线控制动是底盘域控的重要内容，其功能主要包括行车制动和驻车制动。为了深入了解线控制动，本文选取从行车制动系统为切入点，先梳理该制动系统的基础内容，包括基本概念，发展过程，组成与工作原理等内容。
1 制动系统基本概念
为了建立对制动系统的最初步认识，先了解两个基本概念：制动系统原理和电子稳定系统ESP，当然也是为理解下文奠定基础。
1.1 制动系统原理
关于制动系统原理，本质上各种类型制动系统都一样，这里以典型的真空助力制动系统为例子来说明。如下图所示，真空助力制动系统组成包括制动踏板，真空助力器，制动液，制动油管，制动主缸，制动轮缸和车轮制动器（盘式/鼓式制动器）等。
source: What You Need to Know About Brakes – R&L Automotive (rnlautomotive.com)
其具体工作原理是：
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首先，驾驶员踩制动踏板，施加到踏板的力经过杠杆机构第一级放大传递到真空助力器；
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然后，真空助力器经过第二级放大将制动力传递到制动主缸，同时在蓄能器作用下进一步加压，将制动主缸的制动液推入到制动轮缸；
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最后，制动轮缸的制动液推动轮端制动器加紧刹车盘，阻碍刹车盘转动，以此实现制动。
source：vehicle brake system – Bing images
1.2 电子稳定系统ESP
汽车虽然具备基本的制动系统，但随着汽车速度越来越快，并不能完全保证行驶的安全稳定。比如紧急刹车，踏板踩到底，这时车辆可能会出现转向困难或侧滑；或在光滑路面有时会出现驱动轮打滑而失控，或者有时出现转向不足或过度而失控等问题。为了解决这些问题，一代代工程师不断努力，迭代出了基于制动系统的电子控制系统（ESP, Electronic Stability Program）。ESP的核心功能主要包含3块：ABS（Anti-lock Brake System，防抱死系统）、TCS（Traction Control System，牵引力控制系统）、VDC（Vehicle Dynamics Controller，车辆动态控制器）。
source：Login Page (carsomesg.com)
注：ESP是博世的叫法，另外：通用叫ESC；日产、斯巴鲁叫VDC；丰田叫VSC；本田叫VSA；宝马叫DSC；沃尔沃又叫DTSC。
1）ABS
紧急刹车会使轮胎抱死（车轮不能转动），前轮抱死会失去转向能力，后轮抱死易侧滑。这时有了ABS功能，就会采用类似于点刹的操作，让车轮处于“边滚边滑”的状态，使得车轮不抱死，车辆就不会失控，从而避免撞上障碍物。
source：Is it Possible to Upgrade a Car’s Braking System into ABS? (pakwheels.com)
2）TCS
车辆起步时驱动轮打滑，无法起步，同时可能会方向失控。这时启用TCS，比如车辆在冰面起步，通过TCS调节驱动力，使得车辆正常起步；或车辆在分离路面（一侧高附，另一侧低附），通过TCS调节驱动力的同时，对低附侧车轮施加制动力，使得车辆正常起步。
source: Fahami fungsi butang Traction Control System(TCS) di kereta anda | Iluminasi
3）VDC
ABS/TCS解决了车辆纵向方向的控制问题，比如制动和起步，但是车辆横向方向的控制问题，比如转向不足或转向过度。这时需要使用VDC来解决，针对车辆出现转向不足时，VDC将对车辆内侧后轮进行额外的制动，以增加车辆横摆，让车头向弯内方向摆动；针对车辆出现转向过度时，VDC将对车辆外侧前轮进行额外的制动，以减少车辆横摆，让车头向弯外方向摆动。
source: Subaru Canada
随着技术的不断优化与迭代，除了上述三大功能，ESP还增加了更多的功能，比如：HHC（上坡辅助功能）、EBD（电子制动力分配功能）、HBA（液压制动辅助）和HDC（陡坡缓降）等。
2 制动系统的发展
上述提到这些技术具体是怎样的积累与发展过程，可以通过制动系统的发展过程一探究竟。
1）人力机械式到真空助力液压式
