本文结合笔者实际的工程项目研究，阐述了制动系统技术
发展与变革趋势；讨论了基于新能源智能汽车的集成式线控系统（Integrated Brake Control, IBC）系统设计方案、功能安全策略等，以寻到掌握线控制动核心技术及智能驾驶精确控制的有效突破口。
新能源线控制动系统设计、功能安全
1. 引言
随着汽车产业的发展和国家战略的新要求，新一轮的工业产业革命正在推动汽车产品内涵和外延的深度变革，汽车新四化中的“电动化”“智能化”“网联化”更呈现出高速发展和落地应用的态势。国家2015年部署《中国制造2025》行动纲领，其中的智能网联汽车技术路线图明确指出，要开发针对特定智能化功能的域控制器，实现多项驾驶辅助功能的集成控制，攻克底盘制动、驱动、转向等精确、可靠、协调控制关键技术。2020年10月印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，明确提出要攻克汽车线控执行系统核心技术。该技术长期被外国企业垄断，是我国智能新能源汽车的“卡脖子”关键问题。
新能源汽车变革是中国汽车产业链弯道超车的历史性机遇。线控底盘是新能源、自动驾驶发展和产业化应用的关键核心零部件和控制系统，并随新能源及智能驾驶的搭载率提升而加速广泛应用。同时底盘智
能化、线控化大幅度提升单车的产品价值（功能价值+用户感知价值）。线控底盘主要包含线控制动、线控转向、线控油门和线控换挡等线控技术和领域，其细分市场中，线控制动及线控转向市场占有率较高，增长较快。通过深入的市场研究和调研数据分析，在未来3-5年线控底盘技术中，线控制动、转向是主机厂整车搭载应用量最大，市场规模增长最快的两项线控技术。然而，线控制动系统作为自动驾驶汽车的核心零部件，综合了软件、硬件以及机械的能力，具有较高的技术门槛。国外线控制动系统的研究主要集中于产品开发，一定程度上形成了“垄断”的局面，具有较高的话语权，开发费居高不下且系统封闭性较高，开放程度不足。本课题开展的关于集成式线控制动系统（Integrated Brake Control, IBC）的研究是当前线控底盘技术落地及智能驾驶精确控制的有效突破口，同时对主机厂掌握核心技术和智能驾驶技术落地而言，IBC系统的研究具有非常重要的意义和占据重要的地位。
2. 制动系统发展与变革
随着新能源和智能汽车的发展，政策法规、主机厂和消费者对制动系统的需求发生了很大的变化。制动系统技术和产品伴随着需求升级而不断革新和进步，关于线控制动技术变革和市场应用如下：
2.1 制动系统需求变化和升级
近年来，制动系统从传统的“低成本、重量轻、更严格的N H V（特别是非常安静的新能源纯电动汽车）”产品要求和需求，逐步迭代升级，未来的制动系统需具备“自动刹车功能、针对自动驾驶的安全冗
余、个性化、系统更新迭代”等新要求和需求，以满足新能源汽车和自动驾驶汽车的发展和应用[1]。
新能源和智能汽车的主动安全需求是驱动线控制动系统发展和应用的主要市场因素和要求，如图2.1所示。关于功能和非功能需求直接影响未来的制动系统的技术架构的发展，催生出线控制动技术的诞生。第一，功能性驱动因素含2个方面，①舒适性功能增加需求：包含高动态性的新安全功能、高舒适性的舒适功能、故障下可运行的自动驾驶；②减少二氧化碳排放的电动化、效率提升等方面的功能需求，如转
矩混合、无/低真空等。第二，非功能性驱动因素主要包含3个方面，①减低成本和复杂性要求，包含
安装工时降低、更少的变体和复杂性、箱子体积更小、降低零件价格、降低售后服务成本；②网络安全；③轻重量。
这些需求的增加，使得传统的真空制动助力器已经无法满足新能源和自动驾驶汽车的技术要求，逐步被电子液压线控制动系统所取代。为全面支持A DAS驾驶辅助功能，要求制动系统具备优越的动态响应能力（TTL＜200ms）；如根据实车测试数据分析，如图2.2，博世ESC产品的动态响应能力一般只能达到400-600ms之间，无法满足法规及C-NCAP 的要求，博世Ebooster代替ESC实施紧急制动，在初始制动速度为40kph 下制动距离可缩短1.8m，制动性能大幅度提升，同时在制动系统的NVH、寿命、建压
