什么是线控制动

什么是线控底盘  

2022年真的是魔幻的一年，继阳台种菜、吃绿化带之后，骑行居然也开始“堵车”了。而骑过自行车的朋友应该都清楚，加速、刹车、转向靠的全是那一腔热血、满身激情。而当热血冷却，激情褪去，只留下肉体与机械碰撞的无情。以刹车过程为例，通过五指紧握车闸、车闸拉紧钢丝、带动橡胶摩擦片夹紧车轮，自行车最终在摩擦力的作用下消停冷静，这个过程是典型的力大出奇迹。  

而汽车在诞生之初，其制动、转向等方面原理和自行车差不多，都是单纯地利用机械方式传递能量。但是汽车质量远大于自行车，虽然有一些类似杠杆一样的省力机构，但汽车一次紧急制动和转向还是需要消耗驾驶员半碗米饭的力气。   且随着汽车速度越来越快，这种全靠驾驶员麒麟臂和金华火腿的操作方式，对驾驶员的要求太高，制动转向的效果及安全性很难得到保证。

有鉴于此，汽车转向、制动等系统开始出现了一些助力方式，有真空助力，有液压助力，有电动助力，并最终发展成为今天常见的机械液压制动、电动助力转向等。  

但是天有不测风云，电动汽车兴起并开始圈地赛马。电动汽车不仅革了发动机的命，顺带也革了机械液压制动的命。机械液压制动中的真空助力器原本是利用发动机进气歧管的负压来提供助力，现在好兄弟倒下了，自己还得生存，回去理个发，重头再来了。  

舞台这边电动汽车的狂欢还没有结束，另一边的自动驾驶已经开始搭台唱戏，且演员规模和知名度明显要略胜一筹。自动驾驶更加嚣张跋扈，直接对制动和转向这哥俩说："以后不能只听制动踏板和方向盘的话了，我手底下域控制器的话你们也要听"。  

在电动化和智能化的双重影响下，线控底盘的概念开始大火。所谓线控，是指通过传感器采集驾驶员的制动或转向等意图，并由控制单元综合决策后，将控制指令以电信号的形式输入给最终的执行机构。线控，用不太准确的语言描述就是：用电线替代了传统的机械液压连接。  

线控底盘主要包括五大核心系统：线控油门、线控换挡、线控悬架、线控转向、线控制动。  

线控油门和和线控换挡因技术发展较早，已经在主机厂得到广泛应用。其中，线控油门的渗透率基本上接近100%，市场已经饱和。线控换挡目前的渗透率约25%，但随着智能化相关功能配置率的提升，渗透率也会同步快速提升。  

线控悬架因成本较高，目前渗透率不足3%。最早主要搭载在海外豪华品牌车型上，后逐步在合资品牌车辆中有所应用，近几年国内自主高端品牌如蔚来、理想、极氪、岚图等也逐步开始搭载，渗透率处于缓慢提升的阶段。  

相对而言，线控制动和线控转向因起步较晚，且技术门槛高，目前渗透率亦处于低位。不过这两类子系统是汽车电动化、智能化发展的关键，也是必须攻克的核心技术。两者之中，线控制动又被誉为线控底盘的璀璨明珠。  

什么是线控制动  

线控修饰的是制动，欲知线控须先讲制动。汽车制动系统的作用无需赘言：（1）可以让行驶中的汽车以适当的减速度减速行驶直至停车；（2）可以让下坡行驶的汽车保持适当的稳定车速；（3）可以让静止的汽车可靠地停在原地或坡道上。  

按照上述作用来划分，汽车制动系统主要分为驻车制动系统（实现第三条作用）和行车制动系统（实现前两条作用）。驻车制动系统的江湖已被电子手刹(Electrical Park Brake，EPB)所统一，短时间内估计无人能撼动其地位。行车制动系统就比较热闹，电动化和智能化口号没喊之前，机械液压制动系统处于绝对的统治地位，占据大概99%的乘用车市场份额。而电动化和智能化口号开始呐喊之后，线控制动系统登上舞台，如今已经被确立为行车制动江湖中的下一任盟主。  

线控制动系统按照结构的不同，又可分为电子液压制动(Electro-Hydraulic Brake，EHB)系统和电子机械制动(Electro-Mechanical Brake，EMB)系统两类。下面我们展开介绍上文提到的几种制动系统的工作原理及优缺点。  

一、机械液压制动系统  

一个典型的纯机械液压制动系统主要由制动踏板、真空助力器、制动主缸、制动轮缸等组成，如下图所示。

 


