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前言

在上期文章《ESC系統(tǒng)在智能駕駛浪潮中的進(jìn)化（中）》介紹了ESC系統(tǒng)憑借其不依賴駕駛員的主動增壓的能力在主流的輔助駕駛功能中的應(yīng)用，可以看出除了基本的穩(wěn)定性控制以外，ESC系統(tǒng)被挖掘出越來越多的增值功能，使得ESC系統(tǒng)在輔助駕駛發(fā)展的浪潮中依然扮演著重要的角色。

這一點(diǎn)在自動駕駛中依然成立。自動駕駛對制動提出了冗余的新要求，而ESC系統(tǒng)作為中高檔車型的標(biāo)配，對其稍加“升級”就能和其他制動系統(tǒng)組成支持自動駕駛的制動冗余對OEM來說不失為一種低成本的方案。

本文將對以ESC系統(tǒng)作為制動系統(tǒng)之一的冗余制動方案進(jìn)行介紹。

1. 自動駕駛與冗余制動

讀者對SAE J3016對車輛自動化級別的分類已不陌生。Level~Level5代表著車輛智能化程度的逐漸遞增。如果將這五個(gè)級別進(jìn)行進(jìn)一步歸類則可以歸納為：

• 輔助駕駛汽車 （包含Level1 / Level2）
• 自動駕駛汽車 （包含Level3 / Level4 / Level5）

J3016對車輛自動劃級別的分類

輔助駕駛汽車和自動駕駛汽車最大的區(qū)別在于系統(tǒng)故障導(dǎo)致事故的責(zé)任方的不同：

• 對于輔助駕駛，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障以后，只要正確向駕駛員報(bào)告了故障，接下來能否脫險(xiǎn)全看駕駛員的水平，出了事故責(zé)任方在駕駛員，汽車廠家是沒有責(zé)任的。 

• 對于自動駕駛，系統(tǒng)在出現(xiàn)故障之后，需要系統(tǒng)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(zé)任而不是駕駛員的責(zé)任。

 

基于此，自動駕駛汽車需要通過冗余設(shè)計(jì)才能在解放駕駛員的同時(shí)保證出現(xiàn)單一故障時(shí)系統(tǒng)仍能夠接管直至進(jìn)入安全狀態(tài)，而Leve3~Level5的自動化程度越來越高，對單一故障后系統(tǒng)可控的能力要求也越來越高。

自動化程度與對系統(tǒng)冗余的要求,圖片來自網(wǎng)絡(luò)

如果按照功能使用場景分類，目前上市的或者即將上市的自動駕駛系統(tǒng)主要包括：

• 高速自動駕駛系統(tǒng)

• 自主泊車系統(tǒng)

對于高速自動駕駛系統(tǒng)而言，如果自動駕駛等級高（如Level 5），車輛在高速運(yùn)行過程中出現(xiàn)單一故障，安全狀態(tài)通常定義為停到路邊的應(yīng)急車道，為實(shí)現(xiàn)這一安全狀態(tài)，目前業(yè)界普遍達(dá)成一致的方案需要以下冗余：

• 通訊冗余：當(dāng)單一鏈路出現(xiàn)信號中斷，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)融合技術(shù)可以保證車輛行駛構(gòu)成中精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)物體及行人的識別，從而支持車輛時(shí)刻做出正確的控制行為

• 大腦控制器冗余：兩個(gè)大腦互相監(jiān)督、互為備份，主大腦故障發(fā)生時(shí)，備份大腦及時(shí)接管

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

• 轉(zhuǎn)向冗余；如果故障發(fā)生后的安全狀態(tài)定義為繼續(xù)運(yùn)行而不是剎停，那么當(dāng)一路轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障后，備份系統(tǒng)需要能夠支持車輛完成接下來的運(yùn)行場景中的轉(zhuǎn)彎工況

相比于對于高速自動駕駛系統(tǒng)，支持自主泊車的汽車目前已經(jīng)量產(chǎn)，遙控泊車（RPA, Remote Parking Control）和自主代客泊車 (AVP, Automated Valet Parking)相繼落地。