速度等方面都有很好的改善和提升。
图2.2 制动系统响应能力分析 2.2 制动系统性能差异分析
根据制调研和分析，制动系统不同的产品形态和阶段，其功能特性和满足的制动场景有很大的差异，主要表现为表2.1。线控制动即取消机械连接，实现精准控制。线控制动系统是电子控制的制动系统，汽车底盘域的核心部件，其主要特征是取消了制动踏板和制动器之间的机械连接，以电子结构上的关联实现信号的传送、制动能量的传导，分为液压式线控制动系统（Electro-Hydraulic Brake, EHB）和机械式线控制动系统（E l e c t ro -Me c h a n i c a l B r a ke, E M B）两种。通过表2.1对比分析，线控制动系统EHB Tow-Box和One-Box在低成本、自动刹车、自动驾驶的安全冗余、个性化、系统迭代5个方面性能均表现很优异，与此同时O n e -Box 还具有轻重量、NVH的独特性能优势。
在新能源和智能化的推动下，EHB线控制动技术方案，根据液压原理分为干式EHB和湿式EHB，根据集成度可分为Tow-Box和One-Box。其中Two-Box方案有较长时间技术积累且具有冗余优势，是目前的主流方案；而One-Box方案集成度更高，具有成本、能量回收（提升续航）的优势。同时随着智能驾驶技术发展需要，E H B T wo -B ox 解耦方案、E H B
One-Box+电子冗余方案和有冗余的EMB线控制动
图2.1 市场驱动因素和要求
表2.1 制动系统性能差异分析
序号产品组合传统性能
新增性能
成本低重量轻NVH 自动刹车自动驾驶的安全冗余
个性化系统迭代1真空助力器+ESC
低好一般差无无无2真空助力器+电子真空助力器+ESC 一般一般差差无无无3电子助力器+AA+ESC（3Box）一般一般一般好有有有4电子助力器+ESC（Tow-Box）低一般一般好有有有5
电子助力器（One-Box）
低
好
好
好
可集成
有
有
表2.2 EHB产品性能差异分析
序号维度湿式EHB
干式EHB
Two-Box One-Box
1液压原理湿式EHB采用电机建立液压，然后将
小鹏汽车 网约车高压制动液储存在高压储能器中，需
要刹车时释放，其成本高昂，可靠性
不高。
Two-Box是半解耦方案，制定踏板同
时受到驾驶员的踏板力和电机的辅助
扭矩。由于解耦的不完全性，很容易
导致“顶脚”“卡脚”现象，造成驾
驶员惊恐。
One-Box是完全解耦方案，当电机动
力源单独作用时，并不会带动踏板杆
动作，从而也避免了“卡脚”现象的
出现，实现了完全解耦。
2集成度湿式EHB系统过于复杂，且其上高压
蓄能器怕震动，可靠性不高，体积也
大，成本也高，寿命也收到质疑，维
修成本居高不下，最重要的是响应时
间略长。
Two-Box方案需要同时布置两个零
件部件（eBooster和ESC），布置空
间总体积较大，提高了整车布置的
难度，空间集成度低，eBooster和
ESC采用独立的控制器，且二者需要
复杂的交叉接口，控制器集成度低。
One-Box方案将eBooster和ESC集
成到一个体积与1.5个ESC相当的液
力块中，缩小体积并且减少泄露的可
能，同时将二者的控制器集成，集成
度大大提高，给整车布置带来了较大
的便捷性。
3功能实现One-Box方案更具灵活性和便捷性，虽然在安全冗余的实现方法上，因为缺少了机械结构而更加复杂，但是交互接口的复杂性大大下降。其全力制动可达120毫秒远胜于湿式EHB的200毫秒。
技术方案将是未来线控制动发展的主流方向。关于EHB各种形态产品的性能也同样存在差异，具体见表2.2。综上，干式EHB中的OneBox方案解耦度、集成度以及可靠度更高，能够满足L3及以上级别自动驾驶的，是未来制动系统的优选方案。当前国内制动企业陆续推出线控制动不同产品和方案，并实现在中国自主车型的搭载，国产供应商有望实现弯道超车[2]。
