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智能底盘技术(2)：汽车制动系统的发展概述

智能车情报局 · 公众号 · · 2023-02-19 12:13

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导读：

本文是焉知智能汽车出品的智能底盘技术系列的第二篇。第一篇为《智能底盘系列 01 | 综述：智能底盘的昨天今天明天》。

自汽车诞生以来，车辆制动系统就始终在实现汽车流畅操控、保障汽车安全等功能中起着决定性的作用。而制动系统本身也随着工业技术的变革和汽车行业的发展持续进化。

根据制动场景的区别，制动系统可以分为以下两类：

行车制动
驻车制动

行车制动与驻车制动的发展路线，图片来自东吴证券

本文将对这两类制动系统的发展历程进行总结，为读者提供一个鸟瞰视角，同时为后续文章展开制动系统的主流产品工作原理以及在智能驾驶中的应用等主题打下基础。

行车制动系统的发展

行车制动系统一般由制动传动装置和制动器组成。其中制动传动装置包括将制动能量传输到制动器的各个部件及管路，如制动踏板、制动主缸、轮缸及连接管路。制动器是产生阻碍车辆运动或者运动趋势的力的部件，一般通过固定元件与旋转元件工作表面之间的摩擦作用来实现。

典型的行车制动系统，图片来自Al-Jazirah

该系列文章聚焦于乘用车，而乘用车行车制动系统的发展可以概况为三个时期：

液压制动时期
机电+液压融合制动时期
线控制动时期

1.1. 液压制动时期

最原始的制动系统是通过驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器直接施加作用力，初期车辆质量比较小，速度比较低，机械制动能够满足车辆制动的需要。

随着车辆越来越重，机械制动已经无法满足基础制动需求；再加上科学技术的发展及汽车工业的发展，让车辆制动系统设计有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。

Duesenberg Eight车率先使用了轿车液压制动器，克莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世。通用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术，随着几代的产品升级，液压助力制动系统逐渐成为主流。

一般乘用车的液压制动系统由以下部分组成。

制动踏板
真空助力器
制动液
制动油管
制动主缸
制动轮缸
车轮制动器（盘式制动器或鼓式制动器）

以下所示盘式制动器为例，驾驶员踩下制动踏板，由于杠杆作用，踏板力经过第一级放大传递到真空助力器；真空助力器经过第二级放大将制动力传递到主缸；主缸的制动液被推入轮缸并在压强的作用下产生更大的制动力，推动轮端卡钳加紧刹车盘阻碍刹车盘转动，从而实现制动。

液压制动系统工作原理图

由于兼顾可靠性与成本，时至今日很多入门级家用轿车依旧使用以真空助力泵为制动辅助的液压制动系统。

1.2.机电+液压融合制动时期

随着汽车工业的发展，汽车最高车速逐年提高，交通事故的伤害程度也越来越大，因此行业在提高制动系统的制动性能的同时，也对提高安全性展开了探索。

实际上自20世纪30年代起，汽车行业开始对制动防抱死系统 (Anti-lock Brake System, ABS)进行了研究，但是受限于当时的技术水平，一直没有可以量产的方案。直到70年代后期，数字电子计算机技术的发展和液压控制技术的进步给ABS系统带来了革命性的影响。德国博世公司推出基于液压控制的ABS，控制效果相当理想，博世也与1978年正式量产。在这以后，Bosch、ITT Automotive、Kelesy-Hayes、Wabco等许多公司不断加强对ABS的研究，各种新型的ABS层出不穷，性能不断优化而价格逐渐降低，使越来越多的轿车将ABS作为标准配置。

ABS的优越性表现在如下的几个方面：

能有效地利用轮胎与路面间的附着能力，缩短制动距离，尤其是在冰雪路面上可缩短10%-15%；
制动过程中，车轮仍然可以滚动，保持了前轮的可操纵性，防止后轮的侧滑，维持了行车方向的稳定性；
由于制动防抱，车轮不会抱死拖滑，减少了轮胎的磨损，可以提高轮胎的使用寿命，减少空气中的污染

不过ABS也有局限性。首当其冲的便是ABS激活的前提是驾驶员踩制动引起车轮有抱死倾向，这意味着ABS在驱动工况下（如冰面加速起步打滑）的稳定性控制就束手无策了。为解决这驱动工况的稳定性问题，1986年，博世公司推出了牵引力控制系统TCS，并将制动防抱死系统和牵引力控制系统集成到一起并应用于梅塞德斯S级轿车上，这标志着ABS/TCS集成时代的来临。