RPA允許駕駛員下車并通過遙控（車鑰匙或手機(jī)APP）激活，整個(gè)泊車過程完全由系統(tǒng)自主完成，不過一般仍然要求駕駛員在車輛距離車輛一定范圍內(nèi)（歐盟法規(guī)ECE-R 79要求半徑不超過6m）。AVP則被認(rèn)為是解決用戶“最后一公里自由”痛點(diǎn)的最優(yōu)技術(shù)方案，簡單來講AVP提供以下兩大功能，完全滿足了大眾對自主泊車的終極想象：

• 一鍵泊車：用戶在指定下客點(diǎn)下車，通過下達(dá)泊車指令，車輛在接收到指令后可自動行駛到停車場的停車位，不需要用戶操縱與監(jiān)控。

• 一鍵召喚：基本要求如下：用戶通過下達(dá)取車指令，車輛在接收到指令后可以從停車位自動行駛到指定上客點(diǎn)接駕。

某車型自主代客泊車示意圖，截圖來自網(wǎng)路

由于自主泊車功能的使用場景為低速場景，RPA和AVP最大運(yùn)行速度不超過15kph，當(dāng)出現(xiàn)單一故障時(shí)所有廠家的安全措施均定義為緊急剎車，快速剎停車輛能夠避免碰撞事故或者將碰撞速度降到很低從而降低碰撞傷害。因此相比高速自動駕駛系統(tǒng)而言，自主泊車系統(tǒng)對冗余的要求要低很多：

• 低壓電源冗余；主電源失效后，備份電源能夠支持制動系統(tǒng)緊急剎車

• 制動冗余：主制動系統(tǒng)失效后，備份系統(tǒng)依然能夠完成緊急剎車

自主泊車系統(tǒng)架構(gòu)圖

由上面的分析可以看出，無論是高速自動駕駛系統(tǒng)還是自主泊車系統(tǒng)，制動冗余均不可或缺。

2. ESC在制動冗余方案中的黃金搭檔

隨著電動汽車近幾年來的發(fā)展和普及，智能汽車和電動汽車頗有“深度綁定”的意味。而目前主流的中高端電動汽車上除了標(biāo)配ESC系統(tǒng)以外，還都配置電助力系統(tǒng)eBooster。

相比于傳統(tǒng)的真空助力器而言，eBooster是不依賴真空源的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)，適用于所有動力總成，包括混動和電動車，具有多種產(chǎn)品優(yōu)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(jī)對應(yīng)的扭距，在機(jī)電放大機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，推動制動泵工作，從而實(shí)現(xiàn)電控制動，響應(yīng)速度更快并且能夠精準(zhǔn)地控制壓力。

另外，eBooster屬于非解偶踏板系統(tǒng)，助力原理和真空助力器類似，因此具有最真實(shí)和自然的踏板感，駕駛員能直觀的感受到制動系統(tǒng)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(tǒng)來說，所需要的功耗更低。同時(shí)為滿足駕駛感受的多樣性和舒適性， eBooster還可以通過軟件調(diào)節(jié)踏板感，輕松完成舒適和運(yùn)動駕駛風(fēng)格的隨意切換。

目前市場份額最大的智能助力器是博世的i-Booster，其他國內(nèi)外廠家如大陸、采埃孚和拿森也都有自己的產(chǎn)品。

博世第二代iBooster

對于同時(shí)搭載ESC和eBooster系統(tǒng)的車輛，ESC和eBooster在車上共用一套液壓系統(tǒng)，兩者協(xié)調(diào)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(nèi)的助力電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動力推動主缸活塞運(yùn)動，使油壺中的制動液流入主缸管路并進(jìn)入ESC進(jìn)液閥，經(jīng)ESC中的調(diào)壓閥和進(jìn)液閥流入4個(gè)輪缸，從而建立起制動力。
• 當(dāng)eBooster不工作時(shí)，ESC也可以獨(dú)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(tài)響應(yīng)速度比ESC主動建壓更快，且NVH表現(xiàn)更好，因此eBooster是制動控制系統(tǒng)中的主執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

EBooster和ESC的制動組合

在自動駕駛開發(fā)熱門起來之前，ESC和eBooster就已經(jīng)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”創(chuàng)造出了一些新的功能，HBC（Hydraulic Brake Failure Compensation）功能就是其中之一。

