Технология Brake-by-wire в автомобильной промышленности представляет собой возможность управления тормозами с помощью электронных средств без механического соединения, которое передает усилие на физическую тормозную систему от устройства ввода водителя, такого как педаль или рычаг . [1]
Три основных типа систем электронного управления тормозами: электронные стояночные тормоза , которые с начала XXI века стали более распространенными; электрогидравлические тормоза (EHB), которые могут быть реализованы вместе с устаревшими гидравлическими тормозами и по состоянию на 2020 год нашли мелкосерийное применение в автомобильной промышленности; и электромеханические тормоза (EMB), которые не используют гидравлическую жидкость и которые по состоянию на 2020 год еще не были успешно внедрены в серийные автомобили. [1]
Электрогидравлические тормозные системы контролируют или усиливают давление, подаваемое на гидравлические насосы через педаль тормоза . Безопасность требует, чтобы система оставалась работоспособной в случае сбоя питания или электронного программного обеспечения или неисправности оборудования. Традиционно это достигалось с помощью механической связи между педалью тормоза и главным тормозным цилиндром. При механической связи тормозная система по-прежнему работает гидравлически через педаль, независимо от того, присутствует ли электрическое управление. [2] EHB могут быть реализованы по проводам, без устаревших гидравлических систем и механических соединений. В таком случае реализуется отказоустойчивое резервирование , позволяющее транспортному средству тормозить, даже если некоторые из тормозных систем выходят из строя. [1]
Электромеханические тормоза предлагают преимущество в виде уменьшенного объема и веса тормозной системы, меньшего обслуживания, более легкой совместимости с активными системами управления безопасностью и отсутствия токсичной тормозной жидкости. Их новые методы приведения в действие, такие как клиновые тормоза, не позволили им, по состоянию на 2020 год, успешно внедриться в серийные автомобили. [1]
Поскольку системы с электроприводом не имеют механических связей, которые обеспечивали бы ручное управление тормозами, они требуют отказоустойчивого резервирования, как указано в стандарте ISO 26262 уровня D. [ 3] Требуются резервные источники питания, датчики и сети связи . [1]
Некоторые технологии x-by-wire уже установлены на коммерческих автомобилях, такие как steer-by-wire и throttle-by-wire. Технология Brake-by-wire получила широкое распространение с появлением аккумуляторных электромобилей и гибридных автомобилей. Наиболее широко используемое применение Toyota в крупносерийном Prius предшествовало GM EV1, Rav4 EV и другим электромобилям, где эта технология требуется для рекуперативного торможения . Ford, General Motors и большинство других производителей используют одну и ту же общую конструкцию, за исключением Honda, которая разработала заметно отличающуюся конструкцию.
Brake-by-wire используется в большинстве распространенных гибридных и электрических транспортных средств, произведенных с 1998 года, включая все электрические и гибридные модели Toyota, Ford и General Motors. Toyota Synergy Drive и Rav4 EV используют систему, в которой модифицированный привод ABS (антиблокировочная тормозная система) соединен со специальным главным гидравлическим тормозным цилиндром для создания гидравлической системы, соединенной с блоком управления тормозами (компьютером). Система Ford почти идентична системе Toyota, а система General Motors использует другую номенклатуру для компонентов, хотя работа практически идентична.
Гидравлическая сила, создаваемая при нажатии на педаль тормоза, используется только как входной сигнал датчика для компьютера, если только не происходит катастрофический сбой, включая потерю 12-вольтовой электроэнергии. Тормозной привод имеет электрический насос, который обеспечивает гидравлическое давление для системы, и клапаны для нагнетания давления в каждый колесный суппорт для применения фрикционного тормоза, когда это требуется системой.
Система включает в себя всю сложность системы контроля устойчивости транспортного средства (VSC), антиблокировочной тормозной системы (ABS) и требование использования рекуперативного торможения в качестве основного режима замедления транспортного средства, за исключением случаев, когда уровень заряда тяговой батареи (высоковольтной батареи) слишком высок для приема дополнительной энергии или система обнаруживает ситуацию экстренной остановки или срабатывания ABS.
Датчики, контролируемые как входы для тормозной системы, включают датчики скорости колес, состояние заряда тяговой батареи, датчик рыскания, датчик хода педали тормоза, угол поворота рулевого колеса, давление гидравлического привода, гидравлические давления каждого контура суппорта колеса и положение акселератора. Также отслеживаются другие данные и входы.
