◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

二、集成動力制動模塊化與自動駕駛

隨著車輛行駛穩(wěn)定程序系統(tǒng)(ESP)和安全帶、安全氣囊等被動安全系統(tǒng)的引入，駕駛安全性得到了提高，道路交通死亡和嚴(yán)重傷害的情況在過去幾十年中不斷減少。但由于人們對個人移動性的需求快速增加，這導(dǎo)致更高的交通密度，交通復(fù)雜性和對駕駛員的壓力越來越大。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，駕駛員仍然是事故的重要來源。為了進一步提高駕駛安全性，并將駕駛員從車輛引導(dǎo)的復(fù)雜任務(wù)中解放出來，幾乎所有的汽車制造商和零件供應(yīng)商都全力投入到自動駕駛(HAD)汽車的研發(fā)中。這些自動駕駛新技術(shù)與減少CO和提高能源效率的電氣化相同，將在未來幾年內(nèi)推向市場。至少在幾個特定環(huán)境的用例中，車輛應(yīng)該能夠在沒有人類駕駛員幫助或指導(dǎo)的情況下提供駕駛能力。

根據(jù)車輛具備的自動駕駛程度，美國汽車工程師協(xié)會(Society of Automotive Engineers，SAE)將其劃分為L0-L5的自動駕駛等級。如圖20所示。若用“眼、手、腳”三個方面來判斷車輛的自動駕駛程度，L0階段則需要駕駛員的“眼、手、腳”全部參與來操作汽車。隨著自動駕駛程度的提高，自動駕駛系統(tǒng)逐漸提供更多的駕駛輔助功能，進而能實現(xiàn)“脫腳”，“脫手”再到“脫眼”功能。

自動駕駛汽車技術(shù)架構(gòu)如圖21所示。在自動駕駛的子系統(tǒng)功能中，車輛制動系統(tǒng)擔(dān)任了重要的角色。尤其是新型制動系統(tǒng)需要為自動駕駛提供主動制動、能量回收和車輛穩(wěn)定性控制等功能，同時在L3級別以上的自動駕駛中，還對制動系統(tǒng)冗余備份功能提出了需求。

1.制動系統(tǒng)架構(gòu)新技術(shù)

通過動力傳動系統(tǒng)的電氣化和對優(yōu)化能源效率的需求，新的制動系統(tǒng)已被引入市場。除了傳統(tǒng)的真空伺服制動系統(tǒng)外，還有新的節(jié)能制動系統(tǒng)，如機電伺服制動助力器(例如iBooster)。值得一提的是，第一代iBooster能與ESP+主動蓄能器(Smart Actuator)組成3-Box方案，而第二代iBooster能與ESP配合組成2-Box方案,這兩種制動系統(tǒng)方案能實現(xiàn)車輛的主動制動、能量回收及車輛縱、橫向穩(wěn)定性控制等功能，但是也存在著結(jié)構(gòu)不夠緊湊，單個部件不能實現(xiàn)制動壓力解耦等缺點。2017年，博世又推出了基于1-Box構(gòu)型的集成式動力制動系統(tǒng)(Integrated Power Brake，IPB)，如圖22所示。該集成式動力制動系統(tǒng)把制動助力器、踏板感覺模擬器以及液壓調(diào)節(jié)單元都集成在一個單元中，能實現(xiàn)基礎(chǔ)制動助力、制動踏板力與制動液壓解耦和輪缸制動壓力單獨控制等功能。與博世IPB相似的制動系統(tǒng)還有大陸集團推出高度集成化的電控助力制動系統(tǒng)MK C1，圖23是MK C1在奧迪e-tron EV上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)原理圖。該套系統(tǒng)將電機、踏板感覺模擬器、雙腔制動主缸、電磁閥組成的液壓調(diào)節(jié)單元等裝置集成在一起，比傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)更加輕便，重量減輕30%。該系統(tǒng)建壓時間約為150ms，建壓時間縮短一倍以上，配備AEB功能的汽車有更加充足的時間對障礙物進行檢測和確認(rèn)。由于制動踏板和主缸沒有直接連接，為全解耦結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)100%的能量回收，應(yīng)用在電動汽車上可以回收更多的電能來增加續(xù)航里程。將MK C1及MK 100相結(jié)合可以實現(xiàn)制動冗余功能。在正常情況下，常規(guī)制動等功能由MK C1實現(xiàn)，制動液壓力由MK 100液壓制動擴展系統(tǒng)傳遞，MK 100系統(tǒng)具有自檢性，保證系統(tǒng)完全可用。當(dāng)主制動系統(tǒng)發(fā)生故障但閥體保持良好時，MK 100 HBE單元進入?yún)f(xié)同制動模式，制動液被壓入MK C1的電磁閥中，使得后輪產(chǎn)生制動力，這種功能保證了全自動駕駛制動系統(tǒng)的安全性。

