电动车基于电子助力器的制动性能研究

张世英，敖勇强，杜晶晶，高文杰，范武

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336）

前言

传统的真空助力器需要车辆发动机提供真空源，并且助力部分只能被动由驾驶员通过踩制动踏板来实现，助力的大小无法调节。电动车无直接真空源，并且电机在制动工况下可以通过反转实现制动及能量回收，电动车在智能驾驶方面需求更高的对智能化的纵向控制，L3级别及以上的自动驾驶技术需要提供制动系统备份，保证主系统失效的情况下，备份系统可以产生满足法规要求的制动力。电子助力器能主动提供制动力，可实现主动刹车，配合ESP 系统相互备份；助力部分大小可调，可实现大减速度下的制动能量回收并保持踏板感不变。电子助力器能提供的服务更多更强大，使得电子助力器与传统助力器在整车上对制动性能的贡献有比较大的区别，本文就两种助力器之间的相关差异和电子助力器的优势进行详细的研究和探讨。

1 制动系统工作原理和助力器工作概要

1.1 制动系统工作链

如图1 所示，驾驶员在制动踏板上施加制动力，制动力通过踏板杠杆比按比例放大，通过助力单元进一步放大，制动力在主缸中转化成液压力，主缸的液压通过制动硬管和软管传递到卡钳轮缸，轮缸液压力顶出活塞使摩擦片与制动盘接触产生制动力矩，进而使车辆减速或者保持静止状态[1]。

图1 传统助力器制动系统工作简图

1.2 电子助力器功能描述

电子助力器可以由踏板行程触发电机工作，输出制动力，其结果表现形式与传统助力器类似，如图2（a）所示；但是电子助力器由电机驱动，为主动制动提供了可行性，在更高级级别的智能驾驶工况下，可以联合汽车上的其他传感器，自动触发电子助力器的电机工作，产生制动力，如图2（b）所示，该功能可以与ESP 的主动制动功能相互备份，当一套系统失效时，另外一套系统直接接管，保证制动的可靠性，进而支持更高级别的智能驾驶功能。

图2 电子助力器制动系统工作简图

1.3 电子助力器与真空助力器工作过程对比

如图3（a）所示，针对传统真空助力器，踩下制动踏板后真空助力器在踏板行程到达一定位置后，空气阀打开产生固定的助力值，该值取决于反馈盘和推杆的直径的比例，当然也受助力器中弹簧力的大小影响[1]。

如图3（b）所示，针对电子助力器，踩下制动踏板后电子助力器通过行程传感器的数值产生对应的助力值，该值可通过标定来调节大，踏板力的大小通过一系列的弹簧等模拟器来实现，不直接由助力器的反馈力实现，这也是电子助力器实现制动协调能量回收并且踏板力仍保持线性的原因。

图3 助力器工作原理简图

1.4 电子助力器参与的制动能量回收协调原理

如图4 所示：Fpedal踏板+Fbooster电机=Fspring弹簧+Fhydraulic液压

图4 助力器输入输出示意图

如果没有能量回收，如图5（a）所示，踏板力预先设置后，主缸液压力主要由电机助力产生，但是踏板力保证与预设值一致。

当带制动能量回收后，如图5（b）所示，通过控制电子助力器的助力部分，可以保证踏板力不随主缸压力变化而变化。

图5 制动示意图

电子助力器与电子助力器提供的制动能量回收是电动车混合能量回收的一部分，当驾驶员、自动制动系统或动力系统请求制动力矩，制动能量回收系统就开始工作。制动能量回收的策略是：协调用于回收的制动力矩与摩擦制动力矩,使得力矩总量等于驾驶员、自动制动系统或动力系统等需求的制动扭矩，通过协调摩擦制动力矩和能量回收制动力矩不使驾驶员明显感觉到踏板行程和踏板力的变化，同时制动减速度满足期望值。制动应用和控制系统可以通过对混合动力和电动汽车采用尽可能多的制动能量回收策略来延长驾驶里程并提高燃油经济性。

2 制动性能差异

2.1 制动踏板感

制动踏板感是踏板操作（踏板力和踏板行程）与减速度之间的关系，是制动系统零部件集成在整车上的综合表现，是制动性能的重要组成部分，也是顾客和媒体及测评机构关注的重点。制动踏板感的好坏直接影响顾客驾乘体验和驾驶信心，制动踏板感一般分为舒适踏板感和运动踏板感，主要区别是舒适踏板感强调线性和轻便性，运动踏板感要求制动响应迅速，给驾驶员的反馈感强，但是两者要求的制动信心度是一致的，不能让驾驶员有“刹不住”的感觉。本文下面只从助力部分展开不同助力器对踏板感调教的影响分析。

2.1.1 传统助力器制动系统

在硬件选型阶段通过助力器的助力比、初始力、起跳值、拐点值、主缸缸径来达到需要的踏板感曲线。硬件选型结束之后，如调整踏板感则需要通过更改硬件，开发周期长，费用高，需反复更换零件，其对应的关系见表1。

表1 助力器各零部件参数耦合关系

2.1.2 电子助力器制动系统

在硬件选型阶段与传统助力器相似，但在硬件选型结束后仍可通过软件来调整踏板曲线从而达到需要的踏板感，如图6 所示，图中绿色曲线代表标准值，绿色曲线上下两条曲线分别代表了运动型与舒适型踏板感，电子助力其可以根据不同的车型定位来设置软件参数，或者同一车型的不同驾驶模式，通过设置软件参数，让驾驶员感受到不同的制动踏板感觉，其上下调整相对于传统的助力器开发，开发时间周期短，费用低。

