Технология электродистанционного торможения в автомобильной промышленности — это возможность управлять тормозами с помощью электронных средств без механического соединения, которое передает усилие на физическую тормозную систему от устройства ввода данных водителя, такого как педаль или рычаг . [1]
Тремя основными типами систем электронного торможения являются: электронные стояночные тормоза , которые с начала 21 века стали более распространенными; электрогидравлические тормоза (EHB), которые могут быть реализованы вместе с устаревшими гидравлическими тормозами и с 2020 года нашли небольшое применение в автомобильной промышленности; и электромеханические тормоза (EMB), не использующие гидравлическую жидкость, которые по состоянию на 2020 год еще не были успешно внедрены в серийные автомобили. [1]
Электрогидравлические тормозные системы контролируют или повышают давление, подаваемое на гидравлические насосы через педаль тормоза . Безопасность требует, чтобы система оставалась работоспособной в случае сбоя питания или неисправности электронного программного или аппаратного обеспечения. Традиционно это достигалось посредством механической связи между педалью тормоза и главным тормозным цилиндром. При наличии механической связи тормозная система по-прежнему работает гидравлически через педаль, независимо от наличия электрического управления. [2] EHB могут быть реализованы по проводам, без устаревших гидравлических систем и механических соединений. В таком случае реализуется аварийное резервирование , позволяющее транспортному средству тормозить даже при выходе из строя некоторых тормозных систем. [1]
Преимущество электромеханических тормозов заключается в уменьшении объема и веса тормозной системы, меньшем объеме технического обслуживания, более легкой совместимости с системами управления активной безопасностью и отсутствии токсичной тормозной жидкости. Их новые методы приведения в действие, такие как клиновые тормоза, по состоянию на 2020 год не позволили им успешно внедриться в серийные автомобили. [1]
Поскольку в электродистанционных системах отсутствуют механические связи, которые обеспечивали бы ручное управление тормозами, они требуют резервирования на случай отказа , как указано в стандарте ISO 26262, уровень D. [3] Требуются резервные источники питания, датчики и сети связи . [1]
Некоторые технологии x-by-wire уже установлены на коммерческих автомобилях, например, электронное управление и дроссельная заслонка. Технология электродистанционного торможения получила широкое коммерциализацию с появлением аккумуляторных электромобилей и гибридных транспортных средств. Наиболее широко используемому Toyota Prius большого объема предшествовали GM EV1, Rav4 EV и другие электромобили, где эта технология необходима для рекуперативного торможения . Ford, General Motors и большинство других производителей используют одну и ту же общую конструкцию, за исключением Honda, которая разработала совершенно другую конструкцию.
Электроприводное торможение используется в большинстве распространенных гибридных и электромобилей, выпускаемых с 1998 года, включая все модели Toyota, Ford, General Motors Electric и гибридные модели. В Toyota Synergy Drive и Rav4 EV используется система, в которой модифицированный привод ABS (антиблокировочная тормозная система) соединяется со специальным главным гидравлическим тормозным цилиндром для создания гидравлической системы, соединенной с блоком управления тормозами (компьютером). Система Форда почти идентична системе Тойоты, а система General Motors использует другую номенклатуру компонентов, хотя принцип действия практически идентичен.
Гидравлическая сила, создаваемая нажатием на педаль тормоза, используется только в качестве входного сигнала датчика для компьютера, за исключением случаев катастрофического сбоя, включая потерю 12-вольтового электропитания. Тормозной привод имеет электрический насос, который обеспечивает гидравлическое давление в системе, и клапаны для подачи давления на каждый суппорт колеса для применения фрикционного тормоза, когда этого требует система.
Система включает в себя всю сложность системы контроля устойчивости автомобиля (VSC), антиблокировочной тормозной системы (ABS), а также требование использования рекуперативного торможения в качестве основного режима замедления автомобиля, если только не используется тяговая батарея (высоковольтная батарея). Уровень заряда слишком высок, чтобы принять дополнительную энергию, или система обнаружила аварийную остановку или АБС.
Датчики, отслеживаемые в качестве входных сигналов для тормозной системы, включают датчики скорости колес, уровень заряда тягового аккумулятора, датчик рыскания, датчик хода педали тормоза, угол поворота рулевого колеса, давление гидравлического привода, гидравлическое давление в каждом контуре суппорта колеса и положение акселератора. Другая информация и исходные данные также контролируются.