Стандартная или типичная операция выглядит следующим образом:
Система Brake-by-wire существует на большегрузных коммерческих автомобилях под названием Electronic Braking System ( EBS ). Эта система обеспечивает электронную активацию всех компонентов тормозной системы, включая замедлитель и моторный тормоз . EBS также поддерживает прицепы и осуществляет связь между тягачом и прицепом с использованием протокола ISO 11992. Связь между прицепом и тягачом должна осуществляться через специальный разъем, предназначенный для ABS/EBS, соответствующий либо ISO 7638-1 для систем 24 В, либо ISO 7638-2 для систем 12 В.
Система EBS по-прежнему использует сжатый воздух для торможения и управляет им только через клапаны, что означает, что она не зависит от более высоких напряжений, используемых электромеханическими или электрогидравлическими тормозными системами, в которых для приложения тормозного давления также используется электроэнергия.
EBS повышает точность торможения по сравнению с обычным торможением, что сокращает тормозной путь. Запасной вариант системы EBS в случае отказа — использовать обычное давление управления воздушным тормозом, поэтому даже в случае отказа электроники транспортное средство сможет безопасно остановиться.
Общая архитектура системы электромеханического торможения (ЭМТ) в автомобиле с электронным управлением представлена на рис. 1. Система в основном состоит из пяти типов элементов:
После того, как водитель вводит команду тормоза в систему через интерфейс человек-машина – HMI (например, педаль тормоза ), ЭБУ генерирует четыре независимые команды тормоза на основе функций тормозов высокого уровня, таких как антиблокировочная система тормозов (ABS) или система контроля устойчивости транспортного средства (VSC). Эти сигналы команд отправляются на четыре электрических суппорта (e-calipers) через сеть связи. Поскольку эта сеть может не иметь возможности должным образом взаимодействовать с e-calipers из-за сетевых неисправностей, данные датчиков HMI также напрямую передаются на каждый e-caliper через отдельную шину данных .
В каждом электронном суппорте контроллер использует команду тормоза (полученную от ЭБУ) в качестве опорного входного сигнала. Контроллер выдает команды управления приводом для модуля управления питанием. Этот модуль управляет трехфазными токами привода для тормозного привода, который представляет собой двигатель постоянного тока с постоянными магнитами , питаемый источниками 42 В. Помимо отслеживания своей опорной команды тормоза, контроллер суппорта также управляет положением и скоростью тормозного привода. Таким образом, для измерения положения и скорости привода в каждом электронном суппорте жизненно необходимы два датчика . Из-за критической для безопасности природы приложения даже отсутствие ограниченного количества образцов этих сенсорных данных должно быть компенсировано.
Система brake-by-wire по своей природе является критически важной для безопасности системой, и поэтому отказоустойчивость является жизненно важной характеристикой этой системы. В результате система brake-by-wire спроектирована таким образом, что большая часть ее важной информации будет получена из различных источников ( датчиков ) и будет обрабатываться не только необходимым оборудованием. В системе brake-by-wire обычно существуют три основных типа избыточности :
Для использования существующей избыточности необходимо оценить, изменить и адаптировать алгоритмы голосования для соответствия строгим требованиям системы brake-by-wire. Надежность , отказоустойчивость и точность являются основными целевыми результатами методов голосования, которые должны быть разработаны специально для разрешения избыточности внутри системы brake-by-wire.
Пример решения этой проблемы: нечеткий избиратель, разработанный для объединения информации, предоставляемой тремя датчиками, встроенными в конструкцию педали тормоза.
В автомобиле с электронным управлением некоторые датчики являются критически важными для безопасности компонентами, и их отказ нарушит работу автомобиля и поставит под угрозу жизни людей. Два примера — датчики педали тормоза и датчики скорости вращения колес . Электронный блок управления всегда должен быть проинформирован о намерениях водителя затормозить или остановить автомобиль. Поэтому отсутствие данных датчика педали является серьезной проблемой для функциональности системы управления автомобилем.
В современных системах торможения по проводам, используемых в легковых и легких грузовых автомобилях, система разработана с учетом использования существующих датчиков, которые доказали свою надежность в компонентах и системах тормозной системы, включая системы ABS и VSC.
Наибольший потенциальный риск отказа тормозной системы оказался у программного обеспечения системы управления тормозами. Повторяющиеся отказы произошли в более чем 200 случаях, задокументированных в документах NTSB. Поскольку каждый производитель охраняет конфиденциальность своей конструкции и программного обеспечения системы, независимая проверка систем не проводится.
По состоянию на 2016 год NTSB не проводил прямых расследований аварий с участием легковых и легких грузовиков, тормозящих по проводам, а производители заняли позицию, что их автомобили полностью безопасны, а все зарегистрированные аварии являются результатом «ошибки водителя».
