【摘要】阐述了汽车制动助力系统对汽车制动安全的重要性，对汽车制动助力系统的发展做出了概括；介绍了传统真空制动助力系统和智能制动助力系统的结构和布局，对

【摘要】阐述了汽车制动助力系统对汽车制动安全的重要性，对汽车制动助力系统的发展做出了概括；介绍了传统真空制动助力系统和智能制动助力系统的结构和布局，对电控助力系统的控制方法做出了概述，简要概述了电控制动助力系统的功能安全概念，分析并展望了汽车电控制动助力系统面临的挑战与今后的发展趋势。

1 前言汽车已经成为当今人类生活中一种必需的大件耐久移动工具。动力性、制动性、转向性是汽车本身必须具备的三大特性，也是对汽车产品要求的基本保障，其中，制动性更是汽车安全的首要保障。为了实现汽车在行驶过程的减速停车、汽车下坡行驶中以合理的车速稳定运行以及已停止运行的汽车静止状态的维持，制动系统是汽车的必备系统[1]。随着车速的上升与整车质量的变大，由简单机械构成、完全依靠人力的制动系统难以满足制动需求，汽车制动助力系统应运而生，汽车制动助力系统的出现极大地减少了驾驶员在制动过程中的体力消耗、提升了汽车的制动性能。

汽车制动助力系统的发展历经最初的真空制动助力系统，到后来更为先进的液压制动助力系统，再到能够应用于混合动力汽车与电动汽车的电动制动助力系统。经过持续地更新换代，汽车制动助力系统不断在技术上取得新的突破[3]。在数十年的发展与演变过程中，汽车制动助力系统的发展始终与现代汽车工程技术三大主题——安全、节能、环保相契合[4]，在继承了原有系统优良特性的前提下，汽车制动助力系统在安全性、适应性、节能性等方面得到了极大的提升。在智能汽车蓬勃发展的今天，汽车的智能化发展更是为汽车制动助力系统指引了新的发展方向[5]。智能汽车的出现使原有的汽车制动助力系统不再满足要求，同时为汽车制动助力系统的功能提升与创新发展注入了动力。因为操作的主体由驾驶员担当转为由驾驶员与车辆控制系统共同担当，所以智能汽车的辅助驾驶功能与自动驾驶功能对汽车制动助力系统的要求远远高于传统车辆由驾驶员单一操作时对汽车制动助力系统的要求。能够协助实现主动减速、自动紧急制动、再生制动等形式的复杂制动是汽车智能化发展对汽车制动助力系统提出的新要求，助推了汽车制动助力系统的智能化发展[6]。

本文分析了汽车制动助力系统对提升汽车制动性、安全性的积极作用，将汽车制动助力系统数十年来的发展情况加以概括，以汽车智能助力系统为对象进行了助力控制方法的综述，并且将汽车助力系统的功能安全设计进行了概述，最后在文末提出了汽车制动助力系统面临的挑战与今后的发展趋势。

汽车制动助力系统的概念源于上世纪三十年代，其发展进程见图1。早期制动系统的结构见图2，其制动能量完全由驾驶员的肌体提供[7]，其制动控制是通过司机利用一简易的机械机构将人力作用到制动器摩擦片上加压完成的，该机械机构运用杠杆原理，将一根长杠杆与一块摩擦衬片相连，当驾驶员踩下与杠杆一端相连的制动踏板时，与杠杆另一端相连的摩擦衬片会压紧轮胎从而完成制动[8]，作用在摩擦衬片上的力是驾驶员脚踩制动踏板力经过杠杆作用放大后的结果[9]。因为早期汽车的重量轻、速度低，所以不带有助力装置的制动系统可以较好地满足汽车制动的需求[10]。随着生产生活的需要，汽车整车质量越来越大，必须在机械制动器上加装助力装置才能完成制动任务，于是，线轿车首次加装了真空助力装置，是汽车制动助力从无到有的重要标志；同年，福特公司旗下的林肯V12汽车也加装了真空助力器，与卡迪拉克V16不同的是，其真空助力器利用软索控制[13]。科技的进步推动了汽车工业的不断发展，促使车辆制动技术不断取得突破，液压制动开始逐步应用于汽车[14]，与气压制动相比，液压制动具有反应速度快、结构简单、机械效率高等优点[15]。通用和福特两大汽车制造商先后在1934年与1939年开始把液压制动技术应用于旗下汽车，液压制动在汽车上的应用为制动助力系统的发展奠定了坚实的基础[16]；20世纪中期，液压制动助力器的产生标志着车辆的制动技术迈向了更高的台阶[17]。用于避免抱死制动的ABS被称作汽车制动领域最显著的成就，制动助力系统与ABS配合，能够更好地完成制动动作[18]。1969年，福特公司将带有真空助力的ABS应用于旗下汽车；1979年，奔驰公司推出了一种装有液压助力器的全数字电子系统控制的ABS制动装置[19]。

