王志忠
摘 要：高阶驾驶自动化功能，对底盘制动系统提出了较高的系统要求;常规的ABS/ESP很难满足高阶驾驶自动化的冗余安全需求。文章在分析底盘制动系统各电子控制单元的原理及局限性基础上，对比设计多种方案的优劣性，深入讨论了不同等级驾驶自动化系统对底盘制动系统的需求，并进行了总结，为不同类型的高阶驾驶自动化的底盘制动选型提供了参考。关键词：汽车工程;驾驶自动化;底盘制动中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）11-29-04
Abstract： The highly autonomous driving （HAD） function puts forward higher system requirements for the chassis braking system; conventional ABS/ESC is difficult to meet the redundant safety requirements of HAD System. based on the analysis of the principle and the limitation of each electronic control unit of the chassis brake system， this research paper compares the advantages and disadvantages of Every schemes， at last recommend some reference scheme for the selection of chassis brake of different types of HAD System.Keywords： Automotive engineering; HAD; Chassis brakeCLC NO.： U463.5 document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）11-29-04
1 前言
駕驶自动化根据SAEJ 3016规定，将驾驶自动化划分为了5级[1]不同等级的驾驶自动化功能对整个系统的冗余安全需求程度不同，然而高级别驾驶自动化系统更多的研究集中于自动驾驶系统的感知，规划，决策，控制层[2-5]，这些领域都是自动驾驶的大脑，然而执行机构的稳定，可靠性以及成本直接影响到了自动驾驶系统的推广与应用。国外研究文献[6，7]在分析制动系统失效的路径基础上，设计实现制动系统的冗余备份的方案。
文章在深入解读SAEJ3016基础上，结合驾驶自动化系统的职责需求，分析了不同等级驾驶自动化系统对底盘制动系统的要求，并深入讨论了不同类型底盘冗余系统的优劣性;
文章研究内容如下：
（1）分析不同底盘制动系统的工作原理以及优劣性;
（2）根据驾驶自动化等级分类，系统化分析不同等级驾驶自动化系统对制动系统的初步系统需求;
（3）进一步的结合使用场景以及驾驶自动化等级总结出制动系统设计与选型的原则;
（4）结合制动系统原理为不同等级驾驶自动化系统的底盘制动系统设计提出了基础设计准则。
2 制动系统原理
车辆制动系统分为行车制动以及驻车制动系统，常见的行车制动控制单元为ABS/ESP（不同企业命名有所不同，大陆称之为ESC，BOSCH称之为ESP，日系车企称之为VSC或是VDC）。
随着电动化以及智能化技术的发展，为满足电动化以及驾驶自动化的需求，车载真空助力器逐渐被电子助力式制动系统代替，以BOSCH为代表的底盘制动厂商推出了第二代电子式助力制动系统I-Booster，国内厂商纳森以及联创相继推出了对应的产品[8，9]。
控制器的高度集成依然成为一种趋势，以大陆为代表厂商推出了MKC1以及以BOSCH为代表的IPB，都将电子助力式制动系统与ESP相结合实现单体ECU的控制。
车辆驻车制动也是HAD系统需要考虑的关键因素，驻车制动从机械手刹，逐步过渡到电子手刹EPB（Electric Parking Braking），电子手刹系统可以实现自动的驻车以及驱动驶离时的自动释放，并且电子手刹系统可以通过卡钳电机的动态制动实现部分行车制动功能。
