科普|漫谈新能源车制动系统技术路线

前言

近段时间，制动系统刹车失灵事件闹的沸沸扬扬，新能源车是否足够安全、又重新引发了公众的讨论。本文从新能源车与传统车制动系统的差异、新能源车制动系统的技术应用情况两个方面，对新能源车的制动系统进行解读，以便给读者理性看待制动系统相关的问题提供技术参考。

Q1

乘用车制动系统结构概述

无论是传统燃油车，还是新能源车，基础制动系统都由下述几种部件构成：

制动系统力的传递经历机械→液压→机械三个过程：1）来自驾驶员脚上的力首先由制动踏板放大、然后经助力器的二次放大作用，最后传递给主缸输入推杆；2）主缸输入推杆推动活塞将机械力转化为液压、液压经管路传递至制动卡钳、推动卡钳活塞；3）制动卡钳活塞推动摩擦片与旋转的制动盘贴合产出摩擦力、作用到车轮上就是制动力矩。

上图中，制动踏板和制动器对于新能源车与燃油车来讲不存在原理和应用上的差异，不同类型车辆间的主要差异集中在“助力器+主缸+ESP”模块。这里之所以将“助力器+主缸+ESP”放在一起是因为这3个模块在不同技术方案中的集成度不一样。

Q2

传统燃油车制动系统结构及

典型失效方式

传统燃油车的制动系统结构见下图：

图2：传统燃油车制动系统结构

“助力器+主缸”为一个总成，ESP为单独的模块。这里的“助力器”实际上是“真空助力器”，其原理为助力器内部被膜片分割为两个腔体：大气腔与真空腔。未制动时两腔都与真空源接通形成真空负压，踩下制动踏板后真空腔继续保持真空、大气腔与外界接通开始进气，两腔的压力差作用到膜片上形成真空助力(最终作用到主缸输入推杆上)，其助力大小与踏板的输入力成固定比例关系。真空源来自发动机、发动机端提供的真空有两种方式：一是发动机进气歧管进气过程形成的真空、二是由发动机曲轴带动机械真空泵抽真空。主缸带真空助力器总成的具体结构见下图。

图3：真空助力器结构

对于上述真空助力系统来讲，典型的失效方式有以下几种：

1） 制动踏板：制动踏板断裂是非常稀少及低级的失效模式(法规上也将该件定义成不易失效的零件)，踏板相关的故障主要是制动灯开关(BLS)失效。BLS失效对基础的液压制动没有影响，但是会影响ABS/TCS/VDC等电子制动功能、EMS与制动灯开关相关的逻辑判断，当然制动尾灯的点亮肯定也会受到影响；

2） 真空助力器：真空助力器失效的最严重结果就是无真空助力(助力器泄漏、真空管泄漏等)，给驾驶员的直观感受就是制动发硬。因为缺少真空助力作用、驾驶员需要施加比平时大几倍的力才能达到正常情况下的整车减速度。

3） 主缸：主缸的失效集中在泄漏和卡滞两种形式，前者会导致踏板行程变长变软、但整车无法建立正常的减速度；后者会直接导致制动踏板无法踩下。

4） ESP模块：制动灯开关、动力总成、轮速传感器、电源、CAN网络等故障都会影响ESP相关功能(ABS/TCS/VDC/HHC/AVH/HDC等)，但由于ESP的ABS/TCS/VDC功能只在车辆极限条件下才会介入，因此ESP功能的失效不会影响基础制动。即良好路面上轻/中度制动时影响不大，但重度制动时ABS失效、车轮容易抱死。这种情况下最危险的路况是低附着系数的冰雪路面或砂石路面，前后轮在制动或驱动时极易打滑失去控制。

5） 制动器：制动器的故障较多、尤其是制动NVH相关的抱怨，但真正严重影响行车安全的故障主要是卡钳的制动液泄漏及摩擦片的性能衰退。卡钳制动液泄漏与前述主缸泄漏类似，摩擦片的性能衰退以热衰退居多、衰退后制动效能下降、整车减速度远低于驾驶员预期，给驾驶员的感受就是刹不住车。