进入二十一世纪后，节能、环保、安全三大汽车工程领域的主题逐渐深入人心[4]。2013年，博世公司推出了第一代智能化助力器——iBooster[20]，iBooster因其不依赖真空源且具备较高制动能量回收能力的特性（与博世ESP配合）使之与节能减排和汽车智能化发展的需求非常契合[21]；2017年，博世公司推出了结构更紧凑、质量更轻、更为先进的第二代iBooster[22]。

线）是以真空助力器为核心部件的制动系统[23]。液压制动助力系统上加装一套以真空作为制动力来源的装置构成伺服制动系统，使人力和助力器的作用效果叠加。真空助力器处于非工作状态时，真空单向阀的阀口是打开的，真空助力器的两个气室（应用气室和真空气室）是不与外界大气相通的；真空助力器由非工作状态转为工作状态后，随着发动机进气管的真空度上升，真空助力器气室的线]。当车辆需要减速时，驾驶员踩下制动踏板，驾驶员脚踩踏板的力作用于控制阀的推杆上，在控制阀的作用下，真空单向阀的阀口转入关闭状态，助力器的两个气室不再连通[25]。外界空气流经开启的助力器空气阀口流入助力器的应用气室，从而产生伺服力，因为伺服力资源是有限的，所以伺服力增长会存在一个峰值，达到此峰值后，助力器的输入力与输出力将保持等量增长[26]。当制动动作完成后，踏板力的不断下降导致控制阀的推杆向后移动，真空单向阀阀口的开启使助力器的两个气室达到连通状态，此时伺服力不断减小，直至制动踏板归位（整个制动过程结束）[27]。正常使用条件下，真空制动助力系统产生的工作压力大部分是由动力伺服系统提供的，所以在动力伺服系统不能正常工作的情况下，人力液压系统仍然可以产生制动力，从而保证制动系统能够起作用[28]。

传统真空制动助力系统的正常工作需要发动机或线]，而对于电动汽车与混合动力汽车，提供真空源非常不便，因此无需任何真空源即可为汽车制动进行助力的电动制动助力系统更适合电动汽车与混合动力汽车[30]。在电动制动助力系统领域，博世公司与日立公司做出了较大的努力，取得了不错的成果，而在成熟的产品方面，最为成功的当属博世公司的智能制动助力系统[20]。图4为智能制动助力系统的结构原理图。智能制动助力系统由电子换向电机、电子控制单元（ECU）、二级齿轮装置、制动主缸、踏板行程传感器等部分组成[21]，其工作原理与真空助力器相似，当制动踏板被踩下时，踏板位移传感器将位移信息传递至ECU，ECU按照一定的控制策略进行计算后，会输出控制信号来控制永磁无刷直流电机，使之产生合适的转矩，转矩经二级齿轮装置转变成为推动阀体的力，这样输入杆和阀体会共同推动主缸顶杆，使之向前运动产生制动压力[22]。

①跳增值②助力比③滞后④拐点压力⑤迟滞A1（A2）:始动力点B1（B2）:跳增点C1（C2C3C4）:最大助力点智能化与电动化是汽车未来发展的主要趋势[32]。汽车的智能化要求汽车行驶过程对驾驶员的依赖尽可能减小，利用控制系统协助或者代替驾驶员进行解决方案的选择[33]。汽车的电动化则要求将汽油、柴油等传统能源用电能加以替代，实现对各种传统能源依赖度的减小与一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等污染物排放的减少，利用技术的进步达到节能减排的目标[34]。

