全网最全：博世制动系统方案大盘点
科技
2024-10-31 22:54
上海
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博世（Bosch）作为全球领先的技术及服务供应商，业务涉及汽车技术、工业技术、消费品和建筑智能化技术领域。在汽车技术领域，博世深耕制动领域多年，通过持续的创新不断推出先进的技术解决方案，逐步成为全球Top 1并始终保持着领先的地位。本文将对博世所有的制动系统及其特点进行一个全面的盘点。后续公众号也将陆续推出文章，详细解读这些制动方案的工作原理，欢迎读者点击上面关注公众号“线控底盘星球”。博世制动方案，文章会在此基础上结合博世最新动态进行补充 1. ABS (Anti-lock Brake System)ABS是汽车历史上的一颗璀璨的明珠，这颗明珠也照亮了以“创新”为标签的博世，让世界加速了对这家成立于1866年的公司的认识。ABS开启了博世在制动领域的持续创新之路，并一步一步走向行业顶尖，成为全球第一大汽车技术供应商。在日常驾驶中如果遇到突发状况，驾驶员会选择猛踩制动来进行避免。在这个过程中如果制动卡钳对制动盘作用力过大，会导致车轮抱死，这可能引起车辆失去稳定性而造成严重的交通事故。为解决这一问题，早在上世纪30年代，汽车工程师就开始研究制动防抱死系统ABS (Anti-lock Brake System, ABS) 来解决紧急制动时车轮抱死问题，博世于1936年注册了第一个该类技术专利，但受制于技术发展，距离量产有很大的差距。到了70年代后期，由于数字电子计算机技术的发展，同时也得益于液压控制技术的进步，德国博世公司推出基于液压控制的ABS，控制效果相当理想，于是博世在1978年正式量产ABS产品。博世ABS的问世正式拉开了底盘电子稳定性系统发展的序幕，此后博世不断迭代设计方案，而且很多其他公司也加入其中，各种新型的ABS算法层出不穷，性能不断优化而且价格逐渐降低，如今，ABS已经成为了轿车和商用车的标配，在很多国家变成了法规强制要求。2. ESP (Electrical Stability Program)ABS解决了车辆制动时纵向稳定性的问题，但是无法解决车辆驱动时的纵向稳定性问题。典型工况及原因如下：为解决这些问题，1986 年12 月，博世（Bosch）公司首次推出了具有制动防抱和驱动防滑功能的TCS——Bosch ABS/ASR 2U，应用并将制动防抱死系统和牵引力控制系统集成到一起并应用于梅塞德斯S级轿车上，并开始小批量生产，这标志着 ABS/TCS集成时代的来临。而ABS/TCS解决的是纵向稳定性稳定，车辆在转向过程中转向不当而引起的侧向稳定性问题。总结来说，转向不当会造成的两类典型的车辆动态问题：当出现转向不足时，横摆角速度太小，导致车辆前轴滑向弯道外侧；当出现转向过度时，横摆角速度太大，导致车辆后轴滑向弯道外侧而引起甩尾。为解决转向不当引起的车辆稳定性问题，博世于1992年推出了第一代稳定性控制功能VDC(Vehicle Dynamic Control)，并将同时集成了ABS、TCS和VDC功能的产品命名为ESP (Electronic Stability Program) 。1995年ESP系统实现批量生产，并首次应用在奔驰S级轿车上。博世的ESP是汽车发展史上划时代的产品，研究显示，VDC功能可以减少80%由侧滑引起的交通事故，并将严重车祸的数量减少50%。因此了集成了VDC功能的ESP产品被多家世界著名汽车厂商和研究机构称之为“能拯救生命的ESP”。ESP问世后在汽车行业迅速得到推广，而后其他厂家也相继推出类似的产品，这类产品有个统称“电子稳定性控制系统ESC（Electric Stability Controller）”，但是由于ESP的叫法已经深入人心，至今，我们依旧会习惯性地称呼这类产品为”ESP” 。3. 真空制动助力器 (Vacuum Brake Booster)随着车辆越来越重，配合传统发动机工作的真空制动助力器一度成为乘用车的标配，博世也推出了该产品并至今保持着不错的出货量。以盘式制动器为例，真空制动助力器的工作原理为：驾驶员踩下制动踏板，由于杠杆作用，踏板力经过第一级放大传递到真空制动助力器；助力器经过第二级放大将制动力传递到主缸；主缸的制动液被推入轮缸并在压强的作用下产生更大的制动力，推动轮端卡钳加紧刹车盘，从而实现制动。真空制动助力器具有性价比高和可靠性高的优势，能够满足日常驾驶需求,这些优势使得真空助力器在乘用车市场份额中遥遥领先。- 发动机舱空间导致助力器尺寸受限而造成的真空度不足；
ESP具备主动控制四个轮缸制动力的能力，因此在提供稳定性功能的同时，可以弥补真空助力器的能力不足从而产生充分的制动力。真空助力器辅助功能HBB (Hydraulic Brake Boost) 作为ESP的增值功能，可以辅助车辆在进行动态制动时的主动增压。当驾驶员踩下制动踏板时，HBB读取驾驶员的制动请求并进行放大，并计算目标压力值；如果满足激活激活条件，目标压力值将通过后处理传递给液压控制模块进行增压控制，从而对驾驶员的制动请求进行放大。由于真空制动助力器依赖稳定的真空源工作，因此在在汽车电动化的趋势下，没有了抽真空的发动机就意味着需要额外的部件来主动产生真空，这增加了成本；而在汽车智能化的趋势下，真空制动助力器更是无法施展拳脚。博世在这样的趋势下推出了液压式线控制动制动助力产品：智能助力器iBooster 。iBooster不依赖真空源，取代了传统的真空泵和真空软管，体积更小，整个制动系统重量更轻，无需消耗能量建立真空源，仅在制动时消耗电量，从而达到节能减碳的目的，更加符合未来发展趋势，因此受到了中高档车型的青睐，市场份额越来越高。从机械结构上看，iBooster属于非解偶踏板系统，这样的好处是在制动过程中iBooster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（例如刹车片的衰退），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。