由于ABS只在制动时起作用，TCS只在驱动时起作用，因此ABS/TCS的集成只能解决车辆纵向稳定性问题，无法解决车辆驱动和制动转向、高速转向等极端工况下引起的侧向稳定性问题。博世公司于1992年在 ABS/TCS的基础上开发了旨在解决车辆侧向稳定性问题的第一代稳定性控制系统VDC，并将同时集成了ABS/TCS和VDC功能的产品命名为ESP (Electronic Stability Program) 。

博世ESP的诞生是汽车发展史上划时代的产品，1995年ESP系统实现批量生产，并首次应用在奔驰S级轿车上。后面其他厂家也陆续推出类似产品但是无法继续使用ESP这个简称，因此命名五花八门，不过都统称为电子稳定性控制系统ESC（Electric Stability Controller）。研究表明，VDC功能可以减少80%由侧滑引起的交通事故，并将严重车祸的数量减少50%。因此继承了VDC功能的ESC被多家世界著名汽车厂商和研究机构称之为“能拯救生命的ESC”。

VDC控制系统的关键组成部分

1.3. 线控制动时期

线控技术源于飞机控制系统，它将飞机驾驶员的操纵命令转换成电信号，通过电缆直接传输到自主式舵机。线控技术最大的优势是响应精准迅速，但是缺点是对大量的电子电气部件替代了传统的机械部件，可靠性受到挑战，需要相对高昂的成本来降低线控系统的故障率。也正是基于这一点，虽然汽车行业早在20年代末就对线控技术的应用进行了探索，但是没有大规模量产。

新能源汽车尤其是纯电动汽车的发展给线控技术在汽车上的普及带来了转机。由于发动机被电机代替，依赖发动机产生真空源的真空助力器的使用受到了限制。另一方面，由于驱动电池的存在，传统的制动系统通过摩擦将动能转化为热能消耗掉的方式显得很不节能，制动系统需要探索将动能转化成化学能存储于电池中以便对能源进行循环利用的方式。

在这样的趋势之下，作为底盘线控技术的全球领先企业，德国博世经过深入的研究开发，推出了新一代制动助力产品：智能助力器iBooster 。

iBooster不依赖真空源，取代了传统的真空泵和真空软管，体积更小，整个制动系统重量更轻，无需消耗能量建立真空源，仅在制动时消耗电量，同时可以进行能量回收，从而达到节能减碳的目的，适用于所有动力总成，包括混动和电动车，更加符合未来发展趋势，因此受到了中高档车型的青睐，市场份额越来越高。

另一方面，线控技术响应精准迅速的优势得以延续。iBooster利用传感器感知驾驶者踩下制动踏板的力度和速度，并将信号处理之后传给电控单元，电控单元控制助力电机对应的扭距，在机电放大机构的驱动下，推动制动泵工作，从而实现电控制动，响应速度更快并且能够精准的控制压力。

博世第二代iBooster

在博世以后，国内外市场上又涌现出了新的智能助力器厂家，主流的有大陆、采埃孚和中国拿森，各个厂家命名不一，但统称为eBooster。

目前主流的中高档新能源汽车很多搭载“eBooster+ ESC”的组合，也被称为“Two-box”方案，分别实现基础制动功能和稳定性功能，为进一步降低成本，一种集成基础制动功能和稳定性功能于一身的“One-box”方案开始受到主机厂的青睐。

“One-box”方案相比eBooster的另一优势是踏板解耦，驾驶员的踏板力不作用于主缸，踏板感通过模拟器实现，而制动力由伺服电机实现，因此踏板感调节的自由度更大。当前市场上“One-box”主流产品为博世最新一代 IPB、大陆 MK C1、伯特利WCBS等。

在今天汽车电动化和智能化的浪潮之下，随着辅助驾驶系统（如ACC、AEB等）的日益普及和自动驾驶系统的逐步落地，衍生出了越来越丰富的智能化场景的新需求。在这一浪潮的驱动下，汽车对制动系统也提出了更高的要求，如何保障自动驾驶系统的安全是首要课题。

功能安全要求当E/E系统出现故障时，车辆需要能够及时进入安全状态，以避免不合理的会造成人身伤害的风险，这要求自动驾驶系统需要冗余设计，才能在解放驾驶员的同时保证出现单一故障时系统仍能够接管直至进入安全状态。制动系统冗余为实现这一要求至关重要。

综上可以看出，线控制动系统在汽车电动化和智能化的浪潮之下将有更加广阔的舞台可以发挥，同时线控制动系统自身需要不断进化以适应新时代的要求。

驻车制动的发展

驻车制动的发展轨迹和行车制动有相似之处，即由传统的机械系统向机电系统的转变。

传统的机械手刹由制动杆、拉线、制动机构以及回位弹簧组成。制动杆通过杠杆原理，使得驾驶员用很小的拉力就能将其拉到固定位置，然后通过锁止牙进行锁止驻车。

智能底盘技术(2)：汽车制动系统的发展概述

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