Introduzione ai sistemi frenanti One-box e Two-box

Introduzione ai sistemi frenanti One-box e Two-box

Recentemente, un altro incidente di collisione ad alta velocità di Tesla ha suscitato scalpore. La frenata dei veicoli elettrici è abbastanza sicura? Ha riacceso l’attenzione e la discussione del pubblico. Oggi spiegherò l'impianto frenante dei veicoli elettrici sotto due aspetti: la differenza tra gli impianti frenanti dei veicoli elettrici e quelli tradizionali e l'applicazione tecnica degli impianti frenanti dei veicoli elettrici, così da fornire ai lettori un riferimento tecnico per affrontare con razionalità le problematiche relativo all'impianto frenante.

01 Introduzione ai sistemi frenanti delle autovetture

Che si tratti di un veicolo a carburante tradizionale o di un veicolo a nuova energia, l’impianto frenante base è costituito dai seguenti componenti:

Il percorso di trasmissione della forza frenante è costituito da tre fasi: forza meccanica del pedale → pressione del liquido dei freni → forza meccanica della pinza:

1)La forza del piede del conducente viene prima amplificata dal rapporto della leva del pedale del freno, quindi viene amplificata dall'amplificazione secondaria del servofreno. Quindi viene passato all'ingresso della pompa freno l'asta di spinta.

2)L'asta di spinta di ingresso della pompa freno spinge il pistone per convertire la forza meccanica in pressione idraulica del liquido dei freni. La pressione idraulica del liquido dei freni viene quindi trasmessa alla pinza del freno attraverso la tubazione e spinge il pistone della pinza.

3) Il pistone della pinza del freno spinge le piastre di attrito per conformare il disco del freno rotante per produrre attrito, che agisce sulle ruote come coppia frenante.

Non ci sono differenze nei principi e nelle applicazioni tra veicoli elettrici e veicoli a carburante quando si tratta di pedali e freni. Le principali differenze tra le diverse tipologie di veicoli si concentrano nel modulo "booster + pompa freno + ESP". Il motivo per cui qui vengono messi insieme "booster + pompa freno + ESP" è perché i livelli di integrazione di questi tre moduli sono diversi nelle diverse soluzioni tecniche.

02 La struttura del sistema frenante del veicolo a carburante

La struttura dell'impianto frenante di un veicolo a carburante tradizionale è mostrata nella figura seguente.

"Booster + pompa freno" è un assieme e l'ESP è un modulo separato. Il "booster" qui è in realtà un booster a vuoto. Il principio è che l'interno del booster è diviso in due cavità da un diaframma: la cavità atmosferica e la cavità del vuoto. Quando non si frena, sia la camera grande che la camera del vuoto sono collegate alla fonte del vuoto per formare una pressione negativa del vuoto. Dopo aver premuto il pedale del freno, la camera del vuoto continua a mantenere il vuoto. La grande camera atmosferica è collegata al mondo esterno e inizia ad aspirare aria. Quindi la differenza di pressione tra le due camere agisce sul diaframma per formare la forza assistita dal vuoto, che infine agisce sull'asta di spinta di ingresso della pompa freno. La quantità della forza assistita dal vuoto è in proporzione fissa alla forza in ingresso del pedale. La fonte del vuoto proviene dal motore. Esistono due modi per fornire il vuoto al motore: uno è il vuoto formato durante il processo di aspirazione dell'aria nel collettore di aspirazione del motore e l'altro è la pompa del vuoto azionata dall'albero motore. La struttura specifica della pompa freno con moltiplicatore di vuoto il montaggio è mostrato nella figura seguente.

Per il sistema di assistenza al vuoto sopra menzionato, le tipiche modalità di guasto sono le seguenti:

1) Pedale del freno: la frattura del pedale del freno è una modalità di guasto molto rara e di basso livello. I regolamenti definiscono anche questa parte come una parte che non è soggetta a guasti. Il guasto principale legato al pedale è il guasto dell'interruttore della luce del freno (BLS). Il guasto del BLS non ha alcun impatto sulla frenatura idraulica di base, ma influenzerà le funzioni di frenatura elettronica come ABS/TCS/VDC, EMS e i giudizi logici relativi all'interruttore della luce del freno. Naturalmente anche l'illuminazione della luce posteriore del freno verrà influenzata;

2)Booster di vuoto: il risultato più grave del guasto del booster di vuoto è l'assenza di boost di vuoto, come perdite del booster, perdite del tubo di vuoto, ecc. La sensazione intuitiva del conducente è che i freni siano duri. A causa della mancanza del sistema di aspirazione assistita, il conducente deve esercitare una forza molte volte maggiore del normale per ottenere la decelerazione del veicolo in circostanze normali.