Данные о скорости вращения колес также жизненно важны в системе brake-by-wire для предотвращения заноса. Конструкция автомобиля brake-by-wire должна обеспечивать защиту от потери некоторых образцов данных, предоставляемых критически важными для безопасности датчиками . Популярными решениями являются обеспечение избыточных датчиков и применение отказоустойчивого механизма. Помимо полной потери датчика, электронный блок управления может также страдать от прерывистой (временной) потери данных. Например, данные датчика иногда могут не достигать электронного блока управления . Это может произойти из-за временной проблемы с самим датчиком или с путем передачи данных. Это также может быть результатом мгновенного короткого замыкания или отключения, сбоя сети связи или внезапного увеличения шума. В таких случаях для безопасной работы система должна компенсировать отсутствие образцов данных.
Пример решения этой проблемы: компенсация отсутствующих данных с помощью предиктивного фильтра.
Контроллер суппорта управляет положением и скоростью привода тормоза (помимо своей основной задачи, которая заключается в отслеживании его опорной команды тормоза). Таким образом, датчики положения и скорости жизненно необходимы в каждом электронном суппорте, и требуется эффективная конструкция измерительного механизма для определения положения и скорости привода. В последних разработках для систем с электронным управлением тормоза используются резольверы для обеспечения точных и непрерывных измерений как абсолютного положения, так и скорости ротора приводов. Инкрементальные энкодеры являются датчиками относительного положения, и их аддитивная погрешность должна быть откалибрована или компенсирована различными методами. В отличие от энкодеров, резольверы обеспечивают два выходных сигнала, которые всегда позволяют определять абсолютное угловое положение. Кроме того, они подавляют синфазный шум и особенно полезны в шумной среде. По этим причинам резольверы обычно применяются для измерения положения и скорости в системах с электронным управлением тормоза. Однако для извлечения точных оценок положения и скорости из синусоидальных сигналов, предоставляемых резольверами, требуются нелинейные и надежные наблюдатели.
Пример решения этой проблемы: гибридная схема преобразования резольвера в цифру с гарантированной надежной стабильностью и автоматической калибровкой резольверов, используемых в системе EMB.
Датчик силы зажима является относительно дорогим компонентом в суппорте EMB. Стоимость определяется его высокой стоимостью у поставщика, а также значительными производственными расходами из-за его включения. Последнее вытекает из сложных процедур сборки, связанных с малыми допусками, а также из онлайн-калибровки для изменчивости производительности от одного датчика силы зажима к другому. Успешное использование датчика силы зажима в системе EMB представляет собой сложную инженерную задачу. Если датчик силы зажима расположен близко к тормозной колодке , то он будет подвергаться воздействию суровых температурных условий, достигающих 800 градусов Цельсия, что поставит под сомнение его механическую целостность. Также необходимо компенсировать температурные дрейфы. Этой ситуации можно избежать, встроив датчик силы зажима глубоко в суппорт . Однако встраивание этого датчика приводит к гистерезису , на который влияет трение между датчиком силы зажима и точкой контакта внутренней колодки с ротором. Этот гистерезис не позволяет измерить истинное усилие зажима. Из-за проблем со стоимостью и инженерных проблем, связанных с включением датчика силы зажима, может быть желательно исключить этот компонент из системы EMB. Потенциальная возможность достижения этого заключается в точной оценке силы зажима на основе альтернативных сенсорных измерений системы EMB, что приводит к исключению датчика силы зажима.
Пример решения этой проблемы: оценка усилия зажима по положению привода и измерениям тока с использованием объединения данных датчиков .
Brake by wire теперь является зрелой концепцией в ее применении к стояночным тормозам транспортных средств . Электронный стояночный тормоз (EPB) был представлен в начале 2000-х годов BMW и Audi на их топовых моделях ( 7 серии и A8 соответственно), чтобы отказаться от традиционной тросовой системы (управляемой с помощью рычага между сиденьями или с помощью ножной педали), которая обычно действовала на задние колеса автомобиля. EPB, однако, используют моторизованный механизм, встроенный в суппорт заднего дискового тормоза, и сигнализируется с помощью переключателя на центральной консоли или приборной панели. Электрический стояночный тормоз обычно интегрируется с другими системами автомобиля через сеть CAN-шины и может обеспечивать дополнительные функции, такие как:
Системы EPB обеспечивают преимущества в плане компоновки и производства, поскольку позволяют использовать центральную консоль без традиционного рычага ручного тормоза (многие производители использовали освободившееся пространство для размещения элементов управления информационно-развлекательными системами), а также снижают сложность производства, поскольку устраняют необходимость прокладывать тросы Боудена под автомобилем.
Система EPB постепенно проникла и в более дешевые автомобили. Например, в Volkswagen Group система EPB стала стандартной на Passat (B6) 2006 года , а Opel представила ее на Insignia 2008 года .