作者 |  一驥絕塵

出品 |  焉知

自動駕駛與自動冗余

自動駕駛汽車的核心是冗余設計，這是業界達成的共識。

冗余設計并不是工業領域的新名詞，飛機上的冗余設計已經非常成熟。大家都知道，飛機在高空運行的過程就是自動駕駛，機長是可以出去泡咖啡的。飛機的自動駕駛是怎么保證的呢？一方面要求關鍵部件的可靠性足夠高，另一方面則依賴于冗余設計，比如飛機裝備兩臺發動機系統，保證在一個發動機系統故障以后另一個仍能支持飛機安全降落。冗余設計在飛機上到處可見，比如兩個獨立運行的主控ECU，兩套獨立的供電系統等等。

回到汽車上，在SAE J3016對汽車自動駕駛分級標準基礎上可以進行進一步歸類：

• 輔助駕駛汽車 （包含Level1 / Level2）

• 自動駕駛汽車 （包含Level3 / Level4 / Level5）

SAE J3016對汽車自動駕駛分級標準

輔助駕駛汽車和自動駕駛汽車最大的區別在于系統故障導致事故的責任方的不同：

• 對于輔助駕駛，當系統出現故障以后，只要正確向駕駛員報告了故障，接下來能否脫險全看駕駛員的水平，出了事故責任方在駕駛員，汽車廠家是沒有責任的。 

• 對于自動駕駛，系統在出現故障之后，需要系統來自己操作避免事故（自動駕駛等級越高，駕駛員可以越晚介入接管甚至是完全不用接管），出了事故是汽車廠家的責任而不是駕駛員的責任。 

基于此，自動駕駛汽車也需要和和飛機一樣通過冗余設計才能在解放駕駛員的同時保證出現故障時系統仍能夠接管直至進入安全狀態。

目前業界普遍達成一致的是支持高速自動駕駛的汽車至少需要以下冗余：

• 通訊冗余：當單一鏈路出現信號中斷，系統可實現信息的無縫安全銜接

• 低壓電源冗余；主電源失效后，備份電源能夠支撐ECU完成安全降級動作

• 感知冗余：多傳感器數據融合技術可以保證車輛行駛構成中精準實現物體及行人的識別，從而支持車輛時刻做出正確的控制行為

• 大腦控制器冗余：兩個大腦互相監督、互為備份，主大腦故障發生時，備份大腦及時接管

• 制動冗余：主制動系統失效后，備份系統依然提供一定的制動能力來維持制動控制及制動穩定性控制

• 轉向冗余；如果故障發生后的安全狀態定義為繼續運行而不是剎停，那么當一路轉向系統故障后，備份系統需要能夠支持車輛完成接下來的運行場景中的轉彎工況

在高速自動駕駛汽車要求的這些冗余設計中，現階段最成熟的當屬制動冗余。最主要的原因是如今越來越多的非自動駕駛汽車都標配了可以實現制動冗余的兩個大家熟知的電控產品:

• 電子穩定性控制系統ESC（Electric Stability Controller）

• 電助力系統eBooster

不同于其他冗余設計，制動冗余無需額外增加電控產品，只要在現有的ESC和eBooster基礎上稍加改動即可，既簡潔又省錢。這種在現有配置上通過一定改動創造出新功能的設計可以說是工程師所追求的最完美的設計，有種“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的工業浪漫。正因如此， ESC和eBooster成為了目前市場上支持自動駕駛的冗余制動方案的黃金組合，廣泛運用于主流智能駕駛車型上，如Tesla全系、蔚來全系、小鵬P7、理想ONE、長安UN-T、長城摩卡以及即將上市的極氪001等。

即將上市的極氪001搭載Bosch ESP+iBooster冗余制動系統

接下來本文將對ESC和eBooster這對黃金組合進行介紹。

什么是ESC？

說到ESC系統就不得不提博世。博世公司合作于1992年在 ABS/TCS的基礎上開發了旨在解決車輛側向穩定性問題的第一代穩定性控制系統，并命名為ESP (Electronic Stability Program) ，1995年ESP系統實現批量生產，并首次應用在奔馳S級轎車上。ESP的誕生是汽車發展史上劃時代的產品，研究結果表明，ESC可以減少80%由側滑引起的交通事故，并將嚴重車禍的數量減少50%。因此ESP被多家世界著名汽車廠商和研究機構稱之為“能拯救生命的ESP”。

在博世之后其他廠家也陸續推出類似產品但是無法繼續使用ESP這個名稱，因此命名五花八門，不過都統稱為電子穩定性控制系統ESC（Electric Stability Controller）。2009年歐盟強制要求從2011年11月1日起，所有在歐盟地區銷售的新車都要強制裝備車輛穩定控制系統，所以現在的歐洲新車都將會標配這一系統。今天在中國雖然沒有強制法規要求，但是10萬以上的車型幾乎都搭載了ESC作為賣點。

博世第9代ESP

ESC系統通過接收方向盤轉角傳感器及各車輪轉速傳感器識別駕駛員轉彎意圖，并通過橫擺角速度傳感器識別車輛繞垂直于地面軸線方向的旋轉角度及側向加速度傳感器識別車輛實際運動方向。

ESC系統的整車布置（見1）

當ESP判定車身不穩定且出現不足轉向時，將制動內側后輪，使車輛進一步沿駕駛員轉彎方向偏轉，從而穩定車輛；當ESP判定車身不穩定且出現過度轉向時，ESP將制動外側前輪，防止出現甩尾，并減弱過度轉向趨勢來穩定車輛。另外，如果單獨制動某個車輪不足以穩定車輛，ESP將通過降低發動機扭矩輸出的方式或制動其它車輪來滿足需求。