3)Cilindro principale: Il guasto del cilindro principale si concentra in due forme: perdita e bloccaggio. Il primo fa sì che la pedalata diventi più lunga e morbida, ma il veicolo non riesce a stabilire una decelerazione normale; quest'ultimo impedirà direttamente la pressione del pedale del freno.

4)Modulo ESP: guasti all'interruttore della luce del freno, al gruppo propulsore, al sensore di velocità della ruota, all'alimentazione, alla rete CAN e così via, che influenzeranno le funzioni relative all'ESP (ABS/TCS/VDC/HHC/AVH/HDC, ecc.). a causa dell'ABS/TCS/La funzione VDC interverrà solo in condizioni estreme del veicolo, quindi il guasto della funzione ESP non influirà sulla frenata di base. Vale a dire, una frenata leggera/moderata su una buona superficie stradale ha scarso effetto, ma l'ABS si guasta durante una frenata brusca e le ruote tendono a bloccarsi. Le condizioni stradali più pericolose in questo caso sono strade ghiacciate, innevate o sterrate con basso coefficiente di aderenza. Le ruote anteriori e posteriori possono facilmente scivolare e perdere il controllo durante la frenata o la guida.

5)Freni: Sono numerosi i guasti ai freni, soprattutto quelli legati alla frenata NVH, ma i guasti che pregiudicano davvero seriamente la sicurezza di guida sono principalmente la perdita di liquido dei freni nelle pinze e il deterioramento delle pastiglie di attrito. La perdita di liquido dei freni della pinza è simile alla suddetta perdita del cilindro principale. Il degrado delle prestazioni del cuscinetto di attrito è causato principalmente dal degrado termico. Dopo il degrado, l'efficienza della frenata diminuisce e la decelerazione del veicolo è di gran lunga inferiore alle aspettative del conducente. L'autista ritiene che l'auto non possa essere frenata.

6)Altri: guasto della tubazione (perdita), guasto del sensore di velocità della ruota, guasto dell'EPB, ecc.

03 Struttura del sistema frenante del veicolo elettrico

Poiché il booster di vuoto richiede che il motore fornisca il vuoto, i veicoli a nuova energia non possono utilizzare questo sistema che si basa sul motore per ottenere il vuoto durante la guida esclusivamente elettrica.

3.1 Soluzione con pompa per vuoto elettronica

La logica della soluzione con pompa per vuoto elettronica è la seguente: poiché non esiste un motore che fornisca una fonte di vuoto, vengono fornite parti che possono essere evacuate in modo indipendente. Il principio è molto semplice, ovvero il motore fa ruotare la lama e aspira. Esistono anche tipi a stantuffo, ma non sono ampiamente utilizzati. Pertanto, la soluzione della pompa per vuoto elettronica fornisce direttamente il vuoto al motore a livello hardware. Le pompe per vuoto elettroniche si dividono in pompe indipendenti (unica fonte di vuoto e requisiti hardware più elevati) e pompe ausiliarie.

L’ovvio vantaggio di questa soluzione è che la quantità di modifiche è ridotta ed è molto adatta per condividere i sistemi frenanti dei veicoli a carburante e dei veicoli a nuova energia sulla stessa piattaforma. Anche gli svantaggi di questa soluzione sono evidenti:

1) Problemi di sistemazione causati dal rumore e dalle vibrazioni delle pompe per vuoto elettroniche;

2) Il mercato tradizionale delle pompe per vuoto elettroniche è quasi monopolizzato, i prezzi sono elevati e la qualità dei prodotti di altri produttori è instabile;

3) L’ESP convenzionale ha una bassa capacità di creazione di pressione attiva e non può fornire un forte supporto per il recupero di energia e la guida intelligente;

4)Il fallimento o la strategia irragionevole della pompa per vuoto elettronica porta al fallimento o alla riduzione del sistema di assistenza al vuoto. Nel complesso, la soluzione con pompa per vuoto elettronica è in realtà una soluzione a basso costo. A giudicare dall’andamento dello sviluppo tecnologico, si tratta di una soluzione transitoria.