这其中的定海神针非真空助力器莫属，真空助力器位于制动踏板的后方，通过膜片隔出两个腔，前腔连接标准大气压(0.101MPa)，后腔连接发送机进气歧管的负压(0.05～0.07MPa)。作用就是通过前后腔的气压差，来将制动踏板的输入力放大，从而实现以小博大、杠杆撬起地球的效果。写到这块不禁产生了一丝感叹，推动汽车百年文明发展的不就是这些看似平平无奇，但又巧夺天工的发明吗！  

如下图所示，制动过程中，驾驶员踩下制动踏板，在真空助力器的作用下，推动制动主缸里的活塞移动，并将液压力通过制动管路传递给各制动轮缸，进而驱动摩擦片压向制动盘。在液压压强一定的情况下，由于制动轮缸受力面积大，由压力=压强x受力面积可知，其表面将产生足够大的制动压力。  



当然，现在机械液压制动系统一般还会通过增加传感器、控制器、制动压力调节器等部件来实现常用的ABS/ESP的功能。  

二、电子液压制动系统  

但是汽车的电动化打破了这一平衡，电动汽车由于没有发动机，机械液压制动系统中的真空助力器便没有了负压的源头。如果继续采用真空助力器，那么就必须额外增加一套电子真空泵(Electronic Vacuum Pump，EVP)，来提供真空助力器的负压。这对成本、体积、重量三重敏感的乘用车主机厂来说，简直是个噩耗。  

同时为了提高电动汽车的续航里程，工程师无所不用其极，制动系统也未能幸免于难。燃油车时代，工程师只能眼见制动能量通过摩擦发热浪费掉，有一种眼看他起高楼、眼看他宴宾客、眼看他楼塌了的无可奈何。但是到了电动车时代，制动减速时可以通过反拖电机来进行能量回收，做到发电减速两不误。  

另一方面，辅助驾驶和自动驾驶抱着解放人类双手双脚的伟大理想而奋发前进，而其理想得以实现的前提条件之一就是需要有一套制动系统不仅可以听制动踏板的差遣，也可以随时听候智驾域控制器的指挥，也就是制动系统需要具有主动制动的能力。  

而在主动制动的时候，L3~L5级别的自动驾驶具有一个无情的计算大脑，时刻在根据感知到的外界环境的变化，做出精准的决策规划，如果这时执行机构不能及时精准的响应，则会表现一种手脚不听使唤的症状。所以为了达到和自动驾驶大脑的高度协同，还要求制动系统这只脚具有更快速的响应和更精准的走位。  

在这样的背景下，传统巨头Tier1都开始了下一代制动系统的布局和研发，以便可以在未来几十年时间继续在自己的强势领域收割一茬茬新的韭菜，坐享渔翁之利。传统巨头Tier1也不负众望，经过最近这十来年的努力，均有了EHB的量产产品。如Bosch的IPB、ZF TRW的IBC、Continental的MK C1、日立的E-ACT等。  

EHB系统是电控+液压制动的混合体，目前各家方案略有不同，包括制动踏板是部分解耦还是完全解耦，助力方式是高压蓄能器间接型还是纯电机直接型。但是制动原理基本一致，都是在驾驶员踩下制动踏板后，踏板传感器将力和位移信号转化为电信号送入电控单元。电控单元结合整车其他信息，计算出需要的助力大小，并利用助力机构施加助力，产生和真空助力器相同的功能。  

同时会计算模拟一个反馈力给到刹车踏板，用以模拟驾驶员真实的制动效果。部分厂家EHB产品还保留了传统的机械液压制动系统以实现安全冗余。在EHB系统失效时，驾驶员可通过大力踩刹车进入传统机械液压制动模式。  

Bosch在线控制动领域毫无意外的又充当了无情的超级韭菜收割机，根据华经产研数据，2020年博世占全球线控制动产品份额65%以上，大陆、采埃孚分别为23%、8%。在Bosch线控产品矩阵里，ibooster+ESP的Two-box方案应用最广。2016年发布的二代产品可以实现在150毫秒（机械液压制动：300~500ms）内传导制动压力、100%制动能量回收，同时ibooster与ESP还互为制动冗余。  

2020年Bosch量产了集ESP+ibooster一体的One-box产品IPB，体积更小、成本更低。配合其RBU（Redundant Brake Unit，刹车冗余），最高支持L4自动驾驶。如此一来，Bosch便完成iBooster在L2，IPB在L3/L4的完整线控制动布局，国内厂商的突围之路依旧任重而道远。  

三、电子机械制动系统  

EHB系统其实不能算是严格意义上的线控制动系统，它仅是将制动踏板与助力器之间的机械连接替换为电信号连接，但是助力器到轮边制动执行机构之间制动力传递依旧是传统的液压方案。而严格意义上的线控制动系统，是指制动踏板到轮边制动执行机构之间全部由电信号连接，这也就是制动系统领域的璀璨明珠——EMB系统。  