Стандартная или типичная операция выглядит следующим образом:
Электропроводное торможение существует на тяжелых коммерческих автомобилях под названием Электронная тормозная система ( EBS ). Эта система обеспечивает электронную активацию всех компонентов тормозной системы, включая ретардер и моторный тормоз . EBS также поддерживает прицепы и обменивается данными между тягачом и прицепом по протоколу ISO 11992 . Связь между прицепом и тягачом должна осуществляться через специальный разъем, предназначенный для ABS/EBS, в соответствии с ISO 7638-1 для систем на 24 В или ISO 7638-2 для систем на 12 В.
EBS по-прежнему использует для торможения сжатый воздух и управляет воздухом только через клапаны, что означает, что он не зависит от более высоких напряжений, используемых электромеханическими или электрогидравлическими тормозными системами, где для подачи тормозного давления также используется электроэнергия.
EBS повышает точность торможения по сравнению с обычным торможением, что сокращает тормозной путь. В случае отказа системы EBS можно использовать обычное управляющее давление пневматического тормоза, поэтому даже в случае отказа электроники автомобиль сможет безопасно остановиться.
Общая архитектура электромеханической тормозной системы (ЭМБ) автомобиля с электроприводом представлена на рис. 1. В состав системы в основном входят элементы пяти типов:
Как только водитель вводит команду торможения в систему через человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) (например, педаль тормоза ) , ЭБУ генерирует четыре независимых команды торможения на основе функций торможения высокого уровня, таких как антиблокировочная система тормозов (ABS). или система стабилизации автомобиля (VSC). Эти командные сигналы передаются на четыре электрических суппорта (электронных суппорта) через сеть связи. Поскольку эта сеть может не иметь возможности должным образом взаимодействовать с электронными суппортами из-за сетевых ошибок, сенсорные данные HMI также напрямую передаются на каждый электронный суппорт через отдельную шину данных .
В каждом электронном суппорте контроллер использует команду торможения (полученную от ЭБУ) в качестве опорного входа. Контроллер предоставляет команды управления приводом для модуля управления питанием. Этот модуль управляет трехфазными токами привода тормозного привода, который представляет собой двигатель постоянного тока с постоянными магнитами , питаемый от источников 42 В. Помимо отслеживания эталонной команды торможения, 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 критического характера приложения с точки зрения безопасности даже отсутствие ограниченного количества образцов этих сенсорных данных должно быть компенсировано.
Система электродистанционного торможения по своей природе является критически важной для безопасности системой, и поэтому отказоустойчивость является жизненно важной характеристикой этой системы. В результате система электродистанционного торможения спроектирована таким образом, что большая часть ее важной информации будет получена из различных источников ( датчиков ) и обработана не только необходимым оборудованием. В системе электродного торможения обычно существуют три основных типа резервирования :
Чтобы использовать существующую избыточность, необходимо оценить, изменить и адаптировать алгоритмы голосования, чтобы они соответствовали строгим требованиям системы электродистанционного торможения. Надежность , отказоустойчивость и точность являются основными целевыми результатами методов голосования, которые должны быть разработаны специально для разрешения избыточности внутри системы с проводным тормозом.
Пример решения этой проблемы: нечеткий избиратель, разработанный для объединения информации, предоставляемой тремя датчиками, встроенными в конструкцию педали тормоза.
В автомобиле с электроприводом торможения некоторые датчики являются критически важными для безопасности компонентами, и их выход из строя нарушит работу автомобиля и поставит под угрозу жизнь людей. Двумя примерами являются датчики педали тормоза и датчики скорости колес . Электронный блок управления всегда должен быть проинформирован о намерении водителя затормозить или остановить автомобиль. Поэтому отсутствие данных датчика педали является серьезной проблемой для функциональности системы управления автомобилем.
В современных системах электронного торможения, используемых в пассажирских и легких грузовых автомобилях, используются существующие датчики, надежность которых доказана в компонентах и системах тормозной системы, включая системы ABS и VSC.
Самый высокий потенциальный риск отказа тормозной системы связан с программным обеспечением системы управления тормозом. Повторяющиеся сбои произошли более чем в 200 случаях, задокументированных в документах NTSB. Поскольку каждый производитель соблюдает конфиденциальность конструкции и программного обеспечения своей системы, независимая проверка систем не проводится.
