关于机电式制动力放大器的研究和应用

摘要:为了促进内燃机效率的不断提高、对电驱动的应用需求可谓日渐提升，同时对其提出了更高的安全性要求。不仅如此，自动驾驶对制动系统提出了新的设计理念。Bosch公司新开发的iBooster机电式制动力放大器成功地满足了此类要求，并且与制动系统并未存在较大的结构偏差。

关键词：电驱动  自动驾驶  制动力  放大器

1 市场环境

自从1995年应用电子稳定性系统（ESP）以来，对制动系统的要求发生了显著的变化，而对更先进的驾驶员辅助系统以及更高效的电驱动系统的进一步需求，有效推动了制动系统在可靠性和应用性方面的高要求。在驾驶员辅助系统领域出现的该类现象，一方面意味着噪声-振动-平顺性（NVH）对车辆间距调节直至停车的舒适性起着日益重要的作用；另一方面其全新的安全性功能需要采用更快的动态制动压力方可建立。未来的CO2排放要求导致了现代汽油机在每种运行状态下无需具备足够真空度的硬性指标。为此采用了两大策略，其一为使用内燃机上的真空泵，其二为使用电动真空泵，而动力总成系统的电动化则进一步加剧了对NVH特性的要求，并且完全放弃用于制动力放大器的动力来源。除此之外，在混合动力车和电动车上可通过电机的制动能量回收功能将动能转化成用于蓄电池的充电电能。为了顺利地实现该策略，制动系统必须能吸收电机的制动力矩。此外，采用自动驾驶功能需要在制动系统内布设有备用装置，从而即使在发生故障的情况下也能确保车辆减速功能的实现。

iBooster机电式制动力放大器能满足市场提出的所有要求（图1），因此2013年第一代iBooster制动力放大器的市场投放现状就已证实其原理上的可行性，而目前第二代iBooster制动力放大器又将持续不断地推动其工业化生产，并先进行预装配，这样就可适应大批量生产的节奏。2017年第二代iBooster制动力放大器（图2）已在欧洲和北美进行工业化生产，并即刻将在中国生产，因此可通过全球网络化进行生产，从而为广大用户服务。

图1 现代制动系统能改变

汽车工业的市场倾向

图2 第二代iBooster机电式制动力放大器

2 工作原理

迄今为止的真空式制动力放大器将被iBooster机电式制动力放大器所取代，而并不会改变助力制动装置的常规结构，但以此取消了真空源的必要性，因为目前仍由电机驱动单元产生作用力。由于仍将持续运用驾驶员的操控能力，因此可使用结构更为紧凑的电机，并且即使在动态制动时其最大电流消耗也是较少的，而且在汽车电路充电状况不良的情况下能够适时调整iBooster的动态性能。

iBooster通过一个集成的差动行程传感器采集驾驶员的制动需求，再将这种信息传递到电控单元（ECU），通过电控单元计算出电机的控制信号，其转矩可通过变速传动机构转换成所需的驱动力，并与制动总缸中驾驶员提供的作用力一起转换成液压力。诸如制动总缸和储气罐等确保可靠运行的部件都使传统制动系统保持不变，而电控单元则应用了ESP标准模块化部件。

iBooster经由行程来调节，需通过连接件才能实现（图3）。放大器跟随输入杆确保必要的踏板反馈。

原则上，可有两种行程测量：

（1）输入杆行程和放大器行程（在第一代iBooster中就以此进行转换）；

（2）差动行程和放大器行程（第二代iBooster即遵循该原理）。

图3 iBooster制动力放大器基本功能

因此，在第二代iBooster中的调节过程被设计成可将输入杆行程和放大器行程之间的差动行程调节到零值。为了使其达到必要的精度和动态性能，采用永磁式同步电动机（PMSM）作为驱动装置，由于其在电动助力转向机中的广泛应用，因此在商业上具有普遍吸引力。为了永磁式同步电动机（PMSM）实现整流过程，需配置一种转子式位置传感器，因为该传感器可被用于查明放大器行程的方位，放大器范围的定位可达到μm级。制动踏板与iBooster电动机之间的连接件会对其行程进行限制，并且由其实现下列附加功能：

