智能底盘技术(17)| One-box线控制动系统基础介绍

作者 | 磐匠

出品 | 焉知

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根据制动执行机构的不同，线控制动系统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。进一步地，根据集成度的高低，EHB 可以分为Two-box 和One-box 两种技术方案。

前面几期文章对当前市场主流的Two-box方案“eBooster+ ESC”进行了全面的介绍，从本文开始，接下来的几期系类文章将对One-box方案进行说明。

线控制动系统方案总结

One-box线控制动工作原理介绍

在前面的文章中提到，EHB系统根据是否与稳定性控制功能ABS/VDC集成而分为One-box方案与Two-box方案。

目前主流的Two-box方案为“eBooster+ ESC”组合，eBooster和ESC分别实现基础制动功能和稳定性功能。ESC和eBooster在车上共用一套液压系统，相比传统的真空助力器，两者协调工作，能够精准高效地支持驾驶员或智能驾驶系统的制动请求。

eBooster和ESC的制动组合

但是，eBooster的机械结构决定了其助力系统没有完全与踏板解耦，具体表现为：当智能驾驶系统请求制动控制时，在驾驶员没有干预的情况下，制动踏板会根据减速度大小动态升降，因此eBooster还需要额外考虑安全设计，以确保踏板动作幅度不会夹到驾驶员的脚而引起人员伤害。这种机械表现在美国和中国市场不大受OEM欢迎。另一方面，目前自动驾驶系统还未普及，L2及以下的智能驾驶系统对制动系统没有冗余需求，对线控制动系统的需求主要是高动态响应特性以及制动回收功能，在这种情况下，Two-box方案的体积和成本都没有优势。

在这样的背景下，集成基础制动功能和稳定性功能于一身并实现与踏板完全解耦的One-box方案开始受到更多主机厂的青睐。

One-box方案中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。而且在智能驾驶系统控制的过程中，One-box在提供制动力的同时不引起制动踏板的动作，实现了真正的解耦。

Two-box与One-box制动系统结构图，图片来自信达证券研发中心

国内外不同厂家的One-box线控制动系统的工作原理大同小异，下面以当前市场上的主流产品博世IPB(Integrated Power Brake)为例，对One-box线控制动系统的工作原理展开说明。

IPB系统基础制动功能主要由两个部分实现：

• 驾驶员接口模块：踏板-主缸-踏板模拟器

• 主动建压模块：伺服电机-液压管路-电磁阀

这两个部分由两个电磁阀（如下图所示2和3）实现连通与断开。这是实现IPB踏板解耦的关键。

博世IPB（Integrated Power Brake）工作示意图，图片来自网络

当IPB正常助力时，当驾驶员踩下制动踏板，阀2和阀3关闭，切断驾驶员接口模块和主动解压模块之间的液压回路;同时，驾驶员接口模块的阀1打开，驾驶员踩踏板后制动液进入主缸和踏板模拟器并建立压力，该压力的主要目的是给驾驶员反馈踏板感，此时踏板力-踏板行程曲线由主缸和踏板模拟器的特性决定，不同的厂家可以根据不同的喜好个性化定制踏板模拟器特性。

博世IPB（Integrated Power Brake）踏板感模拟器示意图，图片来自网络

而在主动建压模块中，阀4和阀5打开，IPB ECU通过识别踏板位移信号后，伺服电机根据标定好的踏板位移-系统压力曲线建压，推动推杆将腔内的压力推到轮缸，产生车辆减速度。

如果在驾驶员制动的过程中需要稳定性系统干预，ABS/TCS/VDC通过对各轮轮缸压力或驱动力进行动态调节以实现车辆的稳定性。

而当IPB助力功能失效后，此时IPB进入backup模式，阀2和阀3打开，阀1、阀4和阀5关闭，驾驶员踩踏板建立的压力直接进入轮缸并产生车辆减速度。根据法规ECE R13-H要求，当驾驶员输入500Nm的踏板力时，IPB的机械制动应产生不小于2.44m/s²的制动减速度。

对于制动能量回收功能而言，前面的文章中提到，为实现制动力分配，Two-box方案“eBooster+ ESC”首先需要ESC的硬件能够解除主缸制动液和轮缸制动液的“直接关联”，这由ESC大容量的蓄能器以及对轮端电磁阀控制实现。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，由此实现制动过程中电机制动力与液压制动力的动态协调控制。因此，蓄能器的容量决定了“eBooster+ ESC”这套组合的制动能量回收的上限，比如博世的产品组合能提供的最大制动回收减速度为0.3g。

ESC液压管路示意图，蓄能器决定了制动能量回收的上限

而One-box方案天然地实现了主缸制动液和轮缸制动液的“直接关联”，且没有蓄能器的容量限制，因此，只要驱动电机同步地满足相应的功能安全要求以避免非预期制动力带来的危害，那么One-box方案制动回收的能力相比Two-box方案组合更强，通常为0.3g~0.5g。

但是需要指出，One-box也存在劣势。虽然在辅助驾驶系统中相比Two-box方案有较大的成本和重量优势，但是对自动驾驶系统而言，Two-box方案能够满足对线控制动系统冗余的需求，当主制动系统发生单一故障时，备份制动系统需要保证车辆仍然能够进入安全状态（如靠边停车），但是One-box方案显然无法独立完成这一任务，因此One-box需要额外配合一个独立的制动单元RBU(Redundant Brake Unit)组成能够支持制动冗余的Two-box方案，此时成本和重量优势则不明显了。

One-box与Two-box对比：

	One-box	Two-box
定义	整体式	独立式
成本	1个ECU，一个制动单元	2个ECU，2个制动单元
结构	集成度高，成本相对低	集成度低，成本相对高
能量回收	回馈制动减速度高达0.3-0.5g	回馈制动减速度最高0.3g
自动驾驶	满足L2 及以下级别安全冗余要求，搭配RBU 满足自动驾驶对冗余的要求	方案天然满足自动驾驶对冗余的要求
代表产品	采埃孚天合IBC、大陆MK C1、博世IPB、伯特利WCBS	博世iBooster、拿森电子NBooster

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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