По состоянию на 2016 год NTSB не проводил непосредственного расследования аварий с электроприводом торможения легковых автомобилей и легких грузовиков, а производители заняли позицию, согласно которой их транспортные средства полностью безопасны и что все зарегистрированные несчастные случаи являются результатом «ошибки водителя».
Данные о скорости колес также важны для системы электронного торможения, позволяющей избежать заноса. Конструкция автомобиля с электроприводом торможения должна обеспечивать защиту от пропуска некоторых выборок данных, предоставляемых критически важными для безопасности датчиками . Популярными решениями являются обеспечение резервных датчиков и применение отказоустойчивого механизма. Помимо полной потери датчика, электронный блок управления может также страдать от периодической (временной) потери данных. Например, данные датчиков иногда могут не доходить до электронного блока управления . Это может произойти из-за временной проблемы с самим датчиком или с каналом передачи данных. Это также может быть результатом мгновенного короткого замыкания или отключения, неисправности сети связи или внезапного увеличения шума. В таких случаях для безопасной работы в системе необходимо компенсировать недостающие выборки данных.
Пример решения этой проблемы: компенсация отсутствующих данных с помощью прогнозирующего фильтра.
Контроллер суппорта управляет положением и скоростью тормозного привода (помимо своей основной задачи — отслеживания опорной команды торможения). Таким образом, датчики положения и скорости жизненно необходимы в каждом электронном штангенциркуле, и необходима эффективная конструкция измерительного механизма для определения положения и скорости привода. В последних разработках систем дистанционного торможения используются резольверы для обеспечения точных и непрерывных измерений как абсолютного положения, так и скорости ротора приводов. Инкрементные энкодеры представляют собой датчики относительного положения, и их аддитивную погрешность необходимо калибровать или компенсировать различными методами. В отличие от энкодеров, резольверы выдают два выходных сигнала, которые всегда позволяют определять абсолютное угловое положение. Кроме того, они подавляют синфазный шум и особенно полезны в шумной обстановке. По этим причинам резольверы обычно применяются для измерения положения и скорости в системах с электродистанционным торможением. Однако для получения 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 усилия зажима — относительно дорогой компонент суппорта EMB. Себестоимость определяется высокой стоимостью единицы продукции от поставщика, а также отмеченными производственными расходами из-за ее включения. Последнее вытекает из сложных процедур сборки, связанных с малыми допусками, а также онлайн-калибровки для изменения характеристик от одного датчика силы зажима к другому. Успешное использование датчика силы зажима в системе EMB представляет собой сложную инженерную задачу. Если датчик силы зажима разместить рядом с тормозной колодкой , он будет подвергнут суровым температурным условиям, достигающим 800 градусов Цельсия, что поставит под угрозу его механическую целостность. Также необходимо компенсировать температурные дрейфы. Этой ситуации можно избежать, встроив датчик силы зажима глубоко в суппорт . Однако установка 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 истинную силу 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 отказу от датчика силы зажима.
Пример решения этой проблемы: оценка силы зажима по положению привода и измерениям тока с использованием объединения данных датчиков .
Электропроводное торможение в настоящее время является зрелой концепцией в применении к стояночным тормозам транспортных средств . Электронный стояночный тормоз (EPB) был представлен в начале 2000-х годов компаниями BMW и Audi на своих топовых моделях ( 7-й серии и A8 соответственно), чтобы отказаться от традиционной системы с тросовым управлением (управляемой с помощью рычага между сиденьями или с помощью ножной ручки). педаль), которая обычно действовала на задние колеса автомобиля. Однако в EPB используется моторизованный механизм, встроенный в суппорт заднего дискового тормоза, сигнал которого подается через переключатель на центральной консоли или приборной панели. Электрический стояночный тормоз обычно интегрируется с другими системами автомобиля через сеть CAN-шины и может обеспечивать дополнительные функции, например:
Системы EPB позволяют усовершенствовать упаковку и производство, поскольку позволяют сделать центральную консоль незагроможденной при отсутствии традиционного рычага ручного тормоза (многие производители использовали освободившееся пространство для размещения элементов управления своих информационно-развлекательных систем), а также снижают сложность производства, поскольку устраняет необходимость прокладывать тросы Боудена под автомобилем.
EPB постепенно распространился на более дешевые автомобили, например, в рамках Volkswagen Group EPB теперь стал стандартной комплектацией для Passat (B6) 2006 года , в то время как Opel представил его на Insignia 2008 года .