什么是eBooster？

從汽車誕生時起，車輛制動系統在車輛安全方面就扮演著至關重要的角色。最原始的制動控制只是駕駛員操縱一組簡單的機械裝置向制動器施加作用力，這時的車輛質量比較小，速度比較低，機械制動已滿足車輛制動的需要。

隨著汽車自質量的增加，助力裝置對機械制動器來說已顯得十分必要。這時，開始出現真空助力裝置。1932年生產的質量為2860kg的凱迪拉克V16車四輪采用直徑419.1mm的鼓式制動器，并有制動踏板控制的真空助力裝置。

真空助力泵

隨著科學技術的發展及汽車工業的發展，車輛制動有了新的突破，液壓制動是繼機械制動后的又一重大革新，發展到這一階段又不得不提博世，作為創新技術的領導者，博世經過深入的研究開發，推出了新一代制動助力產品：智能助力器iBooster 。

博世第二代iBooster

在博世以后國內外市場上又涌現出了新的智能助力器廠家，主流的有大陸、采埃孚和中國拿森，各個廠家命名不一，但統稱為eBooster。

eBooster是不依賴真空源的機電伺服機構，適用于所有動力總成，包括混動和電動車，具有多種產品優勢。eBooster利用傳感器感知駕駛者踩下制動踏板的力度和速度，并將信號處理之后傳給電控單元，電控單元控制助力電機對應的扭距，在機電放大機構的驅動下，推動制動泵工作，從而實現電控制動，響應速度更快并且能夠精準的控制壓力。

另外，eBooster屬于非解偶踏板系統，助力原理和真空助力器類似，因此具有最真實和自然的踏板感，駕駛員能直觀的感受到制動系統的變化，例如ABS回饋力和剎車片的衰退等，減少安全隱患。相對解耦踏板系統來說，所需要的功耗更低。同時為滿足駕駛感受的多樣性和舒適性， eBooster還可以通過軟件調節踏板感，輕松完成舒適和運動駕駛風格的隨意切換。

eBooster為整車廠提供了新的解決方案，不依賴真空源，取代了傳統的真空泵和真空軟管，體積更小，整個制動系統重量更輕，無需消耗能量建立真空源，僅在制動時消耗電量，從而達到節能減碳的目的，更加符合未來發展趨勢，因此受到了中高檔車型的青睞，市場份額越來越高。

ESC和eBooster——自動駕駛冗余制動黃金組合

在自動駕駛之前，市場上就有很多新能源車型同時搭載ESC和eBooster系統，目的是使用eBooster實現更佳的回收性能。ESC和eBooster在車上共用一套液壓系統，兩者協調工作，原理如下：

• eBooster和ESC共用一套制動油壺、制動主缸和制動管路。

• eBooster內的助力電機產生驅動力推動主缸活塞運動，使油壺中的制動液流入主缸管路并進入ESC進液閥，經ESC中的調壓閥和進液閥流入4個輪缸，從而建立起制動力。

• 當eBooster不工作時，ESC也可以獨立控制制動液從主缸流入輪缸，從而建立制動力。

• eBooster建壓的動態響應速度比ESC主動建壓更快，且NVH表現更好，因此eBooster是制動控制系統中的主執行機構。
  

eBooster和ESC的制動組合

其實在自動駕駛開發熱門起來之前，ESC和eBooster就已經“強強聯合”創造出了一些新的功能，HBC（Hydraulic Brake Failure Compensation）功能就是其中之一。根據法規要求，對于舒適性制動系統，需要滿足在駕駛員踩出500N的制動力時系統能夠提供不小于6.43m/s2的減速度。在eBooster和ESP的組合中，當eBooster出現故障無法繼續提供助力時，要求ESP能夠及時接管并通過主動建壓的方式實現上述要求，這就是HBC功能的基本原理。

HBC功能系統架構

自動駕駛對制動系統提出了更高的要求，這也給了ESC和eBooster更大的“舞臺”去展示兩者組合的優勢。

自動駕駛要求制動系統除了有當前制動系統的正常狀態下的能力之外， 還要有故障快速偵測能力、執行機構的自檢能力、故障發生時執行機構的快速選擇能力，要求車輛具有縱向穩定性冗余、可轉向性（防抱死）冗余，還有車輛的減速冗余。這就需要車輛有兩套制動系統，具有額外的監控功能，冗余的模式控制和縱向穩定性控制。

基于eBooster和ESC系統組合開發的支持自動駕駛的冗余制動系統，電子電器架構需要兩個獨立的供電系統，冗余的通信網絡和冗余的上層控制單元。比如長城咖啡智駕選擇的博世ESP+iBooster制動冗余組合其系統架構如下圖左所示，ESP和iBooster分別連接一套相互獨立的供電系統，且冗余上層控制單元分別控制ESP和iBooster。

長城咖啡智駕選擇博世ESP+iBooster制動冗余組合

ESC和eBooster均能在整個減速范圍內獨立的對車輛進行制動。考慮到eBooster建壓的動態響應速度比ESC主動建壓更快，且NVH表現更好，因此eBooster是冗余制動系統中的主執行機構。這對黃金組合的控制和接管策略可以總結如下（不唯一，根據上層控制單元的控制策略可能有調整）：

場景	制動執行控制器
無故障	eBooster
上層主控制單元故障	ESC
上層備份控制單元故障	eBooster
主網絡故障	ESC
備份網絡故障	eBooster
ESC故障	eBooster
eBooster故障	ESC

總結

本文對目前市場上主流的自動駕駛冗余制動的黃金組合——ESC和eBooster展開了介紹，分別介紹了ESC和iBooster的工作原理以及兩者如何“強強聯合”創造出新的功能。無論是從產品性能的角度還是成本的角度，這套組合目前是自動駕駛冗余制動方案的最優解。