線控制動從真空助力器延伸開來,用一個電機(jī)來代替真空助力器推動主缸活塞。由于汽車底盤空間狹小,電機(jī)的體積必須很小,同時(shí)要有一套高效的減速裝置,將電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換為強(qiáng)大的直線推力。如何做到常規(guī)的線控制動?這得從真空助力器說起。 最后我們認(rèn)為EMB很難商業(yè)化,除非永磁材料有重大突破,居里溫度點(diǎn)大幅度提高到1000攝氏度,不過這種材料從理論上來說是不可能出現(xiàn)的。所以未來十年內(nèi),電液線控系統(tǒng)可能會是唯一的選擇。
前段時(shí)間,本公眾號發(fā)文簡單介紹了線控制動的基本概念,而對于如何做到常規(guī)的線控制動,這得從真空助力器說起。
單單踏板的杠桿并不足以推動主缸活塞較大的行程,因?yàn)閯x車油是非常黏性的液體,與主缸缸壁之間的摩擦力很大,需要的推力很大,為此人類使用了真空助力器,真空助力器一般位于制動踏板與制動主缸之間,為便于安裝,通常與主缸合成一個組件,主缸的一部分深入到真空助力器殼體內(nèi)。
真空助力器是一個直徑較大的腔體,內(nèi)部有一個中部裝有推桿的膜片(或活塞),將腔體隔成兩部份,一部份與大氣相通,另一部份通過管道與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管相連。它是利用發(fā)動機(jī)工作時(shí)吸入空氣這一原理,造成助力器的一側(cè)真空,相對于另一側(cè)正常空氣壓力的壓力差,利用這壓力差來加強(qiáng)制動推力。如果膜片兩邊有即使很小的壓力差,由于膜片的面積很大,仍可以產(chǎn)生很大的推力推動膜片向壓力小的一端運(yùn)動。
真空助力系統(tǒng),是在制動時(shí),也同時(shí)控制進(jìn)入助力器的真空,使膜片移動,并通過聯(lián)運(yùn)裝置利用膜片上的推桿協(xié)助人力去踩動和推動制動踏板。需要注意推力來自壓力差,而非真空。電動車和混合動力車不能依賴內(nèi)燃機(jī)取得真空,需要用電子真空泵。真空助力器會減少一部分發(fā)動機(jī)效率,所以近來有些油車上也使用電子真空助力器,用電機(jī)制造真空。
線控制動正是從真空助力器延伸開來,用一個電機(jī)來代替真空助力器推動主缸活塞。由于汽車底盤空間狹小,電機(jī)的體積必須很小,同時(shí)要有一套高效的減速裝置,將電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換為強(qiáng)大的直線推力。這其中的關(guān)鍵因素就是電機(jī)主軸,日本是此領(lǐng)域的霸主。
在電機(jī)技術(shù)不夠先進(jìn)的1999年前,人們只得放棄這種直接推動主缸的思路。轉(zhuǎn)而使用高壓蓄能器。這就是奔馳的SBC、豐田的EBC系統(tǒng)、天合的SCB,這套系統(tǒng)利用電機(jī)建立液壓,然后將高壓剎車油儲存在高壓蓄能器中,需要剎車時(shí)釋放。這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,液壓管路眾多,成本高昂,可靠性不高。奔馳曾經(jīng)大規(guī)模召回過SBC系統(tǒng),豐田也曾經(jīng)召回過EBC系統(tǒng),奔馳今天已經(jīng)幾乎不用SBC系統(tǒng)。而豐田從2000年一直用到現(xiàn)在。通用和福特的混動車上則全部使用天合的SCB。
由于成本過高,從2007年起,EVP電子真空泵開始在電動車或混動車上取代這種高壓蓄能器設(shè)計(jì),EVP極為簡單,就是將油車的真空助力換位電子真空泵獲得真空。但缺點(diǎn)也非常明顯,首先它幾乎沒有任何能量回收,其次,剎車時(shí)會發(fā)出刺耳的噪音。最重要,它必須人力首先踩下制動踏板,也就是說它并非線控制動,而是機(jī)械制動。優(yōu)點(diǎn)也很明顯,首先是成本很低,再者是設(shè)計(jì)異常簡單,油車的底盤幾乎不做絲毫改動就可以用來做混動車,這對中國企業(yè)來說非常重要,中國企業(yè)缺乏自主設(shè)計(jì)底盤能力。
隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,日立旗下的東機(jī)特工在2009年首次推出電液線控制動系統(tǒng)E-ACT。除豐田外,大部分日系混動或純電車都采用這種設(shè)計(jì),最典型的就是日產(chǎn)Leaf。 說起來很簡單,用直流無刷超高速電機(jī)配合滾珠絲杠直接推動主缸活塞達(dá)到電液線控制動,這套方案對滾珠絲杠的加工精度要求很高。傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間大約400-600毫秒,電液線控制動大約為120-150毫秒,安全性能大幅度提高。百公里時(shí)速剎車大約最少可縮短9米以上的距離。同時(shí)用在混動和電動車上,可以回收幾乎99%的剎車摩擦能量。電液線控制動系統(tǒng)E-ACT是目前公認(rèn)最好的制動方式,為了保證系統(tǒng)的可靠性,這套制動系統(tǒng)一般都需要加入ESP(ESC)做系統(tǒng)備份。