在汽车绿色化与智能化发展的趋势之下，电动制动助力系统相较于传统制动助力系统的优点不断突显。电动制动助力系统的控制算法结构图如图6所示，文献[1]提出的控制算法由制动行为识别、目标位移设计、电机跟随控制三部分组成。制动行为识别以推杆位移传感器为核心部件，可用来判断制动状态[35]；目标位移设计的目的是设计适当的电机目标位移曲线以保证电动制动与真空助力能达到相近的助力特性[36]；电机跟随控制是电动制动助力控制的底层，要求能够迅速稳定地跟随目标位移曲线，是保证系统性能至关重要的组成部分[37]。

制动行为识别由信号处理和制动状态判断组成[33]，是制动助力控制的基础。信号处理大多采用卡尔曼滤波[38]，因为卡尔曼滤波可以令信号图线更加光滑，还能减少系统的延迟[39]；制动状态识别能够精准判断出驾驶员的制动意图[40]，为接下来的目标位移设计和电机跟随控制奠定坚实的基础。文献[41]根据隐马尔科夫模型（HMM）的特性，建立了包含行为层和意图层的双层HMM模型，能够用来识别制动行为和制动意图；文献[42]提出了一种紧急制动行为识别的算法，并以CAN总线的数据特点为依据在嵌入式系统中通过此算法得到了较高的识别准确率；文献[35]用PreScan和G27搭建了仿真平台并建立了制动意图识别模型，此模型利用k-means聚类分析确定模糊推理的输入。目标位移设计是以使所设计的电动助力制动与常规的真空助力制动有相近的助力特性为目标来为电机设计合适的目标位移[36]。在实际应用中，因为电机和传动机构输出端直接连接于反应盘，如果忽略传动机构的间隙，电机位移就是反应盘的负面位移[43]。因为推杆与反应盘间的空隙消除后，推杆位移与主面位移相等，所以电机的目标位移与推杆位移值和主负面位移差相加所得的结果相等。因为推杆的位移能够通过位移传感器直接得到，所以，反应盘主负面位移差的设计成为了电机目标位移设计的重要环节，同时，为了使电机目标位移的计算简单易行，推杆位移必须要进行修正。文献[36]设计了一套模糊逻辑控制器，此控制器可安装于车辆，通过制动踏板位移对应的电压变化量和电压变化率得到驾驶员制动强度变化需求，为制动助力电机设计了合适的目标位移；文献[37]提出了一种模型预测控制算法，将此算法应用于车辆制动，可基于驾驶员的制动请求信息令整车控制器裁决驱动电机可贡献制动扭矩，从而对助力电机目标位移进行设计，与此同时解决了电动汽车制动能量回收的控制问题。

电机跟随控制的目标是使电机的实际位移与目标位移相匹配[44]，包含了控制器（位移、速度、电流）子模块、电压约束子模块和摩擦补偿子模块等。电机跟随控制要求目标位移发生较大幅度变化时，电机可以快速响应，而目标位移不变或者变化不大时，要求电机电流保持较小的变化率。文献[45]提出了一种混合动力制动助力系统的控制器调节的PI控制策略，可实现电机快速响应，从而提高车辆制动性能；文献[46]提出了一种基于分层式控制结构的纵向碰撞预警与自动紧急制动控制器，通过系统的上下层控制器控制电机位移，获得与目标位移较高的匹配度；文献[47]提出了一种采用模糊编辑器获取PI参数随误差变化的图线，利用变增益PI法进行控制，可以达到较好的电机跟随控制效果。

（1）由于主制动助力系统发生故障时，备用制动助力系统无法完全满足制动要求，会发生诸如制动力不足、制动反应时间增加等问题。不论制动踏板输入杆与制动主缸解耦与否，法规要求此类电控制动助力系统在故障失效的情况下产生大于2.44 m/s2的制动减速度，但是远不能满足配置于L4、L5级自动驾驶汽车的要求。

