汽车电子:ABS的发展方向

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        汽车防抱死制动系统(简称ABS)是提高和改善汽车制动性能的重要途径,它能充分发挥轮胎与路面的潜在附着力,最大限度地改善汽车的制动性能,以满足行车安全的需要,它一直是人们追求的目标。虽然ABS的理论基础早已确立,但鉴于相关工业如电子技术水平的限制,使可靠性、价格效益比成为ABS发展道路上的两大障碍。20世纪80年代以来,由于电子技术的发展,ABS可靠性得以完善,加之汽车行驶速度的提高,致使制动时车轮抱死拖滑成为行车安全的重大隐患之一,为了改善制动性能,保障行车安全,促进了ABS的使用日益广泛。

  2005年国内ABS需求126万套

  世界各发达国家都对汽车安全性提出了强制性要求,20世纪90年代,欧、美、日等发达国家为了提高汽车安全性,制定了严格的法规。事实证明,ABS的发展和国家的汽车安全法规密切相关。1995年,北美产轿车ABS的装用率达70%,欧洲轿车ABS装用率约为40%。目前,ABS已成为这些国家生产轿车的标准装备。

  1999年我国制定的国家强制性标准GB-12676《汽车制动系统结构、性能和试验方法》中已把装用ABS作为强制性法规。到2005年,国产 
车辆ABS装车率将达到50%。微车、客车的装车率为20%,也就是说液压制动ABS的需求量将达到75万-81万套;而中、重型载货车,大、中型客车ABS的装车率为100%;气制动ABS需求量为35万-45万套;这样,到2005年国内ABS总需求量为108万-126万套。

  我国ABS产品正处于起步阶段,气动ABS相对液压ABS的推广门槛要低一些。一方面气动ABS主要是针对重型车及大客车,这类车型主要由国内生产,且国家强制性法规不是强制要求这部分车辆装用ABS系统。国内在这方面的研究开发起步较早,具有很好的技术基础。液压ABS主要针对轿车,而国内的大部分轿车是以合资为主,其技术话语权主要由外方控制,所以国内ABS系统进入轿车领域难度会更大些。

  国内ABS生产厂家,目前估计在10家-20家左右,一般都是仅做气动或仅做液压ABS,很少有气动和液压ABS同时开发的。对气动ABS,国外厂商主要是德国WABCO和KNORR两家公司,他们的市场估计占到80%左右。国内虽然厂家较多,但形成大批量供货的还没有。液压ABS主要是德国大陆公司、Bosch、TRW和德尔福公司,国内厂家势力要弱些,基本没有形成规模生产。但近几年国内企业看到了很好的市场前景,纷纷投入资金加快开发与生产。

  ABS系统技术逐步升级

  ABS系统中涉及以下几方面技术:一是传感器。传统上ABS传感器以电磁感应式传感器为主,目前国内市场90%是以这种传感器为主,气动ABS几乎100%采用这种传感器。这种传感器的优点是成本低,抗恶劣环境的能力强,但缺点是要求工作间隙较小,低速时往往没有信号。近几年由于半导体技术的发展,霍尔型传感器逐步在液压ABS系统中采用,它的特点是体积小,工作间隙大,信号幅度与速度无关,还可以测试间隙及方向,特别是用于ABS升级的产品,所以霍尔型传感器呈现逐步增多的趋势。

  二是ABS控制器。目前ABS控制器主要以16位单片机为主,一般采用双CPU,也有采用单CPU的。其所用到各种硬件芯片,国外大的半导体厂商都有成熟的解决方案,所以硬件实现已比较简单。

  ECU硬件的方面主要是朝集成化方向发展,一些公司采用先进的半导体技术试图将功率驱动芯片与CPU集成在一起,将各种辅助功能,如电源、通信也集成在一起。这样芯片就可以集成到一两个器件上,大大提高了系统的可靠性。在软件方面也有人试图将ABS软件标准化,软件开发朝着图形化及自动代码生成方向发展,这样会导致要求更高的CPU计算速度和更大的内存及程序存储空间。

  ABS主要采用CAN作为通信总线

  车载网络主要有A、B、C三个级别,A级主要以本身电子为主,其代表的总线是LIN。C级是以实时控制为主,其代表的总线是CAN。ABS主要采用CAN作为通信总线,气动ABS主要采用SAEJ1939作为网络协议,而液压ABS一般都是各厂家自己制定。一般ABS通信速率在500波特率。ABS是安全系统,所以一般它要将ABS状态、轮速等信息发送到总线上。带有ASR的系统还要通过总线进行驱动力的控制。

  随着电制动(Brake-by-wire)的发展,要求总线速度和可靠性方面有大的提高。目前出现了1M波特率至10M波特率的总线,它们分别是:TTP/C、TTCAN、FlexRay,每一种总线都有自己的特点。目前没有一种总线进入实用化阶段,价格及系统的容错能力是主要问题。另外,Brake-by-wire系统还没有开始进入大批量使用阶段,所以这类高速总线的出现还需要时间。