最初的汽车制动系统是人力机械式，即驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器直接施加作用力。那时汽车小，重量轻，速度低，人力机械制动能够满足汽车制动的要求。随着汽车的不断发展，汽车变得越来越大，也越来越重，人力机械制动系统不再好使了，同时伴随着科技的不断进步，一些新技术被引入到汽车制动系统，真空助力液压制动系统被设计出来。
source：148-001-Brakes101-BrakeDiagram.jpg (1275×600) (dsportmag.com)
2）ABS+TCS+VDC–>ESP
随着汽车的速度越来越快，对汽车的操作稳定性能要求也越来越高。因此，最先是应用ABS功能来解决车轮抱死问题，然后是应用TCS功能来解决牵引力驱动问题，再是应用VDC功能来解决车辆动态控制问题。这三个功能集成在一个控制器，也就是前面所提到的ESP，这样，汽车制动系统进化成真空助力液压制动+ESP组合形式。
source: (8条消息)汽车线控制动系统ibooster详解_ibooster工作原理_WY_16的博客-CSDN博客
3）电动助力代替真空助力
面对日益紧张的能源问题，对于汽车，一方面，需要发动机的燃烧效率不断提升，这时需要采取将更多的空气通入气缸的方法来提升燃烧效率，而这种方法会导致真空度降低，对制动助力产生不利影响。另一方面，发展新能源汽车，用电机代替发动机，而发动机产生真空源，没了发动机，真空助力器就使用受限。另外，新能源汽车为了更加节能，有再生制动和能量回收的需求。为了解决这些问题，电动助力就被推出，比如博世最先推出了iBooster：
source: 【中文】博世Bosch iBooster工作原理，ESP HEV Tesla model3_哔哩哔哩_bilibili
采用电动助力后，制动系统不需要真空源，取代了传统的真空泵和真空软管，使得整个系统体积更小，重量也更轻；又可以再生制动和能量回收，整体系统更加节能；另外相较于真空助力，电动助力响应速度更快，控制压力也更精准。
4）线控制动系统
最近几年，随着智能驾驶的更高智能化需求，也考虑到未来自动驾驶的发展，对线控制动系统的需求也越来越强烈。各大供应商积极响应市场需求，陆续量产了相应的产品。
source: 线控制动之BOX之争_搜狐汽车_搜狐网 (sohu.com)
比如博世的IPB（Integrated Power Brake），本质上是将iBooster和ESP合二为一。但IPB缩小了制动系统的体积，减轻了重量，降低了成本；同时，IPB解耦了踏板系统，更能满足智能驾驶的制动需求。
source: 博世Bosch 智能制动系统 IPB_哔哩哔哩_bilibili
5）线控制动系统: EHB & EMB
上面的iBooster+ESP和IPB都被划分为线控制动系统的一种-电子液压制动系统即EHB（Electro-hydraulic brake system），而EMB(Electro-mechanical brake system)属于另一种-电控机械制动系统。EMB是一种电控纯机械制动，采用电子机械系统取代了传统制动系统中的液压系统，四轮的制动执行机构分别由独立的电机来驱动，如下简图：
source: FlexRay_E: Brake-by-wire (vector.com)
可以说，EMB 是真正意义上的线控制动系统，但一些EMB的核心技术问题仍未解决，所以目前的EMB方案都没有量产。现在市场主流的线控制动系统都是EHB。
source: Bosch video & Braking 101: The System, Physics and Science of the Motion Management (dsportmag.com)
以上就简单介绍了制动系统发展的过程与趋势，接下来继续介绍主流的线控制动系统–EHB。
3 线控制动系统–EHB
聊起线控制动系统，就常听到two box和one box，它们是什么？
这两词其实指从集成度角度划分的两种EHB技术方案。two box是指制动系统主体包括电子助力器和电子稳定控制模块，比如博世的iBooster+ESP。而one box是指将制动系统将电子助力器和ESP模块集成为一体，比如博世的IPB。
下面借助博世这两个产品，说明它们的组成和基本工作原理，以此来加深two box 和 one box的概念。
3.1 Two box – iBooster+ESP
source: 【中文】博世Bosch iBooster工作原理，ESP HEV Tesla model3_哔哩哔哩_bilibili
先了解iBooster。iBooster这项制动技术是博世2013推出，目前博世 iBooster 已经更新到第二代产品。iBooster的组成如下图所示：