2.3 线控系统市场应用分析
根据市场调研分析，在线控底盘各细分市场中，线控制动及线控转向市场占有率较高，增长较快。据测算，2022年国内线控底盘行业规模将达到200亿元左右，其中线控制动、线控转向、分别占比为19.2%、0.0%，但到2026年国内线控底盘行业规模预计达到575亿，其中线控制动、线控转向、分别占比为 37.6%、28.5%；2022-2026年期间，线控制动、线控转向的综合年GAGR最大分别为50.7%、52.2%，并将在未来三至五年迎来爆发性增长，如表2.3所示。从增速和规模综合而言，线控制动和线控转向将成为线控底盘行业的主要增长部分，GAGR逐年不断增大，建议主机厂及行业零部件商优先布局线控制动和线控转向2项产品和技术。
表2.3 2022-2026年线控底盘各细分领域GAGR
（复合年均增长率）
线控制动线控转向线控油门线控换挡2022年
GAGR
19.2%0.0%57.7%23.1%
2026年
GAGR
37.6%28.5%18.8%15.0%
2022-2026年
GAGR 50.7%52.2% 5.3%21.0%
根据市场调研结果，当前市场上主流新能源车企
搭载和应用的线控制动系统情况如表2.4，主要为博
世的iBooster系列产品，以非解耦Two-Box产品为
主，部分品牌开始应用One-Box产品，如腾势X。
2.4 小结
（1）2021年国内新能源车市场T wo-B ox和
O n e-B o x实际需求量约为60万套左右（55万套
Two-Box+7万套 One-Box）；其中90%为博世供
货，国内供应商的占比不到10%。博世已经装车的
iBooster GEN 2及IPB1.0在实车匹配和试验中有很
多缺陷和不成熟之处，但令主机厂比较无奈的是国内
目前没有成熟稳定和更便宜的量产替代品。
（2）Two-Box（eBooster+ESC）被称为电子制
动系统黄金组合，由于其在系统架构和功能安全方面
的独特优势，特别是在ADAS系统中相互冗余的突出
长处，这种特点确保了将在今后5至6年内，Two-Box
需求占比会相对降低，但One-Box需求占比会逐步增
加，但两者各自需求量都会显著增加，两种架构必将
共存。
（3）目前是国内Two-Box和One-Box供应商
开发和布局产品的最佳窗口期，2024年底前后会迎
来国产Two-Box和One-Box大批量产装车的生命
周期。
3. IBC技术方案研究
本课题根据大量的制动系统市场规模、技术路
径、以及行业竞品分析和研究，结合应用项目本身实
表2.4 主流新能源品牌线控制动产品搭载情况
序号品牌车型线控制动产品供应商1小鹏2020款P7iBooster2.0博世
2
蔚来2020款EC6iBooster2.0博世
32019款EC6iBooster博世42018款ES8iBooster2.0博世5威马2021款W6iBooster博世6天际2019款ME7iBooster博世7腾势2020款腾势X IPB博世
8
特斯拉2019款Model 3iBooster博世
92021款ModelY iBooster博世
10
荣威2018款MARVEL X iBooster2.0博世
112021款Ei5iBooster博世
12
哪吒2020款哪吒U iBooster博世
132021款哪吒U Pro C-booster联创电子
14
领克2018款领克01 PHEV iBooster博世
152019款领克03 PHEV iBooster博世162021款领克05 PHEV iBooster博世17理想2019款理想ONE iBooster2.0博世18上汽R2020款ER6iBooster博世
19
北汽新能源2021款ARCFOX αT iBooster博世
202021款ARCFOX MARK5iBooster博世212019款EC3N-booster拿森电子