早在1999年大眾在開發(fā)純電動車過程當(dāng)中也很想使用這種電機(jī)直接推動主缸的設(shè)計(jì),但是德國的電機(jī)工業(yè)當(dāng)時(shí)沒有能力滿足大眾的需求,大眾采取了妥協(xié)的設(shè)計(jì)。
既然電機(jī)的能量達(dá)不到,那就繼續(xù)用高壓蓄能器配合,但是推動主缸的是電機(jī),大眾稱之為eBKV,是德文Elektromechanischer.Bremskraftverst?rker的縮寫,2009年的大眾E-UP上首次使用。
博世從e-UP中獲得靈感,加上博世是電機(jī)大師,經(jīng)過博世的努力,最終在2013年去掉了高壓蓄能器,單用電機(jī)推動主缸,這就是iBooster。
博世的iBooster于2013年初推出,并且應(yīng)用大眾(包括奧迪品牌,大眾持有ibooster的部分專利)全系列電動與混動車上,其他客戶還有特斯拉和卡迪拉克CT6。
大陸和天合(ZF)則在此基礎(chǔ)上將ESC也集成進(jìn)來,大陸的MK C1早在2011年就已經(jīng)推出,在2017年版的阿爾法羅密歐Giulia上使用。TRW的則于2012年推出IBC,通用的K2XX平臺上將全線使用。順便說下TRW的IBC技術(shù)并非自己原創(chuàng),是收購自一家小公司,不過博世的ABS技術(shù)也不是自己原創(chuàng)的。
這些線控制動都不是純粹的線控制動,仍然需要液壓系統(tǒng)放大制動能量。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,專利門檻很高。為了突破大廠的封鎖,也為了簡化制動系統(tǒng),純粹的線控制動(EMB)近年來是個火熱的研究領(lǐng)域。
EMB取消液壓系統(tǒng),直接用電機(jī)驅(qū)動機(jī)械活塞制動。優(yōu)點(diǎn)一、安全優(yōu)勢極為突出,大幅度縮短剎車距離,EMB的反應(yīng)時(shí)間大約90毫秒,比iBooster的120毫秒更快速。優(yōu)點(diǎn)二、沒有液壓系統(tǒng),不會有液體泄露,對電動車來說尤其重要,液體泄露可能導(dǎo)致短路或元件失效,進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難。同時(shí)成本和維護(hù)費(fèi)用也降低不少。
缺點(diǎn)一:沒有備份系統(tǒng),對可靠性要求極高。特別是電源系統(tǒng),要絕對保證穩(wěn)定,其次是總線通信系統(tǒng)的容錯能力,系統(tǒng)中每一個節(jié)點(diǎn)的串行通信都必須具備容錯能力。同時(shí)系統(tǒng)需要至少兩個CPU來保證可靠性。
缺點(diǎn)二:剎車力不足。EMB系統(tǒng)必須在輪轂中,輪轂的體積決定了電機(jī)大小,進(jìn)而決定了電機(jī)功率不可能太大,而普通轎車需要1-2KW的剎車功率,這是目前小體積電機(jī)無法達(dá)到的高度,必須大幅度提高輸入電壓,即便如此也非常困難。
缺點(diǎn)三:工作環(huán)境惡劣,特別是溫度高。剎車片附近的溫度高達(dá)數(shù)百度,而電機(jī)體積又決定只能使用永磁電機(jī),而永磁在高溫下會消磁。同時(shí)EMB有部分半導(dǎo)體元件需要工作在剎車片附近,沒有半導(dǎo)體元件可以承受如此高的溫度,而受體積限制,無法添加冷卻系統(tǒng)。同時(shí)這是簧下元件,震動劇烈,永磁體無論是燒結(jié)還是粘結(jié)都很難承受強(qiáng)烈震動。對半導(dǎo)體元件也是個考驗(yàn)。需要一個高強(qiáng)度防護(hù)殼,然而輪轂內(nèi)體積非常有限,恐怕難以做到。
缺點(diǎn)四:需要針對底盤開發(fā)對應(yīng)的系統(tǒng),難以模塊化設(shè)計(jì),導(dǎo)致開發(fā)成本極高。
我們認(rèn)為除非永磁材料有重大突破,居里溫度點(diǎn)大幅度提高到1000攝氏度,否則EMB無法商業(yè)化。順便說一句,輪轂電機(jī)也是如此,不解決材料問題,輪轂電機(jī)商業(yè)化不大可能。不過這種材料從理論上來說是不可能出現(xiàn)的。磁性越強(qiáng),其居里溫度點(diǎn)就越低,高溫下原子的劇烈熱運(yùn)動,原子磁矩的排列必然從整齊劃一到混亂無序,這是物理特性,無法改變。比如最好的磁王釹鐵硼,一般使用N35牌號,其居里溫度點(diǎn)為310攝氏度。但其工作溫度上限只有80攝氏度,超過80度,磁性能就開始下降,到310度,磁性完全消失。而夏天汽車剎車盤的溫度輕松超過100度,工作時(shí)溫度輕松超過300度。
所以未來十年內(nèi),電液線控系統(tǒng)會是唯一的選擇。
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原文標(biāo)題:自動駕駛技術(shù)之--線控制動的實(shí)現(xiàn)
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