制动系统的进化：从真空助力器到eBooster
文章来源：焉知
发布时间：2021-08-30
本文旨在对传统的真空助力器和电子助力器eBooster进行介绍，以期读者在了解制动系统进化的同时对eBooster的优势有更清晰的了解。
概述
从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆安全方面就扮演着至关重要的角色。最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动已满足车辆制动的需要。
随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。于此同时随着车辆越来越重，制动助力器开始被广泛使用，配合传统发动机工作的真空助力器成为车辆标配。
到今天，随着新能源汽车的兴起，发动机逐渐被电机取代，与此同时自动驾驶系统对制动提出了新的要求——制动冗余，使得线控制动系统的市场占有率在逐渐提高，
典型的线控助力器eBooster在逐渐蚕食真空助力器的市场份额
，风头正盛。
在这样的发展趋势之下，本文旨在对传统的真空助力器和电子助力器eBooster进行介绍，以期读者在了解制动系统进化的同时对eBooster的优势有更清晰的了解。
1. 真空助力器
当前乘用车和轻型商用车的制动系统主要采用液压作为传动媒介，与可以提供动力源的气压制动系统相比，其需要助力系统来辅助驾驶员进行制动。真空制动助力系统也称作真空伺服制动系统，伺服制动系是在人力液压制动的基础上加设一套由其他能源提供制动力的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系。在正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生，因而在动力伺服系统失效时，仍可全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力。
上图为某轿车的真空助力式（直动式）伺服制动系回路图，它采用了左前轮制动油缸与右后轮制动油缸为一液压回路、右前轮制动油缸与左后轮制动油缸为另一液压回路的布置，即为对角线布置的双回路液压制动系统。真空助力器气室与控制阀组合的真空助力器在工作时产生推力，也同踏板力一样直接作用在制动主缸的活塞推杆上。
上述伺服制动系回路的核心是真空助力器，而真空助力器正常工作的关键在于有稳定的真空来源。装有汽油发动机的车辆由于发动机采用点燃式，因此在进气歧管可以产生较高的真空压力，可以为真空助力制动系统提供足够的真空来源，而对于柴油发动机驱动的车辆，由于发动机采用压燃式CI（Compression Ignition cycle），这样在进气歧管处不能提供相同水平的真空压力，所以需要安装提供真空来源的真空泵，另外，对于为了满足较高的排放环保要求而设计的汽油直喷发动机GDI（Gasoline Direct Injection），在进气歧管处也不能提供相同水平的真空压力来满足真空制动助力系统的要求，因此也需要真空泵来提供真空来源，真空泵在系统中的位置如下图所示。
真空助力器的工作过程是：在非工作的状态下，控制阀推杆回位弹簧将控制阀推杆推到右边的锁片锁定位置，真空单向阀口处于开启状态，控制阀弹簧使控制阀皮碗与空气阀座紧密接触，从而关闭了空气阀口。此时真空助力器的真空气室和应用气室分别通过活塞体的真空气室通道与应用气室通道经控制阀腔处相通，并与外界大气相隔绝。发动机起动后，发动机的进气歧管处的真空度上升，随之，真空助力器的真空气室、应用气室的真空度均上升，并处于随时工作的准备状态。
当进行制动时，踩下制动踏板，踏板力经杠杆放大后作用在控制阀推杆上。首先，控制阀推杆回位弹簧被压缩，控制阀推杆连同空气阀柱往前移。当控制阀推杆前移到控制阀皮碗与真空单向阀座相接触的位置时，真空单向阀口关闭。此时，助力器的真空气室、应用气室被隔开。此时，空气阀柱端部刚好与反作用盘的表面相接触。随着控制阀推杆的继续前移，空气阀口将开启。外界空气经过滤气后通过打开的空气阀口及通往应用气室的通道，进入到助力器的应用气室（右气室），伺服力产生。由于反作用盘的材质（橡胶件）有受力表面各处的单位压强相等的物理属性要求，使得伺服力随着控制阀推杆输入力的逐渐增加而成固定比例（伺服力比）增长。由于伺服力资源的有限性，当达到最大伺服力时，即应用气室的真空度为零时（即一个标准大气压），伺服力将成为一个常量，不再发生变化。此时，助力器的输入力与输出力将等量增长；取消制动时，随着输入力的减小，控制阀推杆后移，真空单向阀口开启后，助力器的真空气室、应用气室相通，伺服力减小，活塞体后移。就这样随着输入力的逐渐减小，伺服力也将成固定比例（伺服力比）的减少，直至制动被完全解除。