图6 电子助力器软件参数调整范围示意图

2.1.3 制动热衰退

连续制动过程中由于制动盘和摩擦片高温导致摩擦系数降低以及连续制动后真空度不足导致的助力变小，从而使制动距离变长以及踏板行程变长甚至制动踏板直接触底的驾驶工况[2]。

2.2 制动热衰退

2.2.1 传统助力器制动系统的热衰退

传统助力器制动系统可能受发动机万有特性影响，导致真空源提供的真空度不足，从而使助力拐点降低，更容易导致连续制动后制动系统产生的制动力小于地面制动力的情况，从而使轮胎无法充分发挥出最大的附着力，进而导致制动距离增加。

2.2.2 电子助力器制动系统的热衰退

电子助力器无需真空源，在连续制动后拐点不变。但电子助力器在热衰退后由于效能的降低使得在相同的踏板行程下产生的助力大小仍与衰退前一样，导致制动热衰退后的踏板感偏软引起制动信心缺失，这点在开发阶段需充分验证。

2.3 制动距离

特定车速下快速踩踏板，制动开始时到车辆停止时经过的距离[2]。

传统助力器从驾驶员制动踏板开始到达到最大制动力系统的反应时间约为0.2 s[2]，电子制动器有更快的反应时间约0.1 s，以百公里制动距离为例，在其他制动部件相同的条件下，电子助力器能缩短约2.7 m的制度距离。

2.4 制动NVH

典型的制动噪音有高频的Squeal，低频groan、moan、rattle，电机工作时的噪音，电机工作时反馈在踏板上的振动，以及制动抖动。

电动车使用电子助力器，0.3 g 以下的制动能量回收过程中制动器基本不提供减速度，而顾客使用的制动工况95 %都在0.3 g 以下。图7 展示了某车型黄山噪音试验工况，不带能量回收时制动盘持续保持在高温状态，最高能达300 ℃，带能量回收后制动盘温度基本在100 ℃以下。

图7 能量回收与无能量回收制动盘温度差异

使用电子助力器的制动系统由于液压制动参与较少，制动器高温产生极少，相对使用真空助力器的制动系统，摩擦片的工作环境更稳定，产生Squeal 噪音的几率大大降低；同时也要注意到由于制动器不经常被高强度使用，制动器的除锈能力相对降低，产生制动抖动的几率增加；电子助力制动系统直接与制动踏板连接，工作时产生的噪音很容易被驾驶员感知到，振动也容易传递到制动踏板上；对于低频的噪音，传统助力器与真空助力器无明显差异。

2.5 制动能量回收

传统助力器无法发挥踏板力的协调作用，只能由电机设定固定的回收扭矩产生恒定的减速度，该值一般设定在0.1 g 以下，设定过大影响驾乘体验，回收能量有限。

电子助力器在更大范围的制动强度下能使电机回收能量更多，如图8 所示，在中等制动强度下完全由电机提供扭矩，当制动强度加大时，非驱动轴的液压制动提供部分扭矩，近一步加大制动强度后驱动轴的液压再提供指导扭矩，由于电子助力器可以精确协调液压制动介入的时机，使制动力矩非常平顺，同时电子助力器的踏板感由模拟器反馈，所以可以保证驾驶人对液压制动的介入“毫无感知”。

图8 能量回收扭矩与制动液压补偿扭矩介入顺序示意图

3 电动车电子助力器在开发过程中的问题

3.1 制动踏板感的协调性的标定

电子助力器制动过程中需要液压和电机的扭矩协调，协调的准确性直接影响踏板感的体验，该部分需要与电机联合标定，制动系统的变化也将影响液压扭矩执行的准确性，理想情况下，制动液压产生的扭矩与电机扭矩相互协调，产生理想的制动需求扭矩，如图9（a）所示；而现实情况是：由于制动系统各零部件的一致性及传感器的精度等都对制动液压力矩与电机扭矩的协调有影响，实际的制动输出扭矩有一定的波动，如图9（b）所示，所以，需要整个制动系统需要联合电机进行反复的标定和验证，以提高系统的鲁棒性。以下因素对电子助力器执行的扭矩影响较大：

图9 液压补偿曲线

1）摩擦系数的变化，不同温度和磨合程度对摩擦片摩擦系数有较大影响；

2）液压传感器测试管路压力与系统预估管路压力的精准度；

3）实际电子助力器电机执行的精准度；

4）电机回收响应的快慢及响应的准确性。

3.2 整车踏板感一致性的保证

制动能量回收需要其他零件的参与度更高，与电控单元及网络信号关联更紧密，影响因素更多，保证一致性的难度加大。如卡钳的需液量的差异导致电子助力器产生的助力不一致，电机制造差异导致回收扭矩的不一致，这些干扰因素都需要在制动系统匹配时做好相应的对策。

4 电子助力器的优势

电子助力器的助力比和初始力都可通过软件调整，可实现在相同的硬件上调出不同风格的踏板感，满足顾客多样化的需求；也可以实现相同硬件在不同车型上实现不同踏板感，减少硬件开发的数量；相比于传统助力器，电子助力器实现更短的建压时间和更大的建压能量，在AEB 功能中表现更优；为L3 级别及以上自动驾驶提供制动备份功能，满足法规；在售后阶段可以通过更新软件实现踏板感的调整，更好满足顾客的需求。

5 结语

电子助力器对电动车而言是及其重要的组成部分，在自动驾驶技术中是车辆纵向控制和执行的灵魂所在，同样也是顾客驾驶体验中的重要一环。随着国家碳达峰及碳中和目标的确定，电动车产业必将进入新纪元，电动车的功能也更偏向于智能化和科技化，电子助力不是制动系统演化的终点，其会继续沿着集成化更高，功能更加丰富多元化的方向继续发展。