3.2 Soluzione booster elettronica (due box)

Con la promozione di veicoli a nuova energia e lo sviluppo di tecnologie di guida intelligenti, l'interazione tra l'impianto frenante e il mondo esterno sta diventando sempre più importante. La gamma da crociera dei veicoli a nuova energia presenta requisiti più elevati per il recupero energetico. Il recupero per inerzia nel recupero di energia è legato alla stabilità dell'attacco basso del veicolo. Il recupero in frenata richiede un sistema frenante che prevalga sulla frenatura idraulica e sulla frenatura a recupero del motore. Lo sviluppo della guida intelligente ha posto anche requisiti più elevati per la capacità di aumento della pressione e la risposta del sistema frenante. Allo stesso tempo, la progettazione ridondante della guida autonoma richiede anche che il sistema frenante abbia una funzione di backup. Pertanto, Bosch ha lanciato una soluzione di booster elettronico che non si basa sul vuoto, comunemente chiamata booster elettronico iBooster. La struttura del booster elettronico è molto diversa da quella del booster a vuoto, ma nella sostanza è comunque progettata per simulare un booster vuoto. La differenza rispetto a un moltiplicatore di vuoto è che la spinta è fornita da un motore integrato. La figura seguente può illustrare completamente il metodo di servoassistenza del booster elettronico: il motore ruota per far ruotare l'ingranaggio. Dopo aver ridotto la velocità e aumentato la coppia, il movimento rotatorio viene infine convertito in movimento lineare attraverso l'ingranaggio a vite senza fine e infine, insieme alla forza trasmessa dal pedale, aziona l'asta di spinta di ingresso della pompa freno. Costruisci la pressione idraulica. La parte del cilindro principale è la stessa del tradizionale moltiplicatore di vuoto e la sede della valvola che determina il rapporto di sovralimentazione del moltiplicatore ha fondamentalmente la stessa struttura e lo stesso principio del tradizionale moltiplicatore di vuoto. Poiché il booster e l'ESP sono due moduli indipendenti in questa soluzione, l'industria la chiama soluzione a due scatole.

Per quanto riguarda il giudizio sull'assistenza iBooster: l'ECU memorizzerà internamente uno o più set di curve di sensibilità del pedale calibrate durante il processo di sviluppo del veicolo (come corsa del pedale rispetto alla decelerazione, corsa del pedale rispetto all'assistenza alla frenata, ecc.). Quando il conducente preme il pedale del freno, il sensore di corsa interno dell'iBooster deduce l'intenzione di frenare del conducente in base allo spostamento del pedale del freno, calcola ulteriormente la quantità di assistenza target e quindi considera in modo completo la quantità di recupero di energia/lo stato di funzionamento dell'ABS, ecc. la spinta definitiva dell'esecuzione del motore iBooster. Grazie alla potente capacità di servoassistenza di iBooster, al metodo di controllo semi-disaccoppiato a controllo elettronico e al doppio backup naturale di Two-Box (iBooster ed ESP), questa soluzione di sistema frenante presenta grandi vantaggi nel recupero di energia e nella guida intelligente. Questo è anche il motivo per cui iBooster può essere promosso rapidamente sul mercato. Fino ad ora, un gran numero di modelli come tutte le serie Tesla, quasi tutti i veicoli a nuova energia Volkswagen, tutte le serie Honda Accord (compresi i veicoli a carburante), tutti i veicoli a nuova energia Geely Lynk & Co, Mercedes-Benz Classe S, Weilai, Xpeng ha utilizzato la soluzione iBooster.