2.1 ABS/ESP制动原理
ABS/ESP系统原理简图如图1所示，ABS/ESP控制单元通过连接于主缸的输油管实现制动液压油的补给与回馈;ABS/ESP利用自身液压部分的阀体以及马达，通过控制器实时获取的车辆横摆角信息以及车速轮速信息，实现主动的建压与压力卸载，最终通过4路输出油管将液压驱动力传递与4个卡钳实现车辆的制动与稳定控制。
ABS/ESP通过主动建压的方式产生的制动减速度可以达到0.8～0.9g。
2.2 电子助力式制动系统原理
电子助力式制动系统利用电机驱动的方式，主动建压，将主缸油壶的液压油主动推入轮缸，实现制动，其原理简图如图2所示。
电子助力式制动系统，作为真空助力器的一种替代，它本身没有阀体且无需接收轮速传感器采集的轮速信息，它只能实现单一的助力功能，无法实现防抱死以及车辆稳态控制功能;在不考虑车辆稳定性的前提下，电子助力式制动系统产生的制动减速度可达到1g。
2.3 集成式制动系统原理
集成式制动系统将ABS/ESP以及电子助力式制动系统相结合形成OneBox的方案，它既可以实现助力器的功能，同时也可以实现防抱死以及车辆稳态控制的功能。
2.4 EPB制动原理
EPB即电子手刹，它根据获取的轮速信息，车辆的加速度信息，驾驶者的驶离请求信息，驾驶者的驻车制动请求信息等等，可以实现车辆的稳定驻车。
EPB本身带有动态制动功能，在ESP液压制动失效的情况下，EPB中的动态制动功能可以通过EPB电子控制单元控制左右轮的卡钳电机逐步夹紧与释放模拟动态ABS功能，最终实现车辆刹停且不会出现车辆抱死的情形。
由于卡钳电机的电气属性，EPB动态制动所产生的制动减速度小于0.2g。
3 行车制动系统优劣性分析
章节二中重点介绍了各行车制动系统的工作原理，文章从成本，制动效能，传感器依赖性，车辆稳态控制能力，适用场景角度重点剖析各种制动系统的优劣性。
ABS/ESP作为目前较为普及的一种产品价格便宜，且可以是达到较大的制动减速度同时可以实现车辆的稳态控制。
现阶段电子助力式制动系统无法实现车辆的防抱死以及车辆稳态控制功能，电子助力式制动系统其助力电机可产生较大的驱动力，以实现1g的制动减速度，由于电子助力式制动系统仅提供助力功能，为此无需轮速以及IMU的信息。
集成式助力控制系统，实现了ESP与电子助力制动系统的结合，可以实现较大的制动减速度，同时可以实现车辆的稳态控制，但是成本最高，且采用One BOX的方案无法实现基本的备份操作。
EPB可以实现基本的防抱死功能，由于其仅依靠卡钳电机实现对左右轮的动态控制，其产生的制动减速度较小，且无法实现车辆稳态控制，但成本最低。
根据上述分析，各行车制动系统的对比如表1所示。
4 不同等級驾驶自动化对制动系统设计要求
4.1 L0～L2驾驶自动化
根据SAEJ3016定义的职责需求，L0～L2等级，底盘制动系统无需冗余设计。
4.2 L3级驾驶自动化
L3级自动驾驶系统需要在有限的接管时间内实现车辆的稳态控制，由于L3级自动驾驶系统其ODD定义不同导致对底盘制动系统要求有所相同。
行业内规定的L3系统默认接管时间一般为10s，底盘制动系统的备份系统至少需工作10s以完成由系统到人类驾驶者接管期间的车辆稳定控制。
对于L3级应用场景而言，为方便讨论，简要分为高速，中速，低速三种场景，同时进一步的拆分是否存在湿滑路面以影响车辆稳定性。
若ODD定义为高速场景（假定30kph以上）且存在湿滑路面，车辆失稳将产生严重的事故为保证车辆稳定性，备份系统需完成车辆稳态控制功能。
若ODD定义为高速场景且不存在湿滑路面，备份系统需完成紧急制动功能以实现单车道安全停车，考虑到车轮抱死带来侧滑以及甩尾风险，备份制动系统需保证具备防抱死能力。
对于中速场景（假定30kph～10kph）而言，例如AVP召唤与还车道路，其速度为中速，车辆失稳的可能性较低，但是为保证制动效能，备份系统需具备紧急快速制动能力。
对于低速场景（假定10kph一下）而言，车辆发生失稳的可能性较低，且产生碰撞带来的损伤较低，为此备份系统具备一定的制动能力即可。