6） 其他：管路失效(泄漏)、轮速传感器失效、EPB失效等。

Q3

新能源车制动系统结构及

典型失效方式

首先需要明确的是，本文新能源车指的是具备纯电行驶能力的广义的新能源车，即除了纯电动车之外、还包含PHEV、HEV、以及支持短里程纯电行驶的48V车辆。由于图2中的真空助力器需要发动机提供真空、新能源车纯电行驶时发动机处于停机状态、因此新能源车无法继续使用这种依赖真空的系统。

3.1 电子真空泵方案

电子真空泵方案的逻辑是：既然纯电模式下发动机停机导致真空源失效，那就提供不依赖发动机的、能够独立抽真空的零件。其原理很简单，就是电机带动叶片旋转抽真空(也有柱塞式的，但应用不广)。因此电子真空泵方案在硬件层面是直接替代图2中的发动机或通过三通与发动机并行提供真空。根据“替代”还是“并行”的不同，电子真空泵分为独立泵(唯一真空来源、对硬件要求较高)和辅助泵。

图4：电子真空泵结构

这种方案的明显优点就是改动量小、非常适合同一平台上燃油车和新能源车制动系统的共用。这种方案的缺点也明显：

1） 电子真空泵因噪音、振动带来的布置问题；

2） 电子真空泵主流市场几乎被垄断、价格较高，其他厂家产品质量不稳定的问题；

3） 搭配的常规ESP主动建压能力较低、无法给能量回收、智能驾驶提供有力支持的问题；

4） 电子真空泵的失效或策略不合理导致真空助力失效或降低的问题。

因此，总体而言、电子真空泵方案实际上是一种低成本方案，从技术发展的趋势来看、这也是一种过渡方案。

3.2 电子助力器方案(Two Box)

随着新能源车的普及、以及智能驾驶技术的发展，制动系统与外界的交互越来越重要。新能源车的续航里程对能量回收提出了更高的要求，能量回收中的滑行回收与车辆低附上的稳定性有关系、制动回收需要制动系统来主导液压制动与电机回收制动间的协调；智能驾驶的发展对制动系统建压能力和响应也提出了更高的要求，同时自动驾驶的冗余设计也要求制动系统必须具备备份功能。因此，博世公司推出了不依赖真空的电子助力器的解决方案，即通常称呼的iBooster(实际上Conti等公司随后也推出了类似的产品、国际上标准称呼为eBooster，本文以博世的iBooster产品为例进行介绍)。

电子助力器结构上与真空助力器差异很大、但本质上还是仿真空助力器进行的设计，其与真空助力器的不同之处在于助力的提供是直接由内置的电机提供的。下图可以充分说明电子助力器的助力方式：电机旋转带动齿轮转动、降速增扭后最终通过蜗轮蜗杆将旋转运动转化为直线运动、最后与踏板上直接传递过来的力一起推动主缸输入推杆建立液压。主缸部分与传统真空助力器是完全一样的，决定助力器助力比大小的阀座与传统真空助力器的结构及原理也是基本一样的。由于这种方案中，助力器和ESP是两个独立的模块，业内称其为Two Box方案。

图5：博世iBooster结构

图6：Two Box制动系统结构(绿色部分表示信号交互)

关于iBooster助力的判断：ECU内部会存储一组或几组车辆开发过程中标定好的踏板感曲线(踏板行程VS减速度、踏板行程VS制动助力等)。驾驶员踩下制动踏板时、iBooster内部的行程传感器根据制动踏板踩下的位移推断出驾驶员的制动意图、进一步计算出目标助力大小，再综合考虑能量回收大小、ABS工作状态，得到iBooster电机执行的最终助力。