（2）由于电控系统的硬件电路随机故障，或者数据总线传递的非意图制动指令，或者踏板行程传感器信号故障导致控制策略发出非意图制动指令等系统的失效模态都将会危及汽车的行驶安全，因此对于实现电控制动助力系统的安全目标以及设计有效可靠的安全机制都面临着极大挑战。

汽车制动助力系统不仅有助于驾乘舒适性的提高，更重要的是由于电控制动助力系统的快速响应能力与增强助力性能使得制动距离缩短，从而提升了汽车的制动安全性。但是，对于电控制动助力系统来说，其故障安全设计成为设计验证开发过程中保证汽车制动助力系统正常有效工作的重要议题[48]。国际标准化组织（ISO）的ISO 26262标准按照汽车的安全风险程度，定义了汽车安全完整性等级ASIL（Automo⁃tive Safety Integrity Level），ASIL划分为由A到D的四个等级，其中A级为最低等级，D级为最高等级，ASIL等级是由事故中人员与车辆的伤害严重程度(S)、人员暴露在系统失效场景的发生概率(E)和危害可控程度(C)三个因素评估决定的，表1是对以上这三个因素的具体分级[49]。为了提高汽车制动系统的可靠性，汽车工程师对其进行了功能安全设计，将许多方法与技术应用到了制动助力系统的研发中，其中，诊断技术与冗余技术是制动助力系统功能安全设计中较为常用的两种技术[50]。

对汽车来说，制动助力系统能否正常工作，对汽车的制动性能有直接影响。根据交通部门的统计资料，大部分道路交通事故是汽车制动不及时或制动误操作引起的[51]，所以为了保证汽车的制动性能从而降低交通事故发生的几率，提升制动助力系统的可靠性与有效性十分重要。采用诊断技术是保证汽车制动助力系统正常工作的最常见、最有效的方法。诊断技术是指在不使诊断对象解体的前提下，运用某些技术手段确定对象的状态、诊断对象可能存在的故障及预测故障发展趋势的技术[51]。FTTI（Fault Tolerant Time Interval，容错时间间隔）表示对失效的控制策略与控制速度，是ISO 26262中一个非常重要的概念，其定义为：当系统正常运行时，突然发生故障，从故障开始发生到安全装置诊断到此故障后将系统恢复为安全状态的这段时间[49]。容错时间间隔是针对设计功能在整车系统水准上的丈量。在汽车制动助力系统中，诊断技术的提高对减少故障发生时的FTTI起到至关重要的作用。就诊断技术的分类，文献[52]提出可将诊断技术归纳为三类:基于解析模型技术、基于信号处理技术、基于知识技术。文献[53]提出一种诊断引擎，可以不断地从诊断汽车制动助力系统的过程中学习得到新知识，充分利用所获得的新知识的同时摈除陈旧的、不准确的知识，以此不断地提升诊断能力。文献[54]提出汽车电控制动助力系统诊断技术的重点在于对液压调节器的电磁阀、电动泵或内部继电器等元器件所发生故障进行及时准确的判断。

冗余设计思想是保证机构安全可靠动作的不可缺失的设计理念[55]，在汽车依靠电控系统实现了性能优化提升的同时，安全可靠的冗余实现方案成为电控设计不可回避的论证。汽车电控制动助力系统在考虑机构安全可靠冗余的基础上，结合横向稳定性控制ESC，需对应功能安全ASIL D级的要求[56]。在汽车制动助力系统中，通常令单一系统达到较高的系统功能安全级别的难度较大，在汽车制动助力系统功能安全设计中可通过冗余技术将冗余的安全要求分配给足够独立的系统来实现高级别ASIL，即通过分解的方法实现高效率的安全要素分配。例如，为了使汽车制动助力系统达到ASIL D级的目标，可通过令两个独立的系统分别达到ASIL B级（即ASIL B+ASIL B=ASIL D）的方法将独立的系统加以冗余来实现[57]。文献[58]根据冗余体系结构的不同将冗余控制分为并联、表决和旁联方式。