2. 线控助力器eBooster
通过前面的介绍可以看到，真空助力泵工作的前提是需要基于发动机产生稳定的真空源，而随着新能源汽车尤其是纯电动汽车的普及，发动机被电机代替，真空助力器的使用受到了限制。在这样的趋势之下，作为底盘线控技术的全球领先企业，德国博世经过深入的研究开发，推出了新一代制动助力产品：智能助力器iBooster。
在博世以后国内外市场上又涌现出了新的智能助力器厂家，主流的有大陆、采埃孚和中国拿森，各个厂家命名不一，但统称为eBooster。
eBooster为整车厂提供了新的解决方案，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。
eBooster是不依赖真空源的机电伺服机构，适用于所有动力总成，包括混动和电动车，具有多种产品优势。eBooster利用传感器感知驾驶者踩下制动踏板的力度和速度，并将信号处理之后传给电控单元，电控单元控制助力电机对应的扭距，在机电放大机构的驱动下，推动制动泵工作，从而实现电控制动，响应速度更快并且能够精准的控制压力。
另外，eBooster属于非解偶踏板系统，助力原理和真空助力器类似，因此具有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ABS回馈力和刹车片的衰退等，减少安全隐患。相对解耦踏板系统来说，所需要的功耗更低。同时为满足驾驶感受的多样性和舒适性， eBooster还可以通过软件调节踏板感，轻松完成舒适和运动驾驶风格的随意切换。
在发展自动驾驶之前，市场上就有很多新能源车型同时搭载ESC和eBooster系统，目的是使用eBooster实现更佳的回收性能。ESC和eBooster在车上共用一套液压系统，两者协调工作，原理如下：
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eBooster和ESC共用一套制动油壶、制动主缸和制动管路。
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eBooster内的助力电机产生驱动力推动主缸活塞运动，使油壶中的制动液流入主缸管路并进入ESC进液阀，经ESC中的调压阀和进液阀流入4个轮缸，从而建立起制动力。
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当eBooster不工作时，ESC也可以独立控制制动液从主缸流入轮缸，从而建立制动力。
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eBooster建压的动态响应速度比ESC主动建压更快，且NVH表现更好，因此eBooster是制动控制系统中的主执行机构。
eBooster和ESC的制动组合在实现制动能量回收的同时，eBooster还可以通过协调助力器电机助力保持电机制动和液压制动时踏板感的一致性，给驾驶员带来最舒适的体验。
eBooster实现制动能量回收时保持踏板感一致的原理
随着自动驾驶的发展，对制动系统提出了更高的要求。自动驾驶要求制动系统除了有当前制动系统的正常状态下的能力之外， 还要有故障快速侦测能力、执行机构的自检能力、故障发生时执行机构的快速选择能力，要求车辆具有纵向稳定性冗余、可转向性（防抱死）冗余，还有车辆的减速冗余。这就需要车辆有两套制动系统，具有额外的监控功能，冗余的模式控制和纵向稳定性控制。
eBooster通过功能拓展可以和ESC系统协调工作支持制动冗余，eBooster和ESC这一主流制动冗余系统也被称为 “制动冗余的黄金组合” 。
eBooster和ESC系统组合开发的支持自动驾驶的冗余制动系统
结语
通过上面对真空助力器和线控助力器eBooster的介绍，可以对比出在新能源汽车和自动驾驶汽车发展的大趋势下，eBooster相比真空助力器有着明显的优势，但是在价格上真空助力器优势同样明显。如果按照汽车定位来分，中低端车型上真空助力器依然是主流，而高端车型上eBooster则是更好的选择，和高端车上标配的ESC系统组成功能强大的制动系统。
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