摘要:為了促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)效率的不斷提高、對(duì)電驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用需求可謂日漸提升，同時(shí)對(duì)其提出了更高的安全性要求。不僅如此，自動(dòng)駕駛對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)提出了新的設(shè)計(jì)理念。Bosch公司新開發(fā)的iBooster機(jī)電式制動(dòng)力放大器成功地滿足了此類要求，并且與制動(dòng)系統(tǒng)并未存在較大的結(jié)構(gòu)偏差。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng) 自動(dòng)駕駛 制動(dòng)力 放大器

1市場(chǎng)環(huán)境

自從1995年應(yīng)用電子穩(wěn)定性系統(tǒng)（ESP）以來，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求發(fā)生了顯著的變化，而對(duì)更先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)以及更高效的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步需求，有效推動(dòng)了制動(dòng)系統(tǒng)在可靠性和應(yīng)用性方面的高要求。在駕駛員輔助系統(tǒng)領(lǐng)域出現(xiàn)的該類現(xiàn)象，一方面意味著噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）對(duì)車輛間距調(diào)節(jié)直至停車的舒適性起著日益重要的作用；另一方面其全新的安全性功能需要采用更快的動(dòng)態(tài)制動(dòng)壓力方可建立。未來的CO2排放要求導(dǎo)致了現(xiàn)代汽油機(jī)在每種運(yùn)行狀態(tài)下無需具備足夠真空度的硬性指標(biāo)。為此采用了兩大策略，其一為使用內(nèi)燃機(jī)上的真空泵，其二為使用電動(dòng)真空泵，而動(dòng)力總成系統(tǒng)的電動(dòng)化則進(jìn)一步加劇了對(duì)NVH特性的要求，并且完全放棄用于制動(dòng)力放大器的動(dòng)力來源。除此之外，在混合動(dòng)力車和電動(dòng)車上可通過電機(jī)的制動(dòng)能量回收功能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成用于蓄電池的充電電能。為了順利地實(shí)現(xiàn)該策略，制動(dòng)系統(tǒng)必須能吸收電機(jī)的制動(dòng)力矩。此外，采用自動(dòng)駕駛功能需要在制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)布設(shè)有備用裝置，從而即使在發(fā)生故障的情況下也能確保車輛減速功能的實(shí)現(xiàn)。

iBooster機(jī)電式制動(dòng)力放大器能滿足市場(chǎng)提出的所有要求（圖1），因此2013年第一代iBooster制動(dòng)力放大器的市場(chǎng)投放現(xiàn)狀就已證實(shí)其原理上的可行性，而目前第二代iBooster制動(dòng)力放大器又將持續(xù)不斷地推動(dòng)其工業(yè)化生產(chǎn)，并先進(jìn)行預(yù)裝配，這樣就可適應(yīng)大批量生產(chǎn)的節(jié)奏。2017年第二代iBooster制動(dòng)力放大器（圖2）已在歐洲和北美進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，并即刻將在中國生產(chǎn)，因此可通過全球網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行生產(chǎn)，從而為廣大用戶服務(wù)。

圖1 現(xiàn)代制動(dòng)系統(tǒng)能改變

汽車工業(yè)的市場(chǎng)傾向

圖2 第二代iBooster機(jī)電式制動(dòng)力放大器

2工作原理

迄今為止的真空式制動(dòng)力放大器將被iBooster機(jī)電式制動(dòng)力放大器所取代，而并不會(huì)改變助力制動(dòng)裝置的常規(guī)結(jié)構(gòu)，但以此取消了真空源的必要性，因?yàn)槟壳叭杂呻姍C(jī)驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生作用力。由于仍將持續(xù)運(yùn)用駕駛員的操控能力，因此可使用結(jié)構(gòu)更為緊湊的電機(jī)，并且即使在動(dòng)態(tài)制動(dòng)時(shí)其最大電流消耗也是較少的，而且在汽車電路充電狀況不良的情況下能夠適時(shí)調(diào)整iBooster的動(dòng)態(tài)性能。