  车载网络另一部分是诊断协议,早期一般采用ISO9141作为硬件标准,应用层协议由厂商自定。目前的趋势是延续ISO9141的硬件接口,应用层协议则是采用ISOKW2000。

  电子制动将是发展方向

  ABS技术在20世纪90年代初期就已成熟,近十年来没有突破性的发展,但在ABS技术进行的扩展,将ABS的内涵给予了很大的提升。ABS最初的扩展是防滑控制系统,它分为制动防滑(EDS)和驱动防滑(TCS)两部分,有时统称为ASR。在此基础上扩展了后轴制动力感载控制,即EBD功能,以及电子助力制动EBA,这些扩展仍是以ABS为主。90年代中期,ABS进入了一个全新的发展,ABS只是作为全新系统的一个子系统,而不是一个主要的系统,但它仍把ABS作为一个重要组成部分。 

  气动ABS演化为EBS,即电子制动系统,在此基础上发展为稳定性控制系统ESP,稳定性控制系统主要利用车辆加速度传感器和横摆角速度传感器,对车辆横向稳定性进行控制,如对过度转向及不足转向进行纠正,防止车辆失去稳定性。还有一些系统将倾翻警告集成到这类系统中,这种系统的控制主要以制动为主,所以ABS是其重要的组成部分。

  液压ABS目前演化成稳定性控制,即ESP系统。它是控制操作过程中的横向稳定性,通用制动成驱动力的调节来调整整车的横向稳定性,目前这种系统已批量装车,国内中高档轿车已开始装车,在此基础进行扩展的功能有:将助力转向系统与ESP相结合,更好地控制车辆稳定性。下一代产品已进行了批量生产,即电子制动系统,将传统的制动液压传动部分改为电传动,但制动力仍靠液压及主缸分泵产生,这样可以提高制动的响应速度,减小制动距离,同时可以实现Brake-by-wire的功能。未来液压ABS系统将向全电子系统过渡,但可靠性及成本是一个非常大的障碍,全电子制动要求制动电机有足够的制动力,但目前的12伏电源很难满足要求,要求未来的42伏电源系统的实施后才可能变成现实。

  总之,现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展。全电制动控制因其巨大的优越性,将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统而占据下一代制动控制系统统治地位。同时,随着其他汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展,电子元件的成本及尺寸不断下降。汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统,未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统,各种控制单元集中在较少的ECU中,并将逐渐代替常规的控制系统,实现车辆控制的智能化。

  国内汽车安全应从ABS做起

  汽车制动控制技术的发展受整个汽车工业发展的制约。有一个巨大的汽车市场的吸引,各种先进的电子技术、生物技术、信息技术以及各种智能技术才会陆续应用到汽车制动控制系统中来。

  国内外在此领域内的差距还是比较大的,国外ABS技术早已成熟,目前主要集中在ESP及电子制动领域的研究方面。国内还主要集中在ABS方面的研究,一些高校已开始介入ESP等领域的研究,但仅仅偏重于理论,缺少实用化方面的工作。国内外在这方面另一大不同是,国外在ABS领域的研发是以企业为主进行的,主要发表的论文也是以企业为主,高校仅是做一些理论研究工作。而国内几乎是高校来做研发,企业只是待产品成熟后再来生产,企业缺少自己的开发能力。而高校由于有较好的人力资源及国家政策的支持,往往能很好地进行研发,但又缺少产业化生产基础与能力,导致我们的技术进步缓慢。

  围绕着汽车安全产品,除大家熟知的ABS安全气囊外。近几年在ABS基础扩展的系统有ESP稳定系统、EBS电子制动系统、ACC自动巡航系统、抗倾翻系统、自动防撞系统,这些都与ABS有关。另外还有轮胎压力监测系统TMPS、夜视系统。这些系统绝大部分都已进入商业化及批量生产阶段。但ABS可以说是一个最基础的系统,如果ABS不能开发成功,其他更高级的系统则无法进入,要么不完善。但有些系统与ABS关系小些,如TMPS(汽车轮胎气压报警技术),由于它比较简单,目前国内很多企业都在开发和生产TMPS系统,这也不一定是十分好的事情。 

  另一方面国内介入ABS研发及生产的企业逐步增多,已开始导致市场混乱,使国内ABS的声誉受到很大的影响。国内进入安全领域应该从ABS作起,否则,更高端的产品很难切入。国外ESP等系统的厂商都是从ABS产品开始,而且经历了十几年的奋斗,才达到今天的辉煌。国内企业虽然面临着很大的市场压力,但由于技术的进步、开发能力的提高及政府的大力支持,加之国内丰富的人力资源,相信国内可以经过较短的时间走完国外十几年的发展历程,并尽快切入到ESP、EBS等系统的研发中去。

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