根據(jù)法規(guī)要求，對于舒適性制動系統(tǒng)，需要滿足在駕駛員踩出500N的制動力時(shí)系統(tǒng)能夠提供不小于6.43m/s2的減速度。在eBooster和ESP的組合中，當(dāng)eBooster出現(xiàn)故障無法繼續(xù)提供助力時(shí)，eBooster通過通訊交互給ESP發(fā)送HBC激活請求，當(dāng)ESP通過主缸壓力信號判斷駕駛員在踩制動時(shí)會通過主動建壓的方式幫助駕駛員助力，從而實(shí)現(xiàn)上述要求。

HBC功能系統(tǒng)架構(gòu)

另外，在制動能量回收功能中，ESP和i-Booster協(xié)調(diào)工作，可以在電制動和液壓制動的切換中實(shí)現(xiàn)駕駛員的踏板感一致，從而在滿足能量回收的基礎(chǔ)上獲得更佳的駕駛體驗(yàn)。

HBC功能系統(tǒng)架構(gòu)

正因?yàn)镋SC和eBooster已經(jīng)在能量回收和基礎(chǔ)制動上有了成熟的合作，當(dāng)自動駕駛對制動系統(tǒng)提出冗余要求后，eBooster也順理成章成為了ESC的“黃金搭檔”，兩者組合成的制動冗余方案也具備諸多優(yōu)勢，最大的優(yōu)勢在于成本低。不同于其他冗余設(shè)計(jì)，ESC和eBooster的制動冗余無需額外增加電控產(chǎn)品，只要在現(xiàn)有的ESC和eBooster基礎(chǔ)上稍加改動即可，既簡潔又省錢。

當(dāng)前，ESC和eBooster已經(jīng)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(yùn)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。

小鵬P7，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

3. ESC與eBooster制動冗余方案

前面提到，對于高速自動駕駛而言，車輛在高速運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)單一故障，安全狀態(tài)通常定義為停到路邊的應(yīng)急車道。為實(shí)現(xiàn)這一安全狀態(tài)，要求自動駕駛車輛具有以下能力：

• 可轉(zhuǎn)向性冗余
• 駐車冗余
• 減速冗余

• 縱向穩(wěn)定性冗余

可轉(zhuǎn)向性系統(tǒng)冗余由轉(zhuǎn)向供應(yīng)商保證，駐車冗余通常由集成于ESC系統(tǒng)中的電子駐車EPB自動駕駛要求制動系統(tǒng)(Automated Parking Brake , APB)和變速箱中的P擋實(shí)現(xiàn)，而減速冗余和縱向穩(wěn)定性冗余則由ESC和eBooster組成的制動冗余系統(tǒng)滿足。

自動駕駛的失效制動，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

比如長城咖啡智駕選擇的博世ESP+iBooster制動冗余組合其系統(tǒng)架構(gòu)如下圖左所示，ESP和iBooster分別連接一套相互獨(dú)立的供電系統(tǒng)，且冗余上層控制單元分別控制ESP和iBooster，兩者相互備份提供減速能力以及縱向穩(wěn)定性控制能力。

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(gè)減速范圍內(nèi)獨(dú)立的對車輛進(jìn)行制動。考慮到eBooster建壓的動態(tài)響應(yīng)速度比ESC主動建壓更快，且NVH表現(xiàn)更好，因此eBooster是冗余制動系統(tǒng)中的主執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這對黃金組合的控制和接管策略可以總結(jié)如下（不唯一，根據(jù)上層控制單元的控制策略可能有調(diào)整）：

場景	制動執(zhí)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(wǎng)絡(luò)故障	ESC
備份網(wǎng)絡(luò)故障	eBooster
ESC故障	eBooster
eBooster故障	ESC

總結(jié)

作為系列文章的終篇，本文總結(jié)了ESC系統(tǒng)在自動駕駛系統(tǒng)的制動冗余方案中的應(yīng)用，從中可以看到以車輛動態(tài)穩(wěn)定性控制為初衷的ESC系統(tǒng)在智能駕駛浪潮中依然存在感十足。