source: 博世IBooster系统解析 – 知乎 (zhihu.com)
iBooster的工作原理是：驾驶员踩下制动踏板，踏板移动输入推杆；踏板行程差传感器检测到输入推杆的位移，提供位移信号给电控单元；电控单元计算并控制电机产生的目标助力扭矩；传动装置将该扭矩转化为相应的制动力，与踏板的输入产生的输入推杆力一起作用在制动主缸，共同转化为制动器轮缸液压力，以此来实现制动。
source: 博世iBooster系统解析 – 知乎 (zhihu.com)
另外，iBooster的电机助力特性可充分考虑驾驶员的驾驶喜好和风格，可提供不同类型的踏板感，可以偏舒适类型，也可以偏运动类型。
再了解ESP。ESP是以车轮滑动调节系统为基础，它不仅集成了ABS，TCS和VDC三大核心功能，还包括EBD(电子制动力分配系统)，HDC(陡坡缓降控制)，HAS(坡道起步辅助)，DTV（动态扭矩哦控制）等多项功能。
source: 【中文】博世Bosch iBooster工作原理，ESP HEV Tesla model3_哔哩哔哩_bilibili
ESP的组成包括传感器（信号输入装置）、电子控制单元，制动液压系统和执行器等部件，如下所示：
source：图解汽车ESP电子稳定系统结构与功能_搜狐汽车_搜狐网 (sohu.com)
ESP的工作原理是：轮速传感器、加速度传感器 制动压力传感器、转向传感器等检测相应的信号，提供给控制器；控制器根据这些信号和其他控制器提供的信息对车辆状态进行判断和计算，决策如何去控制相应的执行器；执行器接收到实际的激励而动作，以此实现ESP里相应的功能，确保车辆的操作稳定性能。
通过上述对iBooster与ESP的基本说明，不难理解，使用两者构成two box的方案，一方面既可实现制动功能又可确保操作稳定性能；另一方面两者可互为冗余，一旦 iBooster 失效，ESP 系统将接管并提供制动助力，即使两者都失效，仍然可依靠纯液压制动系统制动，这样双冗余备份方法将对智能驾驶功能的实现极具价值。
source：【杂谈】——博世iBooster探秘 – 知乎 (zhihu.com)
3.2 One box -IPB
IPB是博世着手针对未来更高智能化需求的L3和L4而推出，IPB可理解是将电子助力器和ESP集成为一体, 它具有最高的动力性能，有助于提高混合动力车和电动车的效率，由于采用了一体化设计，重量和复杂性都降到了最低。
source: 博世Bosch 智能制动系统 IPB_哔哩哔哩_bilibili
对于IPB工作原理，与iBooster+EPS方案一样，也就是：当驾驶员踩下制动踏板时，控制单元通过集成传感器计算驾驶员的制动要求；IPB使两个制动回路与制动踏板解耦，并与踏板感模拟器建立连接。与此同时，控制单元会计算电机的驱动信号，电机通过一个齿轮装置产生液压活塞移动，由此产生的液压力通过制动液传递到车轮制动器，以此实现制动。
source: Integrated Power Brake – modular set extension for highly automated driving
关于失效处理，IPB会比较复杂，不同的失效类型会对应不同的降级模式。比如因断电造成助力失效时，IPB会进入机械备份模式，通往踏板感模拟器的电磁阀关闭，电机通往轮端的电磁阀也关闭，主缸主、副腔通往轮端的电磁阀打开，驾驶员踩踏板建立的压力直接传递到制动轮缸，以此实现车辆制动。
而对于更高级别自动驾驶制动系统，在任何情况下，制动都由制动系统自动完成，不在由驾驶员操作，因此失效处理就更为棘手。博世提出了一个冗余制动单元(RBU，Redundant Brake Unit)作为IPB的补充，具体可参考：Integrated Power Brake – modular set extension for highly automated driving。
source: Integrated Power Brake – modular set extension for highly automated driving
这样，IPB作为主要的制动系统来执行绝大多数情况下的制动请求，RBU作为IPB失效情况下的冗余制动，代替驾驶员操作，以此进一步提高系统的可靠性。
以上就是基于博世的两款产品对EHB的two box和 one box介绍。
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原文始发于微信公众号（谦益行）：底盘域控之制动系统基础1