硬件的冗余是冗余技术常用的方法[59]，文献[59]提出了一种冷备份冗余设计，正常工作时，其中一套装置得电工作，另一套不得电，处于非工作状态,一旦得电工作的那套制动助力装置出现故障，系统可令故障装置失电并使备用装置得电，保证制动系统的正常工作。文献[60]提出了一种将控制器进行冗余的系统，在主控制器不能正常工作时，冗余的备份控制器可立即接管控制权。文献[61]提出了一种包含仲裁器的冗余控制系统，用来判断主控制器的故障状态并输出正确的通道选择信号，来确定系统的有效工作组。文献[62]提出了一种采用整流器传感器进行冗余控制的系统，文献[63]提出了一种利用双冗余技术来提高定位电液伺服系统可靠性的方法，可用以保持制动助力系统有较好的控制性能。文献[64]提出了一种以两个PLC为核心，利用N:N网络通信实现两个PLC之间的冗余控制的控制系统。对于汽车制动助力系统中供电系统的冗余设计与冗余控制，文献[65]提出了一种可实现扩展供电、应急供电等冗余设计的供电系统，文献[66]提出了一种采用框架外冗余供电与框架内冗余供电的电源冗余控制系统。文献[67]提出了一种包含了硬件系统冗余设计和软件系统冗余设计的人机交互系统，可以通过驾驶员对触屏的操作解除制动故障。

汽车制动助力系统的功能安全设计对汽车的智能化具有非常重要的意义，汽车的智能化之路并不平坦，而汽车制动助力系统按照ISO 26262标准规程来推进功能安全设计也面临诸多挑战，列举如下。（1）在车辆道路行驶过程中的制动相关安全危害以及风险评估缺乏权威机构的相关事故统计数据，主机厂自身在汽车电控制动助力功能安全设计开发方面的经验积累也非常匮乏，因此对于功能安全的目标制定以及ASIL级别界定缺失有力数据的支持。（2）功能安全设计开发需要系统化的开发流程以及体系化的安全措施植入开发。而现实中，开发过程中的需求管理/构成管理/变更管理在大多数开发中尚未落地固化，故障模式有效性分析迭代开发FMEA（Failure Mode and Effect Analysis）尚未成为必备工具；因此也无从谈起功能安全需求FSR（Function Safety Requirement）与FMEA关联的安全文化思想。（3）硬件以及软件基线释放的开发成果物，缺失充分的审核机制；测试覆盖范围以及案例的置信度尚不足以实现比较健全的验证历程来确保开发功能的安全可靠性。（4）ISO 26262虽不强调实现功能的性能水平评价，但是作为实现预期功能安全SOTIF（Safety Of The Intended Function,国际标准ISO/WD/PSA 21448即将颁布适用）设计的基本理念，需要植入系统因为故障而导致的功能失效风险评以及预期功能安全实现的系统误判误动作风险评估。在系统正常运行中对于常规性能以外的不确定性评估以及功能安全设计对策等方面知识与经验的不足，是目前面临的挑战性课题。例如，电控制动助力系统正常动作，但是制动助力不足的情形，或者非驾驶员意图而发生的非预期制动助力的情形。（5）功能安全的实现前提是电控单元ECU不受外界侵入干预控制的安保（Security）机能起到保障作用。汽车转向与制动的电控ECU的总线被劫持发生非意图转向与失去制动助力的报道[68]说明车载网络安全保障是实现功能安全的先决条件。汽车的安保（Security）涉及面很广（如图7所示），有关研究活动业已开展。对于安保设计的指南性国际标准ISO/SAE 21434，预期2019年将会推出草案以恤研讨，ISO/SAE 21434提出安保设计在产品生命周期内的开发范畴管理与风险管理以及支持流程管理的框架指南，如何在保障ISO/SAE 21434的架构跟进下实现预期功能安全设计，将是不期而至的巨大挑战。

汽车制动助力系统是保证汽车制动系统高效可靠工作的关键组成部分，经过近百年的发展，汽车制动助力系统从最开始的简易杠杆助力系统到后来的真空助力系统、液压助力系统，再到现在能够应用于混合动力汽车与电动汽车的iBooster等智能制动助力系统，制动助力系统逐渐实现了从液动到电动的变化，其发展不仅与现代汽车三大主题相契合，还体现了汽车智能化的提升。为了使汽车制动助力系统在节能环保日益受到重视的社会更好地应用于智能化程度不断提高的汽车上，可将研究重心放在以下几点：