Naturalmente questo tipo di sistema presenta anche alcuni difetti:

1)La sensazione del pedale del freno sarà peggiore di quella del tradizionale sistema di servoaspirazione. Teoricamente, il principio di coordinazione del rapporto di sovralimentazione tra il moltiplicatore elettronico e il tradizionale moltiplicatore di vuoto è lo stesso (entrambi hanno strutture a disco di feedback in gomma), ma in realtà la spinta del moltiplicatore elettronico La dimensione è una serie di processi di calcolo ed esecuzione. Durante il processo di esecuzione, la raccolta del segnale del sensore, il calcolo del controller e l'esecuzione del motore produrranno determinati errori e ritardi. Inoltre, il coordinamento tra recupero di energia e frenatura idraulica aumenterà ulteriormente la difficoltà di controllo, questo processo di "simulazione" non è così "fluido" come l'equilibrio dinamico puramente fisico delle forze sui tradizionali moltiplicatori di vuoto.

2) Più le cose sono complesse, maggiore è la probabilità di fallimento. IBooster è fortemente correlato all'ESP esterno, alla guida intelligente e ai sistemi di alimentazione. I guasti del sistema correlati e i guasti della rete CAN possono influenzare la funzione servoassistita dell'iBooster.

3.3 soluzione in una sola scatola

one-box è principalmente definito per due-box. Quando Bosch sviluppò la soluzione a due box iBooster+ESP, l'azienda continentale stava sviluppando anche un'altra soluzione più integrata in risposta alle esigenze degli OEM: integrare ESP e booster elettronico, diventando un modulo comunemente noto come one-box .

Il One-box integra le funzioni di assistenza alla frenata ed ESP. La stessa cosa del due box è che l'assistenza alla frenata è fornita dal motore. La differenza principale è che la forza trasmessa dal two-box all'asta di spinta di ingresso della pompa freno è la somma della forza di ingresso del conducente e dell'assistenza del motore, e la relazione proporzionale tra i due è il risultato di un equilibrio meccanico, mentre la la forza frenante fornita dal one-box proviene tutta dal motore, senza sovrapporsi alla forza frenante fornita dal conducente. La forza fornita dal conducente attraverso il pedale del freno viene infine convertita in pressione idraulica e riversata nel simulatore di sensazione del pedale integrato nel one-box. Il simulatore della sensazione del pedale è in realtà un meccanismo a molla del pistone utilizzato per simulare la sensazione del pedale del freno e fornire al conducente un feedback di forza e corsa.

Il processo di assistenza one-box può essere semplicemente descritto come:

1) Lo spostamento generato dal pedale viene ottenuto dal sensore e quindi inviato alla ECU;

2)L'ECU calcola la richiesta di frenata del conducente e quindi aziona il motore per stabilire la pressione idraulica;

3) La pressione idraulica entra nei cilindri delle quattro ruote attraverso la valvola di ingresso dell'ABS e alla fine genera la forza frenante.

Pertanto, in circostanze normali, la forza del pedale e la forza frenante fornita dal One-Box sono meccanicamente disaccoppiate.

Il vantaggio più evidente di questa integrazione è il ridotto numero di parti e il basso peso volumetrico. Il design completamente disaccoppiato consente di regolare teoricamente il rapporto di decelerazione corrispondente a qualsiasi forza o corsa del pedale desiderata tramite software, ovvero la sensazione del pedale è in gran parte determinata dal software. Lo svantaggio è che il force feedback sul pedale è isolato dalla ruota e il conducente non può percepire lo stato della ruota attraverso il pedale. Ad esempio, quando l'ABS è in funzione, il conducente non riesce a percepire la vibrazione del pedale. Facendo riferimento all'esperienza del problema della sensazione del pedale del two-box, la sensazione del pedale del one-box completamente disaccoppiato è degna di attenzione. Inoltre, per la guida intelligente L3 e superiore, è necessario collegare un modulo ESP come backup ridondante. È qui che il one-box è inutile nella guida intelligente avanzata. Per quanto riguarda il guasto, dopo il guasto del servofreno elettronico, il due box può anche creare attivamente pressione per la frenata tramite l'ESP, ma il one-box non ha un sistema di backup nella parte del servofreno (a meno che non sia collegato un ESP a basse prestazioni ).