EMB系统的一种典型装车方案如下图所示。主要包括模拟电子踏板，四套（两两互为冗余）EMB机械执行机构、四个轮速传感器、两个控制单元（ECU，互为冗余）及两套供电系统等组成，部件之间通过 CAN 总线或其他时间敏感型网络通信。  

 

模拟电子踏板一方面采集制动踏板被踩下的力信号和位移信号，发送给ECU；另一方面提供一定的反馈力给驾驶员，以模拟真实的路感。   EMB机械执行机构是整个EMB系统的机械核心部分，每一套机械执行机构都包括自己的动力驱动机构（电机）、减速增力机构（力放大）、运动转换机构（旋转运动转直线运动）、制动钳体、制动垫块等组成。

EUC是整个EMB系统的控制核心部分，EMB系统的整体性能直接取决于控制单元中算法性能的好坏。   制动过程中，驾驶员踩下模拟电子踏板，ECU通过分析各路传感器信号，并根据车辆当前行驶状态以及路面状态计算出每个车轮制动时不抱死所需的最佳制动力，并发出相应的控制信号给电机控制器，电机产生的力矩经过减速增力机构以及运动转换机构后，将最终的制动力矩施加在制动盘上。  

在这套方案中，每个车轮处都安装有一套可独立控制的 EMB机械执行机构。通常前轮的两个EMB机械执行机构和后轮的两个EMB机械执行机构各有一套独立的供电系统和控制单元。这样可以保证在一套供电系统或控制单元失效时，另一套供电系统或控制单元仍可完成基本的制动功能，以防止危险事故地发生。同时两个控制单元之间可以通过CAN总线网络实现及时相互通信，实现故障诊断功能。  

EMB系统优势及应用前景  

EMB作为制动领域人人都追逐的“铁王座”，与传统液压制动系统相比，EMB系统具有如下优势：  

（1）EMB系统去掉了冗杂的液压管路及液压元件，降低了车辆整备质量；机械连接少，结构简单，布置方便；采用模块化结构，易于装配与维修。  

（2）EMB系统可以与汽车其它电控系统共享轮速传感器、ECU等硬件。因此，通过修改 ECU中的软件程序，易于实现 ABS、TCS（牵引力控制系统）、ESP（电子稳定性程序）等复杂电控功能。并且易于匹配安装有制动能量回收系统的电动汽车。  

（3）EMB系统采用电信号传递控制信号以及能量，因此响应迅速，加上其机械执行机构反应灵敏，EMB系统能极大地提高车辆的制动效能。  

（4）EMB系统采用的模拟电子踏板，能有效避免ABS介入时的打脚现象。  

（5）EMB系统中没有制动液，避免了因制动液泄漏而带来的环境污染问题。  

然而，在EMB系统的应用道路上，还存在着一些亟需克服的难题：  

（1）由于车载电子设备的增加，汽车电力系统已趋于饱和，而EMB系统的原理决定了其制动力地产生需要消耗大量的电能，目前车载12V电源已无法满足EMB系统的需要。因此，车载48V电源的技术成为 EMB系统应用的关键。  

（2）在制动过程中，EMB执行机构的驱动电机需要工作在大电流堵转状态下，并且需要在各种恶劣工况下安全可靠地提供制动力矩，这对电机的设计、制造、控制来说是一个巨大的挑战。  

（3）从现有专利中公布的EMB系统机械执行机构来看，大都机械零件繁多，结构复杂。如何设计一款结构简单紧凑、体积小巧并能有效可靠地传递足够大的制动力矩的EMB机械执行机构，是EMB系统应用的关键。  

（4）随着高性能电机、ECU、传感器等各种硬件设备地增加，整车成本势必提高。如何降低EMB系统成本，成为EMB系统应用道路上不能忽视的问题。  

由以上我们可以看出，汽车EMB系统虽然有着广阔的应用前景以及传统液压制动系统无法企及的优势，但是其自身也面临着一些亟需解决的问题。只有解决了一些制约EMB系统发展的关键性问题，EMB系统的应用道路才能越走越远。  

写在最后  

国内可以提供L4自动驾驶解放方案的公司不能说多如牛毛，但也称得上遍地开花；国内可以提供线控制动解决方案的公司不能说九牛一毛，但也称得上屈指可数。既然线控制动是未来自动驾驶的刚需，国内为何很少有初创公司立志攻破此机电产品壁垒？而大都选择了轻装上阵的提供代码解决方案？  

无论以后汽车上有几亿行代码，无论汽车被赋予什么的功能属性，这一切的基础都是组成汽车的那一万多个零件。历史也证明，供应商无论在哪一个零件上掌握点核心技术，不会让你大富大贵，但足以保证小康水平。百年汽车，要想玩的明白，还是需要一点沉淀，一点耐心的。

审核编辑：刘清