（1）制动过程中能量回收能力的提升。尽管工程师们在制动能量回收方面的研究中做出了努力，在相关软硬件的支持下，制动能量回收率也得到了一定的提升，但目前市面上的制动助力系统在辅助能量回收能力方面，仍有相当大的可提升空间。

（2）制动可靠性的提升。目前绝大多数新能源汽车通过保留传统汽车制动助力器及相关管路并加装电子真空助力泵的方式进行制动助力，电子真空助力泵的工作寿命和工作稳定性对制动系统的制动可靠性存在一定制约，而且在失电状态下，制动助力系统如何进行正常的助力是新能源汽车面临的一项极大挑战。

（3）极端工况、复杂工况下制动力、响应速度的保证。当前，对制动系统的研究应以设计出一款能够在极端工况与复杂工况下完成助力工作的制动助力系统为目标，着力满足汽车智能化程度进一步加深的需求。

式中：Qw为热水井开采1年所排放的总热量，kJ；Q1为热水井可开采量，取值50 m3/h；Cw为热水平均热容量，取4.1868×103 kJ/(m3·℃)；tw为地热水井口出水温度，取65 ℃；t0为地层常温带温度，取15℃。代入相关数据可得：

（5）液压系统可靠性提升。目前，绝大多数汽车制动助力系统采用液压系统进行力的传输，从而实现制动，液压系统一旦出现液体泄露或漏气现象，对制动系统乃至整辆车的负面影响是致命的，因此，提升液压系统的可靠性对提升汽车的安全性具有重要意义。

（6）模块化设计。随着汽车的制动系统从传统的真空助力向着电机助力发展，为了使非传统制动系统更好地发挥作用，应针对不同底盘进行专门的模块化设计。从长期看，底盘模块化不仅可以降低制造成本，待技术成熟后，还可按照驾驶习惯实现个性化定制，令驾驶员驾车出行更加舒适。

（7）提升制动冗余技术的自动化程度。目前汽车制动助力系统的主系统失效后，备用系统由于滞后、助力不足等原因很难满足汽车的制动需求，这就要求主系统发生故障无法正常工作时，备用系统可以达到与主系统等同的助力能力，这样才能够满足汽车智能化程度提高的要求。

（8）不同领域人才的合作开发。制动不再单单是由机械系统完成的简单动作，因此对于车企来讲，只有拥有包括电气化（强弱电）方面、软件设计方面、机械设计方面的人才，以全方位知识为依托，才能够开发更为先进的汽车制动助力系统。

（9）提升车载软件的安全性。车载软件在汽车上的应用越来越广泛，在方便了人们生活的同时也为不法分子入侵汽车提供了道路，所以，防止恶意软件入侵的重要性日益提高，从根本上保证车载软件的安全性是汽车制动助力系统发挥作用的前提，对此，可以通过对每一辆车的软件系统进行保护、对不同车辆之间的通信进行保护、对车辆的外接口进行保护等多方位的措施将企图阻止汽车制动助力系统正常工作的因素摈除。

从本文的分析中可以看到，随着汽车向混合动力化、电动化与智能化发展，制动助力系统亦向着去真空助力器化发展，转而利用电机为其提供动力，制动助力系统极大程度上决定了汽车的安全性，因此对电机的要求较高。完全线控制动助力系统不同于已较为成熟的线控油门系统与线控转向系统，因受刹车力不足、工作环境恶劣等条件限制，在未来的发展中受到技术层面的制约，很难快速推广生产使用，因此在短期内，非完全线控制动助力系统即电液线控制动系统的应用会更加广泛，这既符合汽车发展“节能、环保、安全”的三大主题，又与当前汽车智能化发展的趋势相契合。

作者：刘晏宇1 喻凡1 郭中陽2;1.上海交通大学,2.浙江力邦合信智能制动系统股份有限公司上海分公司

汽车测试网-创办于2008年，报道汽车测试技术与产品、趋势、动态等 联系邮箱 marketing#auto-testing.net (把#改成@)