04 Caratteristiche del sistema One-Box

L'impianto frenante idraulico One-Box con comando a filo integra le funzioni frenanti tradizionali come TCS (sistema di controllo della trazione), ESC, ABS ed EPB. Inoltre, è possibile integrare software di controllo di terze parti, come monitoraggio della pressione dei pneumatici, EBD (distribuzione elettronica della forza frenante), AEB (sistema di assistenza alla frenata automatica), AVH (sistema di parcheggio automatico) e altre funzioni per ottenere lo sviluppo di un controllo integrato di domini chassis cablati. Le funzioni principali sono:

1)Controllo del freno di base (BBC)

Identifica automaticamente la richiesta di frenata del conducente rilevando l'input del sensore della corsa del pedale del freno, stabilisce la forza frenante idraulica corrispondente in base allo spostamento del pedale e controlla la pressione idraulica del freno per ottenere il Brake-by-Wire.

2) Sistema frenante antibloccaggio (ABS)

Durante il processo di frenata di emergenza, la pressione di frenata sulle quattro ruote viene controllata e la pressione idraulica del cilindro della ruota viene controllata in base alla velocità della ruota per impedire il bloccaggio delle ruote, migliorare la forza di frenata e garantire la stabilità di guida del veicolo.

3)Sistema di controllo della trazione (TCS)

Durante la guida intensa, come l'avviamento o l'accelerazione, la coppia del motore viene regolata per applicare una pressione frenante alle ruote che slittano per evitare uno slittamento eccessivo delle ruote motrici.

4)Controllo elettronico della stabilità (ESC)

Quando il veicolo gira, controlla il sovrasterzo o il sottosterzo del veicolo.

5)Sistema di recupero dell'energia frenante (CRBS)

Durante il processo di frenata, lo stato della batteria della coppia del motore e lo stato del pedale del freno vengono rilevati in tempo reale e il recupero coordinato dell'energia di frenata viene ottenuto regolando la pressione frenante e la coppia di recupero del motore per migliorare l'autonomia del veicolo.

6)Supporta la richiesta di frenata AEB

Riceve i comandi del modulo ADAS per implementare funzioni come Prefill e Warning Brake Deceleration; aumenta rapidamente la pressione per migliorare la frenata di emergenza automatica AEB e ridurre la distanza durante la frenata di emergenza AEB. I 300+ms risparmiati tramite la risposta rapida possono ridurre significativamente la probabilità di falsi trigger AEB;

7)Supporta la richiesta di controllo verticale ACC

Secondo i comandi del modulo ACC, controlla il gruppo propulsore o il sistema frenante per ottenere accelerazione e decelerazione;

8)Supporta la richiesta di controllo verticale APA/RPA

In base ai comandi del modulo APA/RPA, il gruppo propulsore o il sistema frenante viene controllato per ottenere accelerazione e decelerazione. Rispondendo alle istruzioni di traiettoria del veicolo, il veicolo viene controllato accuratamente nella direzione longitudinale della frenata e della guida e il conducente può parcheggiare automaticamente l'auto.

9)CST(Comfort-Stop) Comodo parcheggio

10) BSW

Rilevando le informazioni provenienti dal sensore pioggia, viene stabilita una certa pressione sul cilindro della ruota e il velo d'acqua sul disco freno viene pulito per migliorare le prestazioni di frenata nelle giornate piovose;

11)D-EPB

L’EPB a doppio comando risolve il problema della ridondanza di parcheggio dei veicoli elettrici;

12) Freno di riserva ridondante EPB-A

L'attuatore EPB della ruota posteriore/anteriore funge da freno di servizio di riserva.

13)Fuoristrada e creep

Varie superfici fuoristrada per migliorare la transitabilità e la sicurezza

14)HFC

Fornisce una pressione aggiuntiva sul cilindro della ruota al conducente quando il conducente preme completamente il pedale del freno e il veicolo non raggiunge la decelerazione massima.

05 Confronto tra una scatola e due scatole

Per il sistema a una o due scatole, i fornitori nazionali cinesi come Wanxiang, Asia Pacific, Bethel, Grubo, Nason e Tongyu offrono tutti prodotti corrispondenti. I principali fornitori esteri di sistemi a una o due scatole includono Bosch, Continental, ZF Friedrichshafen, Nissin, Hitachi (inclusa CBI), Mobis, Advics, ecc. I concetti di tecnologia di prodotto di questi fornitori sono simili e le differenze principali risiedono nella scala della produzione di massa e nella maturità del prodotto.