得益于iBooster强大的助力能力、电控化的半解耦控制方式、以及Two Box（iBooster与ESP）的天生双备份，该制动系统方案在能量回收及智能驾驶方面具有非常大的优势，这也是市场上iBooster能够快速推广的原因。截止目前，特斯拉全系、大众几乎所有的新能源车、本田雅阁全系(包含燃油车)、吉利领克新能源车全系、奔驰S级、蔚来、小鹏等一大批车型都使用了iBooster方案。

当然，该类系统也有一定的缺点：

一是制动踏板感会差于传统真空助力器系统，理论上电子助力器与传统真空助力器助力比的协调原理是一样的(都有橡胶反馈盘结构)，但实际上电子助力器的助力大小是经过了一系列计算与执行的过程，过程中传感器对信号的采集、控制器的计算、电机的执行都会产生一定的误差及延迟，再加上能量回收与液压制动间的协调、也会进一步增大控制的难度，这样的“模拟”过程毕竟没有传统真空助力器上的纯物理上的力的动态平衡来的“丝滑”。

二是不可避免的越是复杂的东西、故障的概率越是大。iBooster与外界的ESP、智能驾驶、动力系统都是强相关的，关联系统故障及CAN网络故障都可能会影响iBooster的助力功能。

3.3 One Box方案

On Box主要是针对Two Box来定义的，在博世开发iBooster+ESP的Two Box方案时，大陆公司也应主机厂的需求在开发另一种集成度更高的方案：将ESP与电子助力器集成为一个模块，就是俗称的One Box。(大陆的具体产品MK C1应用较广、本文以该产品为例进行说明) 

图7：one box方案

图8：大陆公司 MK C1

one box集成了制动助力和ESP功能，与two box的相同点是制动助力都靠电机提供，主要差异在于two box传递到主缸输入推杆上的力是驾驶员输入力和电机助力之和、并且两者之间的比例关系是一个机械平衡结果，而one box提供的制动力全部来自电机、没有叠加驾驶员提供的制动力。驾驶员通过制动踏板提供的力最终转化为液压被泄入one box内置的踏板感模拟器。踏板感模拟器实际上就是一个活塞弹簧机构，用于模拟制动踏板感、给驾驶员提供力及行程的反馈感受。one box助力过程可简单描述为：踏板产生的位移由传感器获得后输入给ECU、ECU计算驾驶员制动需求后驱动电机建立液压、液压通过ABS的进液阀进入4个轮缸、最终产生制动力。所以正常情况下踏板力与one box最终提供的制动力在机械上是解耦的。

图9：One Box控制原理简图

这样集成最明显的好处是零部件数量减少、体积重量减少。完全解耦的设计、理论上可以通过软件调校出任何想要的踏板力或行程对应的减速度关系，即踏板感很大程度上软件决定。缺点就是踏板上力的反馈与车轮隔离，驾驶员无法通过踏板感知车轮的状态，比如ABS工作时驾驶员无法通过踏板的振动来感知。参考two box的踏板感问题经验、完全解耦的one box的踏板感更是值得关注。另外，针对L3及以上等级的智能驾驶，one box需要外挂一个ESP模块作为冗余备份，这也是one box在高级智能驾驶上鸡肋的地方。

至于失效方面，two box在电子助力器失效后还可以由ESP主动建压进行制动，但one box在制动助力部分是没有备份系统的（除非外挂了低性能的ESP）。

总结 

上述two box及one box系统，国内外零部件供应商均有对应的产品，比如国外的博世、大陆、采埃孚(含天合)、日信、日立(含CBI)、摩比斯、爱德克斯等，国内也有万向、亚太、伯特利、格陆博、拿森、同驭等，技术理念大同小异、主要差异在于量产规模、产品成熟度。这些系统也不是新能源车专有、只要成本合适、在传统燃油车上照样能够应用，比如本田CRV全系就使用了博世的iBooster。

所以，回到问题的本源：并不是新能源车的制动系统不安全，而是新能源车普遍溢价、高昂的价格可以支持更多高新技术的应用，但反过来，功能越多、交互越多、系统越复杂，系统故障的概率也相应增大了。