际需要，定位聚焦面向新能源智能汽车的集成式线控系统（I ntegrated Brake Control, IBC）的研究、系统设计等，以寻到线控底盘技术落地及智能驾驶精确控制的有效突破口，同时掌握制动领域的核心技术。下文将重点阐述关于新能源汽车IBC技术原理、核心功能场景以及功能安全等方面的研究成果和思路。
本课题研究的IBC系统能够达到的相关产品特性是：①结构为线簧+橡胶；②缸径×轴向尺寸为φ28.58×11；③优点为3段力、脚感平顺、有回滞特性、调整脚感方便、成本低。
3.1 IBC系统原理设计
本I B C控制器（E C U）系统主要由中央控制（MCU）模块、ESC模块、EPS模块、PMSM模块和通讯模块，以及相关的传感器和电磁阀组成，其系统原理框图如图3.1所示。
在IBC控制器（ECU）设计和开发过程中，需要重点开展产品设计、可靠性设计。其中产品设计主要包含ECU产品原理图及详细设计、ECU产品Layout 及加工工艺设计、ECU产品元器件选用规格、ECU产品装配结构设计、ECU产品仿真等。可靠性设计主要包括ECU失效树分析（FAT）、平均失效故障间隔时间分析（MTBF）、ECU潜在失效分析（DFMEA）、ECU故障诊断安全分析、ECU热分析、ECU元器件降额与容差设计、ECU散热设计、ECUEMC设计、ECU冗余设计等。
图3.1 IBC控制器（ECU）系统原理框图
3.2 系统核心功能场景设计
本课题研究和实现的IBC系统主要包基础功能（BBF、机械备份制动、EBD、ABS、TCS、VDC）以及增值功能（AEB、ACC、HHC等）共计32项功能场景[4]。在IBC系统开发过程中，对每项核心功能场景的控制策略进行了深入研究和实车测试验证，具体如表3.1所示。
3.3 系统功能安全设计
随着汽车的自动驾驶（ADAS）级别从L2升级到L2+和L3，并且逐步向全自动驾驶L4和L5奋进，其制动系统对于确保车辆纵向运动的安全性起到了决定性作用，如何从正向设计开发阶段开展功能安全和预期功能安全（SOITF）设计，以确保系统在正常运行（非故障）和故障状态下均能实现功能概念、功能安全还念、安全接收准则（Acceptance criteria），是国际国内行业关注的焦点。
本课题总体功能安全设计是基于ISO26262车辆功能安全标准和国家强制法规《乘用车制动系统技术要求及试验方法》（GB 21670），对控制器和执行器进行冗余设计，以分层结构为框架，保证信号采集、信号处理到执行过程中具备抵抗潜在风险的鲁棒性，从而实现车辆的制动的功能安全。本IBC系统失效模式分析，如图3.1所示，主要从“车载电网故障、电机故障、控制器故障、电磁阀故障、传感故障”5个方面展开系统失效模式和场景分析，并分别制定出对应软件冗余设计方案[3]。
本文以IBC系统传感器功能安全冗余方案设计为实例分析，图3.2为IBC系统传感器功能安全策略逻辑架构图，
根据各模块的故障检测结果和当前控制模
式，分别进行相对应的故障处理模式，其中的故障等级对照ISO26262的ASIL等级。由于篇幅有限，其他场景的功能安全冗余设计方案不在此呈现和分析。
图3.2 IBC系统传感器功能安全策略逻辑架构图
4. 结束语
本课题研究和设计的集成式线控制动系统（IBC），通过对该系统的重要组件及结构设计，对该系统进行数学建模与流体分析；搭建IBC实验台架并测试系统开环动态特性，利用专业仿真软件计算IBC系列化电磁阀动态响应特性，分析系统结构参数对系统特性的影响；设计系统泄漏诊断流程、真实制动意图识别算法，以及基于压力环、位置环的伺服建压单元压力控制算法；最后进行大量基于IBC系统的核心稳定性控制策略并开展高、低附着路面环境下的实车测试验证。课题研究的IBC系统最终达成以下性能指标：
（1）I B C 样件装车和实车试验，其制动压力0-10M P a 增压时间<150m s 、压力调控精度<0.2MPa
及机械冗余备份功能。
图3.1 IBC系统失效模式
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