2.集成式動力制動模塊(IPB)工作原理

如圖24所示，集成式動力制動模塊結(jié)構(gòu)由儲液壺、雙腔制動主缸、伺服缸、制動踏板、踏板感覺模擬器、永磁同步電機、隔離閥以及四組進、出液閥組成。在正常制動助力模式時：駕駛員踩下制動踏板，位移傳感器采集踏板位移信號，電控單元發(fā)出控制指令，隔離閥1、2、3、4、5均上電工作，此時隔離閥1、4關(guān)閉，隔離閥2、3、5打開，制動液流經(jīng)隔離閥5進入踏板感覺模擬器中，給予駕駛員合適的制動踏板腳感。然后電機開始轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減速增扭機構(gòu)推動伺服缸活塞建壓，制動液分別從隔離閥2、3流入四個輪缸中建立輪缸制動壓力。在正常制動助力模式下，隔離閥1、4上電關(guān)閉，阻斷了主缸和輪缸之間的液壓通路，同時利用被動式踏板感覺模擬器給駕駛員適宜的制動腳感，通過建立伺服缸壓力來完成輪缸建壓，這就達(dá)到了制動踏板力和輪缸制動壓力解耦的效果。同樣地，該構(gòu)型方案也具備失效備份模式，當(dāng)電控制動系統(tǒng)失效時，所有電磁閥均不通電，此時駕駛員踩下制動踏板，主缸中的制動液流經(jīng)隔離閥1、4進入四個制動輪缸中，靠人力在輪缸建立制動壓力，保證車輛具有一定的制動減速度。根據(jù)法規(guī)ECE R13-H要求，系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生不小于2.44m/s的制動減速度。

集成式動力制動模塊的液壓驅(qū)動單元中，使用高性能的永磁同步電機經(jīng)過減速傳動機構(gòu)將電機旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)化為輸出推桿柱塞的水平推力。減速傳動機構(gòu)采用了行星齒輪和絲杠螺母傳動，傳動結(jié)構(gòu)示意圖和行星齒輪實物圖如圖25所示。

行星齒輪傳動過程平穩(wěn)、傳動效率高，在保證較大傳動比的同時，可以大大減小傳動機構(gòu)體積尤其是縮小機構(gòu)的徑向尺寸，確保了整體構(gòu)型的緊湊性，便于實現(xiàn)制動系統(tǒng)的模塊集成。圖6中，電機輸出軸上的小齒輪是太陽輪，同時也是行星齒輪機構(gòu)中的主動件，行星架上有三個行星齒輪，外齒圈是固定不動的。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，經(jīng)過行星齒輪的減速增扭作用，行星架作為被動件輸出旋轉(zhuǎn)運動。行星架與絲杠軸連接，因此電機軸的旋轉(zhuǎn)運動便轉(zhuǎn)化為滑動螺母的直線運動，進而推動伺服缸活塞建壓。該制動系統(tǒng)構(gòu)型使用的是膜片彈簧式踏板感覺模擬器，相比于傳統(tǒng)的圓柱螺旋彈簧式踏板感覺模擬器，膜片彈簧式能大大減少結(jié)構(gòu)體積，便于將踏板感覺模擬器集成到液壓調(diào)節(jié)單元中，縮小了整個電控制動系統(tǒng)的體積。同時，通過使用多片剛度不同的膜片彈簧,對標(biāo)定參數(shù)進行更改，可以設(shè)計出踏板位移-減速度非線性曲線關(guān)系，從而得到和傳統(tǒng)真空制動助力器類似的制動腳感。