（1）自动建立制动压力（无需驾驶员参与）；

（2）机械返回运动级（在发生故障情况下无需采用iBooster电机辅助）。

在采用电动车和混合动力车的情况下，需匹配iBooster的支撑力，根据车辆是否是通过车轮液压减速或者通过动力传动系减速而定，因此仍保留其踩下踏板的常规感受，其中ESP通过中间储存减小了参与制动的有效液压容积，从而降低了制动压力，同时通过iBooster减小了支撑力，因而相对于车辆减速而言，驾驶员的踩踏力本身并不存在差异（见图3）。

iBooster适合于安装于8和9真空制动力放大器的结构空间中。但是与后者相比，前者并非采用中心对称，不过iBooster的电源组、电动机单元和电控单元能被配装于不同的位置，因而在安装空间方面具有较大的灵活性，例如在必要的调整情况下可用于右置方向盘车型。

机电式方案能使制动装置的变更减小，由于其能借助于软件实现功能的匹配调整，因而仅用4种尺寸方案即可满足从小型车至运输车辆的需求。此外，在进行软件参数化时的数学模型可确保iBooster满足所有的需求，例如可以是法规要求或者由汽车制造商提出的电功率消耗。采用该类方式以确保对安全性具有重要意义的特性优先级始终高于舒适性和适应性。此外，iBooster的功能软件匹配由于比助力制动装置更为简单，成本也较为低廉，其机械结构也可通过软件改变踏板作用力。该现象即使得汽车制造商可根据实际状况调整制动踏板力，例如可将车辆开进停车位过程中所需的操作力比在高速公路上行驶时还要小。

3 iBooster机电式制动力放大器的优点

与带有真空制动力放大器的制动系统相比，在应用iBooster时基本保留了其制动系统结构，因此iBooster可配装于不少车型平台内，也可继续使用真空制动力放大器。在混合动力车和电动车情况下采用ESP HEV（译注：指用于混合动力车的ESP）系统替代标准的ESP系统，正如前所述的那样，这种系统能吸收制动力矩，因此两种系统既可选择用于制动操纵，又可用于制动调节，同时也允许根据需要进行组合，这些可能性和应用情况示于图4。

图4  模块化制动系统的组合

例如自动紧急制动（AEB）那样的安全性功能需要较短的制动行程，在该方面与当今常规的ESP系统相比，iBooster能提供明显较快的动态制动压力建立效果，比在临界状况下的iBooster建立起全制动压力可快3倍，其制动行程得以显著缩短，因此能避免事故，同时可在发生不可避免撞车事故的情况下降低碰撞速度，从而减轻所有当事人的受伤风险。

诸如转向机、变速器或者加速踏板等车辆零部件的性能如今已能在许多车辆上进行匹配及调整，采用iBooster时也能对制动踏板进行类似操作（图5），并且除了在舒适性或运动性之间开展的性能选择之外，还能对其行驶状况进行调整。除此之外，在整个车型平台范围内，还能以相同的硬件设置满足其局部的不同要求。

图5 可调节的制动踏板特性

4 在自动驾驶领域中的应用

在自动驾驶情况下，对于所有对安全性具有重要意义的系统，保证其较高的可使用性是绝对有必要的。在每种故障情况下，制动系统都必须确保车辆实现安全停车功能而无需驾驶员的额外干预。目前由真空制动力放大器和ESP组成的制动系统是标准装备，在该系统中无需驾驶员操控仅通过ESP就能建立起制动压力。如果应用iBooster的话，那么系统就包括两个制动执行器（iBooster和ESP），与这些执行器和软件中的其他措施相结合就能确保制动功能的高效性。

在进行正常操作时，由iBooster建立起车辆减速所需的制动压力，ESP系统调节制动压力，以便即使是在弯道上过快行驶情况下或在光滑道路上也能确保车辆的稳定行驶。为了即使在出现故障的情况下也能安全地停靠在道路边缘，此外还需考虑到下列单项故障：

（1）iBooster故障：由ESP建立起液压制动压力从而使车辆减速。

（2）ESP故障：由iBooster建立起液压制动压力从而使车辆减速。

iBooster的调节不仅可确保车辆的纵向稳定性，而且也可确保车辆的可转向性。

用于高度自动驾驶的iBooster和ESP的组合是一类复杂的制动系统，并得到了欧洲汽车零部件供应商联合会（Clepa）的表彰。

除了制动力放大器实行电气化之外，还提供了将制动压力建立单元和调节单元集成在一个器件中的可能性，Bosch公司目前正在致力于开发该类结构型式。原则上，传递到车轮制动器的液压作用力也应遵循未来对制动系统的要求，并考虑到纯电动结构型式的可靠性、耐久性和成本。