智能底盘技术(11) | Two-box方案"ESC eBooster"系统介绍

作者 | 磐匠

出品 | 焉知

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在上期中提到，根据制动执行机构的不同，线控制动系统（Brake-By-Wire）可以分为液压式线控制动系统（Electro-Hydraulic Brake, EHB）和机械式线控制动系统（Electro-Mechanical Brake, EMB）。其中，EHB 以传统的液压制动系统为基础，用电子器件替代了部分机械部件的功能，使用制动液作为动力传递媒介，同时具备液压备份制动系统，是目前的主流技术方案。而EHB根据集成度的高低，EHB 可以分为Two-box 和One-box 两种技术方案。

随着新能源汽车市场的扩张，“eBooster+ ESC”组合成为了目前市场上最主流的Two-box方案。该方案除了实现基础的制动助力功能和稳定性控制功能外，还能在实现制动能量回收的同时协调配合，保证在电制动和液压制动的切换中实现驾驶员的踏板感一致。此外，随着高阶辅助驾驶系统和自动泊车系统的普及，“eBooster+ ESC”在其中也扮演着实现制动冗余的角色。

接下来的几期文章将对“eBooster+ ESC”组合的Two-box方案展开全方位的介绍，本期将对“eBooster+ ESC”组合的系统架构及降级策略展开说明。

1.“eBooster+ ESC”Two-box方案的系统架构

站在整车液压系统的角度，ESC和eBooster在车上共用一套液压系统，两者协调工作，原理如下：

• eBooster和ESC共用一套制动油壶、制动主缸和制动管路。

• eBooster内的助力电机产生驱动力推动主缸活塞运动，使油壶中的制动液流入主缸管路并进入ESC进液阀，经ESC中的调压阀和进液阀流入4个轮缸，从而建立起制动力。

• 当eBooster不工作时，ESC也可以独立控制制动液从主缸流入轮缸，从而建立制动力。

• eBooster建压的动态响应速度比ESC主动建压更快，且NVH表现更好，因此eBooster是制动控制系统中的主执行机构。

eBooster和ESC的制动液压系统

站在整车电子电气架构的角度，eBooster和ESC除了彼此之间存在信号接口外，两者作为制动系统还有与其他ECU之间的的交互接口，以完成相应的功能。下面基于整车架构图对关键部件展开介绍。

eBooster和ESC的Two-box方案系统架构

1.1.ESC

ESC最重要的功能就是为整车提供稳定性功能，稳定性功能主要集成了以下三个子功能：

• 制动防抱死系统 (Anti-lock Brake System, ABS)

• 牵引力控制系统(Traction Control System, TCS)

• 车辆动态控制系统 (Vehicle Dynamic Control, VDC)

博世第9代ESC系统，又称ESP

这三个功能在Two-box制动系统中的优先级最高。除了稳定性功能外，ESC还提供一系列增值功能如自动驻坡功能(AH, Auto-Hold)、上坡辅助功能 (Hill-start Assist Control，HAC)等。

而作为智能驾驶驾驶系统（如自适应巡航控制系统ACC等）的执行机构，ESC还接受来自上层大脑ECU的制动请求。但是ESC不会直接建压，而是将这些制动请求处理后转发给eBooster，由eBooster实现建压，以便充分利用eBooster建压的动态响应速度比ESC主动建压更快，且NVH表现更好的优势。

此外，不同于传统车辆的制动力完全依赖制动液通过ESC直接流入轮缸建立压力，对于支持制动能量回收的新能源汽车而言，制动力除了来自轮缸液压外，还可以通过驱动电机输出制动扭矩实现，因此ESC需要对液压力和电机制动力进行协调。ESC的协调主要起到两个目的：

1.保证当前的制动能量回收功能不会引起车辆稳定性问题 （稳定性功能优先）

2.保证在电制动和液压制动的切换中实现驾驶员的踏板感一致

为实现第二个目的，需要对ESC的硬件进行适当的设计优化——增加ESC蓄能器的容量。在大容量蓄能器的加持下，当驾驶员踩下制动踏板时，eBooster控制主缸液压进入轮缸产生制动力，于此同时驱动电机制动力随着制动踏板深度增加缓慢上升，该过程中来自主缸的制动液不会直接流入轮缸，而是将一部分暂时存储在蓄能器中，在蓄能器中的制动液不会产生制动力。整个过程中蓄能器液量和驱动电机制动力可以协调控制，此消彼长。

1.2.eBooster

eBooster最基础的功能是为驾驶员制动提供助力。其原理为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eBooster，又称i-Booster

另外，eBooster属于非解偶踏板系统，和真空助力器一样，在制动过程中eBooster能够反馈最真实和自然的踏板感，驾驶员能直观的感受到制动系统的变化，例如ABS回馈力和刹车片的衰退等，驾驶员可以通过这些异常的变化及时发现制动系统的潜在问题并做出及时处理，从而减少安全隐患。