iBooster通過一個(gè)集成的差動(dòng)行程傳感器采集駕駛員的制動(dòng)需求，再將這種信息傳遞到電控單元（ECU），通過電控單元計(jì)算出電機(jī)的控制信號(hào)，其轉(zhuǎn)矩可通過變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所需的驅(qū)動(dòng)力，并與制動(dòng)總缸中駕駛員提供的作用力一起轉(zhuǎn)換成液壓力。諸如制動(dòng)總缸和儲(chǔ)氣罐等確保可靠運(yùn)行的部件都使傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)保持不變，而電控單元?jiǎng)t應(yīng)用了ESP標(biāo)準(zhǔn)模塊化部件。

iBooster經(jīng)由行程來調(diào)節(jié)，需通過連接件才能實(shí)現(xiàn)（圖3）。放大器跟隨輸入桿確保必要的踏板反饋。

原則上，可有兩種行程測(cè)量：

（1）輸入桿行程和放大器行程（在第一代iBooster中就以此進(jìn)行轉(zhuǎn)換）；

（2）差動(dòng)行程和放大器行程（第二代iBooster即遵循該原理）。

圖3 iBooster制動(dòng)力放大器基本功能

因此，在第二代iBooster中的調(diào)節(jié)過程被設(shè)計(jì)成可將輸入桿行程和放大器行程之間的差動(dòng)行程調(diào)節(jié)到零值。為了使其達(dá)到必要的精度和動(dòng)態(tài)性能，采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）作為驅(qū)動(dòng)裝置，由于其在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)中的廣泛應(yīng)用，因此在商業(yè)上具有普遍吸引力。為了永磁式同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）實(shí)現(xiàn)整流過程，需配置一種轉(zhuǎn)子式位置傳感器，因?yàn)樵搨鞲衅骺杀挥糜诓槊鞣糯笃餍谐痰姆轿?，放大器范圍的定位可達(dá)到μm級(jí)。制動(dòng)踏板與iBooster電動(dòng)機(jī)之間的連接件會(huì)對(duì)其行程進(jìn)行限制，并且由其實(shí)現(xiàn)下列附加功能：

（1）自動(dòng)建立制動(dòng)壓力（無需駕駛員參與）；

（2）機(jī)械返回運(yùn)動(dòng)級(jí)（在發(fā)生故障情況下無需采用iBooster電機(jī)輔助）。

在采用電動(dòng)車和混合動(dòng)力車的情況下，需匹配iBooster的支撐力，根據(jù)車輛是否是通過車輪液壓減速或者通過動(dòng)力傳動(dòng)系減速而定，因此仍保留其踩下踏板的常規(guī)感受，其中ESP通過中間儲(chǔ)存減小了參與制動(dòng)的有效液壓容積，從而降低了制動(dòng)壓力，同時(shí)通過iBooster減小了支撐力，因而相對(duì)于車輛減速而言，駕駛員的踩踏力本身并不存在差異（見圖3）。

iBooster適合于安裝于8和9真空制動(dòng)力放大器的結(jié)構(gòu)空間中。但是與后者相比，前者并非采用中心對(duì)稱，不過iBooster的電源組、電動(dòng)機(jī)單元和電控單元能被配裝于不同的位置，因而在安裝空間方面具有較大的靈活性，例如在必要的調(diào)整情況下可用于右置方向盤車型。

機(jī)電式方案能使制動(dòng)裝置的變更減小，由于其能借助于軟件實(shí)現(xiàn)功能的匹配調(diào)整，因而僅用4種尺寸方案即可滿足從小型車至運(yùn)輸車輛的需求。此外，在進(jìn)行軟件參數(shù)化時(shí)的數(shù)學(xué)模型可確保iBooster滿足所有的需求，例如可以是法規(guī)要求或者由汽車制造商提出的電功率消耗。采用該類方式以確保對(duì)安全性具有重要意義的特性優(yōu)先級(jí)始終高于舒適性和適應(yīng)性。此外，iBooster的功能軟件匹配由于比助力制動(dòng)裝置更為簡單，成本也較為低廉，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可通過軟件改變踏板作用力。該現(xiàn)象即使得汽車制造商可根據(jù)實(shí)際狀況調(diào)整制動(dòng)踏板力，例如可將車輛開進(jìn)停車位過程中所需的操作力比在高速公路上行駛時(shí)還要小。

3iBooster機(jī)電式制動(dòng)力放大器的優(yōu)點(diǎn)