根据上述分析，对于高速且存在湿滑路面的情形下，底盘制动系统可选则ESP+集成助力控制系统的组合，集成助力控制器系统作为主执行单元完成常规的控制功能，在主控制单元失效的情况下，由备份式的ESP完成车辆的稳态控制。
如第二章节分析，ESP单元需额外增加独立的4个轮速传感器以及IMU以完成车辆稳态控制功能;电气示意图如图3所示。
根据上述分析，对于高速且无湿滑路面的情形，底盘制动系统可选择ESP+电子助力式制动系统的组合，ESP系统作为主控制单元，当主控制单元失效的情况下由备份式的电子助力式制动系统完成车辆的安全停车。
如第二章节分析，由于电子助力式制动系统本身不接收轮速传感器信息，为实现防抱死功能，电子助力式制动系统至少须在后轮增加2个轮速传感器以实现防抱死功能。
电气示意图如图4所示：
根据上述分析，对于中速驾驶自动化系统，底盘制动系统可选则ESP+电子助力式制动系统的组合，ESP系统作为主控制单元，当主控制单元失效的情况下由备份式的电子助力系统完成车辆的安全停车。
中速情形下，车轮抱死带来的安全风险可控，电子助力式制动系统无需增加额外的硬件，其电气示意图如图5所示。
根据上述分析，对于低速驾驶自动化系统，由于此时车速较低，可以充分利用EPB的卡钳电机实现车辆的动态制动，并不需要较大的制动减速度，为此，底盘制动系统可选择ESP+电子助力式制动系统的组合或是ESP+EPB的组合，其中ESP控制单元作为主控单元，在主控单元失效的情况下，备份控制单元电子助力式制动系统或是EPB进行接管控制，但是对于EPB而言为实现动态控制，需接收后轮轮速传感器信息，以实现防抱死功能，电气原理如图6所示。
4.3 L4，L5级驾驶自动化系统
L4，L5级驾驶自动化系统需要完成整个ODD范围内对车辆的控制，为此底盘制动系统中的行车制动与驻车制动均需双冗余备份，相比L3级系统，增加了驻车双冗余需求;同时为保证行车安全性，如车辆规划行驶速度为中高速为保证安全性，行车制动可采用ESP+集成式助力控制系统的方案，同
低速场景下，为保证安全可采用ESP（with IMU& EPB）+独立EPB（With IMU）控制的方式，其中独立EPB即作为行车制动的备份方案，同时也作为驻车制动的备选方案，此种方案成本最低，电气原理如图8所示。
低速场景下，为保证安全同样可采用ESP（with IMU& EPB）+电子助力式制动系统（With IMU&EPB）的方式，其中ESP（With IMU& EPB）为行车制动与驻车制动的主控制单元，电子助力式制动系统（WithIMU&EPB）作为备份控制单元，电子助力式制动系统实现行车制动，集成的EPB软件，实现驻车制动，电气原理如图9所示。
对于低速场景的L4，L5采用ESP（With IMU&EPB）+独立EPB控制器的组合相比ESP（With IMU&EPB）+电子助力式制动系统（With IMU&EPB）组合其成本更加可控且可以满足使适用需求，但是如第三章分析所产生的减速度不足，需根据实际适用场景进行取舍。
5 结论
不同等级的驾驶自动化功能对底盘制动系统提出了不同的要求，文章结合SAEJ3016在分析驾驶自动化分级基础上，对底盘制动系统进行了详细的分析，详细讨论了多种针对不同等级驾驶自动化等级的底盘制动系统组合关系，得出如下结论：
（1）L0～L2级驾驶自动化功能，底盘制动系统无需冗余设计需求。
（2）L3级驾驶自动化系统，底盘制动系统设计时需综合考虑ODD以及运行速度区间等因素，结合实际场景考虑系统风险，选择对应的制动系统组合方案。
（3）L3级驾驶自动化系统仅需考虑行车制动冗余，驻车制动无需考虑。
（4）L4，L5级驾驶自动化系统，底盘制动系统选型以及设计时需综合考虑ODD以及运行速度区间，结合实际场景选择对应的底盘制动方案。
（5）L4，L5级驾驶自动化系统，需要考虑行车与驻车双冗余方案。
（6）文章分析了多种制动系统组合方案的优劣性，为驾驶自动化系统设计提供了参考依据。
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