为满足驾驶感受的多样性和舒适性，eBooster还可以通过软件调节踏板感，轻松完成舒适和运动驾驶风格的随意切换。

通过软件实现eBooster不同的踏板特性

此外，上文提到的制动能量回收过程中保证踏板感一致除了需要ESC的贡献外，还需要eBooster的配合。在ESC协调x蓄能器液量和驱动电机制动力的过程中，eBooster通过对助力大小控制（如下图所示）始终保证相同的踏板深度下踏板的反作用力恒定，让驾驶员感受不出此时是电机制动还是制动液制动，从而实现踏板感的一致性，给驾驶员带来最舒适的体验。

eBooster实现制动能量回收时保持踏板感一致的原理

1.3.驱动电机

新能源汽车搭载的驱动电机在制动时变成了一个发电机。高压电池和驱动电机的协作，驱动电机产生负扭矩提供部分制动力，负扭矩产生反向电流对高压电池进行充电，最终制动时车辆的部分动能转化为化学能存储在高压电池中，用于下一次的车辆驱动，从而实现了能量回收，达到节能减排的目的。

驱动电机所能提供的制动扭矩受到车速、电池SOC值等因素的影响，因此为了实现驱动电机扭矩的利用效率最大化，驱动电机除了反馈实际制动扭矩外，还会实时反馈制动扭矩极限值给ESC，便于ESC做出电机制动力和液压制动力之间的协调。

1.4.HMI (Human Machine Interface)

HMI的主要作用是向驾驶员实时反馈制动系统的状态，该功能由仪表盘实现。当制动系统出现故障时，HMI根据降级程度点亮不同颜色的故障灯来提醒驾驶员小心驾驶并及时维修。

1.5.制动灯控制器 (BLA coordinator)

在响应驾驶员制动请求或者来自外部ECU的制动请求的同时，制动系统会请求制动灯控制器点亮制动灯，以满足相应的法规要求。

2.“eBooster+ ESC”Two-box方案的功能降级及故障显示策略

2.1.制动功能降级

在响应驾驶员制动请求或者来自外部ECU的制动请求的同时，制动系统会请求制动灯控制器点亮制动灯，以满足相应的法规要求。

根据法规要求，对于舒适性制动系统，需要满足在驾驶员踩出500N的制动力时系统能够提供不小于6.43m/s²的减速度。正常情况下eBooster可以实现这一要求，而当eBooster出现故障无法继续提供助力时，要求ESC能够及时接管并通过主动建压的方式实现上述要求，这就是集成于ESC系统中的HBC（Hydraulic Brake Failure Compensation）功能的基本原理。

当HBC功能激活后，当驾驶员踩下制动踏板时，主缸压力发生变化，HBC功能根据主缸压力变化识别驾驶员制动意图，并控制建压泵工作主动建立轮缸压力，从而实现驾驶员助力。

HBC功能系统架构

2.2.HMI故障显示设计

基于上述Two-box制动功能的降级策略，HMI系统需要根据ESC和eBooster的降级状态来点亮故障灯。不同的项目可以有不同的HMI设计，推荐的做法是：

• eBooster故障仅点亮黄色故障灯

• ESC根据故障类型的不同既可以点亮黄色故障灯，也可以点亮红色故障灯

Case1: eBooster无法提供500Nm 6.43m/s²的制动力

在这种情况下，eBooster请求ESC激活HBC功能，同时eBooster请求点亮黄色故障灯。

Case2: ESC系统HBC功能故障，无法提供500Nm 6.43m/s²的制动力

这种情况下eBooster可以正常工作，继续响应驾驶员的制动请求，而ESC请求点亮黄色故障灯。

Case3: ESC和eBooster之间通讯故障

这种情况下ESC和eBooster均可以独立正常工作，即两者都有提供制动助力的能力，eBooster通过踏板行程传感器判断驾驶员意图，而ESC通过主缸压力传感器判断驾驶员意图。在这种情况下，为了避免ESC和eBooster同时助力时制动力过大的风险，ESC系统中的HBC切换成HBCreduced模式，即制动时对HBC的助力进行限制，而eBooster则正常工作。

由于可以实现500Nm 6.43m/s²的制动力的要求，此时由ESC请求点亮黄色故障灯。

Case4: ESC和仪表盘之间通讯故障

如前文提到，ESC提供着Two-box制动系统中优先级最高的稳定性功能，当整车无法判断ESC的状态时，仪表盘应该点亮红色故障灯，提醒驾驶员谨慎驾驶并尽快维修。

Case5: eBooster故障且HBC功能故障

在这种情况下，无论是eBooster还是ESC都无法法提供500Nm 6.43m/s²的制动力，ESC请求仪表板点亮红色故障灯，提醒驾驶员谨慎驾驶并尽快维修。

系列文章介绍
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• 底盘系统的主流产品介绍与行业动态（产品介绍、功能设计、功能安全设计、国内外玩家现状等方面展开）

• 制动系统篇

• 转向系统篇

• 驱动系统篇

• 悬架系统篇

• 智能底盘的发展新趋势

• 底盘域融合

• 新电子电气（E/E）架构

• 智能底盘安全拓展 （功能安全，预期功能安全，信息安全）

• 滑板底盘

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