因制動踏板解耦，無需過多考慮主缸制動液量對踏板位移的影響，集成式動力制動模塊的主缸缸徑可比傳統(tǒng)制動主缸直徑小，失效備份模式下，相同踏板力下系統(tǒng)產(chǎn)生壓力較高。在制動系統(tǒng)匹配設(shè)計過程中，制動液體積(對應(yīng)主缸行程和缸徑)是一個需要著重注意的參數(shù)，設(shè)計時需要同時考慮如下因素：

(1)失效備份模式下需達(dá)到2.44m/s的制動減速度(涉及到踏板及基礎(chǔ)制動系統(tǒng)匹配)；

(2)車輛使用周期內(nèi)的系統(tǒng)變化(如摩擦片磨損，系統(tǒng)剛度變化，摩擦系數(shù)變化等)；

(3)傳感器測量誤差。

液壓調(diào)節(jié)單元中，電磁閥組可以分為兩類，一是負(fù)責(zé)液壓回路通斷的普通開關(guān)閥，如隔離閥1、2；二是負(fù)責(zé)壓力精確控制的線性電磁閥，四組進、出液電磁閥均為線性電磁閥。隔離閥在工作時，只需要保持打開或者關(guān)閉的狀態(tài)，因此使用普通開關(guān)閥即能滿足要求。線性電磁閥的特點是能通過控制線圈電流值的不同保持電磁閥維持在不同的閥口開度，在需要進行壓力精確控制的應(yīng)用工況，如車輛橫、縱向穩(wěn)定性控制和自動泊車等具有重要的意義。

3.高度自動駕駛對制動系統(tǒng)的要求

由車輛自動駕駛程度等級劃分可知，從輔助駕駛L1到完全自動駕駛L5，駕駛員一步一步地擺脫了責(zé)任。L2-L3的第一步是在特定的場景下(如泊車駕駛或公路駕駛)，駕駛員可以將駕駛的完整操作移交給自動化系統(tǒng)，但駕駛員必須仍然坐在駕駛座上，如果制動系統(tǒng)發(fā)生故障，則需要駕駛員隨時接管并在失效備份模式下將車?？吭诎踩貛?。

這是根據(jù)現(xiàn)有的法律要求(例如ECE R13-H)設(shè)計的“故障安全”模式。這意味著，制動系統(tǒng)中的故障是可以允許的，因為駕駛員是制動系統(tǒng)失效備份設(shè)計的一部分，駕駛員在任何時候都有責(zé)任和能力控制制動踏板。人力推動制動主缸液壓可以處理系統(tǒng)電氣故障，而不會失去調(diào)制減速的能力。從L3到L4/L5，系統(tǒng)要從“故障安全”制動到“故障操作”的制動系統(tǒng)架構(gòu)變化，駕駛員逐漸退出責(zé)任區(qū)域，且不必被要求坐在駕駛位。這樣，即使在故障發(fā)生時，也必須由車輛控制系統(tǒng)將車輛帶到到安全區(qū)域。對于制動系統(tǒng)來說，原來由駕駛員完成的操作，如何由車輛控制系統(tǒng)來完成，這就是對高級別自動駕駛對制動系統(tǒng)提出的新問題。

以駕駛員操作制動系統(tǒng)得到車輛“故障安全”糾錯的模型，推演得出對自動駕駛制動系統(tǒng)備份的功能和性能要求為：

(1)提供足夠制動力(制動減速度大于6.4m/s，覆蓋99%的制動工況)；

(2)達(dá)到6.4m/s減速的的時間不超過1.5s(考慮駕駛員反應(yīng)時間和執(zhí)行時間)；

(3)防抱死性能(使車輛維持轉(zhuǎn)向能力)，ESP失效時，自動駕駛系統(tǒng)需與人力操作實現(xiàn)的防抱死水平相當(dāng)對于縱向穩(wěn)定性，目前狀態(tài)下，ESP失效后，人力無法保證側(cè)向穩(wěn)定性，因此對自動駕駛系統(tǒng)也不做此要求。

通過對制動系統(tǒng)要求的分析，在高級別自動駕駛制動系統(tǒng)設(shè)計時，功能降級是最為棘手的問題，需要考慮制動冗余設(shè)計，即在主制動控制系統(tǒng)之外設(shè)置輔助制動系統(tǒng)。不僅如此，系統(tǒng)還需具備如系統(tǒng)狀態(tài)檢測，冗余控制，備份狀態(tài)和車輛穩(wěn)定性控制等拓展功能。