iBooster利用踏板位移传感器感知驾驶员踩下制动踏板的深度并将信号传给电控ECU，ECU控制助力电机产生对应的扭距，在机电放大机构的驱动下，活塞移动并将主缸的制动液压入轮缸，从而实现轮端制动。相比真空助力器，iBooster的电控单元可以实现更快的制动响应速度以及更精准的制动力控制。博世的“iBooster+ESP”组合是最为业界熟知的Two-box方案方案，不仅问世时间最久，技术最为成熟，更是因兼顾人驾与高阶智能驾驶需求的能力而获得了“黄金组合”的业界称号。如下图所示，iBooster和ESP在车上共用一套液压系统，彼此分工明确，在全功能模式下，前者实现电制动助力功能，后者提供ABS, VDC等稳定性功能。而当iBooster发生故障导致电助力失效后，ESP可以主动建压提供备份助力功能。当iBooster与ESP均失效后，系统进入机械备份模式，制动踏板和液压管路通过机械连接，保证驾驶员仍然能够通过人力踩制动踏板推动液压从主缸进入轮缸，建立满足法规性能要求的应急制动力。此外，iBooster与ESP还能提供制动能量回收功能，在ESP大容量蓄能器的加持下，当驾驶员踩下制动踏板时，iBooster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，而这个过程中iBooster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，在实现能量回收的同时保证踏板感的一致性，给驾驶员带来最舒适的体验。iBooster与ESP能量回收示意图，图片来自博世官网高阶自动驾驶对制动系统提出了冗余要求，“iBooster+ESP”可以在不改变硬件的前提下，通过扩展软件功能提供制动冗余方案。ESP和iBooster均能在整个减速范围内独立的对车辆进行制动。考虑到iBooster建压的动态响应速度比ESP主动建压更快，且NVH表现更好，因此iBooster是冗余制动系统中的主执行机构。当iBooster发生故障时，ESP接管并通过主动建压实现上层制动请求，使车辆进入安全状态。7. IPB (Integrated Power Brake)iBooster的非解偶踏板设计有其优势，但也决定了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iBooster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，博世推出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IPB，该产品一经推出并迅速成为“明星产品”，在中国市场尤其受欢迎，据博世官方消息，IPB的本土化产量已突破一千万件。IPB的工作原理为：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，IPB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。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。IPB在辅助驾驶系统中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），IPB显然无法独立完成这一任务。因此IPB需要额外配合一个独立的制动单元RBU（Redundant Brake Unit）以组成能够支持制动冗余的Two-box方案。IPB与RBU工作示意图，左为RBU，图片来自博世官网解耦Two-box方案“DPB+ ESP”在小米SU7发布会亮相，图片来自网络2024年，博世重磅推出全新的Two-box方案“DPB+ ESP”并首发于小米SU7车型，上市后掀起了不小的热度。其中，DPB为“Decoupled Power Brake，解耦电制动助力系统”的缩写。相比“iBooster+ESP”的组合，“DPB+ ESP”既能实现踏板解耦，又能满足高阶自动驾驶的制动冗余要求。从分工上看，DPB和ESP和分别负责电助力功能和稳定性功能。在全功能模式下，无论是驾驶员踩制动还是智能驾驶系统请求制动控制时，均有DPB提供制动助力，而且在驾驶员没有干预的情况下，DPB在提供助力功能的同时，制动踏板不会有额外的动作；而当DPB系统失效后，ESP可以主动建压提供备份助力功能。当DPB与ESP均失效后，系统进入机械备份模式，制动踏板和液压管路通过机械连接，保证驾驶员仍然能够通过人力踩制动踏板推动液压从主缸进入轮缸，建立满足法规性能要求的应急制动力。在欧盟，乘用车制动法规ECE R13-H正在修订之中，将加入对完全线控制动系统ETBS (Electrical Transmission Braking System)的相关要求，并计划在2025年年底前释放。在中国，包含了对ETBS要求的乘用车制动法规GB 21670也在修订之中，有望在2026年发布。站在这个历史节点上，博世今年在官网上发布了面向未来的完全线控的方案“BWA+ESP”的消息，引起了不小的关注。从中我们也可以看到博世持续的创新力。BWA+ESP的组合摒弃了制动踏板和制动系统之间的机械连接。通过冗余信号线，制动指令从电子制动踏板传输到BWA和ESP，两个部件的相互作用意味着在任何情况下都能保证完整的制动性能。在发生故障时，线控制动执行器BWA和ESP可在所有四个车轮制动器上产生所需的制动压力。此外，取消制动踏板和制动系统之间的机械连接为人机交互界面和车内设计提供了全新的可能性。目前博世官方并没有EMB相关的消息，但是我们从相关的论文可以看到，博世对EMB的研究早就开始。随着完全线控制动法规在欧洲和中国的推进，博世会在EMB上有什么新的动作？能否继续发挥技术积累优势和创新驱动优势继续引领市场？让我们拭目以待。本文对博世制动方案进行了全面的梳理，从中可以感受到博世作为全球第一大汽车技术供应商持续的创新力，博世用实际行动践行着口号“科技，成就生活之美”。![]()