與帶有真空制動(dòng)力放大器的制動(dòng)系統(tǒng)相比，在應(yīng)用iBooster時(shí)基本保留了其制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此iBooster可配裝于不少車型平臺(tái)內(nèi)，也可繼續(xù)使用真空制動(dòng)力放大器。在混合動(dòng)力車和電動(dòng)車情況下采用ESP HEV（譯注：指用于混合動(dòng)力車的ESP）系統(tǒng)替代標(biāo)準(zhǔn)的ESP系統(tǒng)，正如前所述的那樣，這種系統(tǒng)能吸收制動(dòng)力矩，因此兩種系統(tǒng)既可選擇用于制動(dòng)操縱，又可用于制動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)也允許根據(jù)需要進(jìn)行組合，這些可能性和應(yīng)用情況示于圖4。

圖4 模塊化制動(dòng)系統(tǒng)的組合

例如自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）那樣的安全性功能需要較短的制動(dòng)行程，在該方面與當(dāng)今常規(guī)的ESP系統(tǒng)相比，iBooster能提供明顯較快的動(dòng)態(tài)制動(dòng)壓力建立效果，比在臨界狀況下的iBooster建立起全制動(dòng)壓力可快3倍，其制動(dòng)行程得以顯著縮短，因此能避免事故，同時(shí)可在發(fā)生不可避免撞車事故的情況下降低碰撞速度，從而減輕所有當(dāng)事人的受傷風(fēng)險(xiǎn)。

諸如轉(zhuǎn)向機(jī)、變速器或者加速踏板等車輛零部件的性能如今已能在許多車輛上進(jìn)行匹配及調(diào)整，采用iBooster時(shí)也能對(duì)制動(dòng)踏板進(jìn)行類似操作（圖5），并且除了在舒適性或運(yùn)動(dòng)性之間開展的性能選擇之外，還能對(duì)其行駛狀況進(jìn)行調(diào)整。除此之外，在整個(gè)車型平臺(tái)范圍內(nèi)，還能以相同的硬件設(shè)置滿足其局部的不同要求。

圖5 可調(diào)節(jié)的制動(dòng)踏板特性

4在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中的應(yīng)用

在自動(dòng)駕駛情況下，對(duì)于所有對(duì)安全性具有重要意義的系統(tǒng)，保證其較高的可使用性是絕對(duì)有必要的。在每種故障情況下，制動(dòng)系統(tǒng)都必須確保車輛實(shí)現(xiàn)安全停車功能而無需駕駛員的額外干預(yù)。目前由真空制動(dòng)力放大器和ESP組成的制動(dòng)系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)裝備，在該系統(tǒng)中無需駕駛員操控僅通過ESP就能建立起制動(dòng)壓力。如果應(yīng)用iBooster的話，那么系統(tǒng)就包括兩個(gè)制動(dòng)執(zhí)行器（iBooster和ESP），與這些執(zhí)行器和軟件中的其他措施相結(jié)合就能確保制動(dòng)功能的高效性。

在進(jìn)行正常操作時(shí)，由iBooster建立起車輛減速所需的制動(dòng)壓力，ESP系統(tǒng)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，以便即使是在彎道上過快行駛情況下或在光滑道路上也能確保車輛的穩(wěn)定行駛。為了即使在出現(xiàn)故障的情況下也能安全地?？吭诘缆愤吘墸送膺€需考慮到下列單項(xiàng)故障：

（1）iBooster故障：由ESP建立起液壓制動(dòng)壓力從而使車輛減速。

（2）ESP故障：由iBooster建立起液壓制動(dòng)壓力從而使車輛減速。

iBooster的調(diào)節(jié)不僅可確保車輛的縱向穩(wěn)定性，而且也可確保車輛的可轉(zhuǎn)向性。

用于高度自動(dòng)駕駛的iBooster和ESP的組合是一類復(fù)雜的制動(dòng)系統(tǒng)，并得到了歐洲汽車零部件供應(yīng)商聯(lián)合會(huì)（Clepa）的表彰。

除了制動(dòng)力放大器實(shí)行電氣化之外，還提供了將制動(dòng)壓力建立單元和調(diào)節(jié)單元集成在一個(gè)器件中的可能性，Bosch公司目前正在致力于開發(fā)該類結(jié)構(gòu)型式。原則上，傳遞到車輪制動(dòng)器的液壓作用力也應(yīng)遵循未來對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求，并考慮到純電動(dòng)結(jié)構(gòu)型式的可靠性、耐久性和成本。