制動系統(tǒng)功能冗余是以電子架構(gòu)為基礎(chǔ)的。對于電子架構(gòu)還必須防止可能影響主制動系統(tǒng)和輔助制動系統(tǒng)的共因故障。對此的解決方案是將功能和可用性的分離，如圖26所示。

4.帶有冗余制動單元的IPB概念

對于高度自動化的駕駛功能的實施，集成式動力制動模塊(IPB)必須通過冗余制動單元(RBU)進行擴展，以保證車輛在所有單一故障條件下的主動減速、縱向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向能力。

由于RBU僅在主制動模塊(IPB)發(fā)生故障時才激活增壓，因此RBU在車輛使用期間的激活頻次非常低。因此，RBU與IPB的連接必須考慮表5中每項要求的重要性，使RBU對IPB功能和安全性的副作用應(yīng)該最小化。

圖27所示為IPB模塊擴展冗余制動單元(RBU)的合適解決方案。其主要優(yōu)點是：

(1)IPB核心功能不受影響，對IPB軟硬件的影響最?。?/p>

(2)從安全角度將IPB的副作用降至最低；

(3)能夠在四個車輪上施加液壓，以實現(xiàn)行車制動器性能；

(4)保證縱向車輛穩(wěn)定性，預(yù)防車輪抱死和轉(zhuǎn)向能力；

(5)隨時通過踏板檢測駕駛員接管；

(6)無需在IPB和RBU之間共享功能(網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性低)；

(7)防止混合平臺(帶和不帶HAD)中自動駐車制動器(APB)的不同架構(gòu)；

(8)適用于HAD和非HAD車輛的可擴展設(shè)計，工作量最小。

5.集成動力制動模塊化與自動駕駛

乘用車的制動系統(tǒng)與安全相關(guān)，因此用于高度自動駕駛的制動單元擴展必須安全、可控和可靠。制動單元擴展必須獨立于主制動單元，從而產(chǎn)生單獨的液壓單元，以滿足故障操作特性。如果主制動單元發(fā)生故障，該輔助制動單元必須接管駕駛員的角色和任務(wù)，以制動車輛。如果人類駕駛員必須以機械備份方式操作車輛和制動系統(tǒng)，則輔助單元必須能夠提供與駕駛員類似的功能范圍。盡管主制動單元的可用性很高，但輔助制動單元應(yīng)提供行車制動性能和車輛的縱向穩(wěn)定。但是，根據(jù)駕駛員的能力，建議高度自動化的駕駛功能應(yīng)調(diào)整其駕駛策略，以便在主制動單元發(fā)生故障時更具防御性和安全性。集成動力制動系統(tǒng)(IPB)的擴展產(chǎn)生了冗余制動單元(RBU)，要連接IPB和RBU，需要額外的液壓制動管。通常，RBU僅在非常罕見的IPB單元出現(xiàn)故障時才處于活動狀態(tài)。因此，RBU不應(yīng)該影響IPB的功能或安全性。上述帶有冗余制動單元的IPB概念，RBU方法顯示了對IPB的功能和安全性的最小副作用。在模塊化套件的設(shè)計和差異中進一步考慮了將RBU與IPB連接的附加端口。

經(jīng)常討論將RBU進一步集成到IPB中。但是，IPB的所有組件都無法實現(xiàn)冗余的獨立性(例如，齒輪或密封件導(dǎo)致IPB系統(tǒng)發(fā)生泄露)，因此當(dāng)集成到一個盒子中時，單個故障可能會影響冗余的路徑，并最終導(dǎo)致高度自動化車輛的制動能力完全喪失。從今天的角度來看，這些組件的可靠性，無法以冗余方式實現(xiàn)。所以在進行潛在的下一步集成之前，有必要根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)確定有關(guān)這些潛在常見原因故障組件可靠性的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，以確保符合高度自動駕駛功能的ASIL-D要求(ASIL表示汽車安全性等級。這是ISO26262標(biāo)準(zhǔn)針對道路車輛的功能安全性定義的風(fēng)險分類系統(tǒng),ASILD則代表最高程度的汽車危險)。