性及傳感器的精度等都對(duì)制動(dòng)液壓力矩與電機(jī)扭矩的協(xié)調(diào)有影響，實(shí)際的制動(dòng)輸出扭矩有一定的波動(dòng)，如圖9（b）所示，所以，需要整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)需要聯(lián)合電機(jī)進(jìn)行反復(fù)的標(biāo)定和驗(yàn)證，以提高系統(tǒng)的魯棒性。以下因素對(duì)電子助力器執(zhí)行的扭矩影響較大：

圖9 液壓補(bǔ)償曲線

1）摩擦系數(shù)的變化，不同溫度和磨合程度對(duì)摩擦片摩擦系數(shù)有較大影響；

2）液壓傳感器測(cè)試管路壓力與系統(tǒng)預(yù)估管路壓力的精準(zhǔn)度；

3）實(shí)際電子助力器電機(jī)執(zhí)行的精準(zhǔn)度；

4）電機(jī)回收響應(yīng)的快慢及響應(yīng)的準(zhǔn)確性。

3.2 整車踏板感一致性的保證

制動(dòng)能量回收需要其他零件的參與度更高，與電控單元及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)關(guān)聯(lián)更緊密，影響因素更多，保證一致性的難度加大。如卡鉗的需液量的差異導(dǎo)致電子助力器產(chǎn)生的助力不一致，電機(jī)制造差異導(dǎo)致回收扭矩的不一致，這些干擾因素都需要在制動(dòng)系統(tǒng)匹配時(shí)做好相應(yīng)的對(duì)策。

4 電子助力器的優(yōu)勢(shì)

電子助力器的助力比和初始力都可通過(guò)軟件調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)在相同的硬件上調(diào)出不同風(fēng)格的踏板感，滿足顧客多樣化的需求；也可以實(shí)現(xiàn)相同硬件在不同車型上實(shí)現(xiàn)不同踏板感，減少硬件開發(fā)的數(shù)量；相比于傳統(tǒng)助力器，電子助力器實(shí)現(xiàn)更短的建壓時(shí)間和更大的建壓能量，在AEB 功能中表現(xiàn)更優(yōu)；為L(zhǎng)3 級(jí)別及以上自動(dòng)駕駛提供制動(dòng)備份功能，滿足法規(guī)；在售后階段可以通過(guò)更新軟件實(shí)現(xiàn)踏板感的調(diào)整，更好滿足顧客的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

電子助力器對(duì)電動(dòng)車而言是及其重要的組成部分，在自動(dòng)駕駛技術(shù)中是車輛縱向控制和執(zhí)行的靈魂所在，同樣也是顧客駕駛體驗(yàn)中的重要一環(huán)。隨著國(guó)家碳達(dá)峰及碳中和目標(biāo)的確定，電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)必將進(jìn)入新紀(jì)元，電動(dòng)車的功能也更偏向于智能化和科技化，電子助力不是制動(dòng)系統(tǒng)演化的終點(diǎn)，其會(huì)繼續(xù)沿著集成化更高，功能更加豐富多元化的方向繼續(xù)發(fā)展。