汽车性能集成开发实战手册
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3.1 电子制动系统概述

1908年,英国工程师J.E.Francis提出“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论。防抱死制动系统(Antilock Braking System,ABS)在汽车上的开发始于1928年Karl Wessel的专利申请“制动力控制器”,其后Werner Moehl的“液压制动安全装置”与Richard Trappe的“车轮抱死防止器”都是对汽车使用ABS开发的一种尝试。

最早的车轮防抱死系统于1929年应用于飞机上,由法国相关公司开发,让飞机在降落时得以拥有接近制动极限的减速性能。以当时的电子元器件的发展状况,这套车轮防抱死系统没有用电子感应器与电子控制单元(ECU)进行判断,而是采用纯粹的机械构造。这套系统提高约30%的制动性能,最主要是因为飞行员不需要慢慢地增加制动力来找到最大的制动效能,只需要全力进行制动即可,同时这也减少了轮胎爆胎等情况。

德国博世(Bosch)公司研发ABS的起源可以追溯到1936年,当年博世公司申请了“机动车辆防止制动抱死装置”的专利。

汽车上使用ABS始于1954年福特汽车公司在林肯车上装用法国航空公司的ABS装置,这种ABS装置的控制部分为机械式,结构复杂,功能相对单一,只有在特定车辆和工况下防抱死才有效,因此制动效果并不理想。机械结构复杂使ABS装置的可靠性差、控制精度低、价格高,ABS技术在汽车上的推广应用受到限制。

1957年,凯尔斯-海伊斯(KALSEY-HAYES)公司进行的ABS试验表明,ABS能够防止制动过程中汽车失去方向控制,并能缩短汽车的制动距离。

1964年(也是集成电路诞生的一年),博世公司公司再度开始ABS的研发计划,最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”的结论,这是ABS一词在历史上第一次出现。

20世纪70年代后期,数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展,为ABS防滑控制系统的实用化奠定了基础。1978年,博世公司与奔驰公司合作研制出三通道四轮带有数字式控制器的ABS——ABS 2(图3-1),并批量装于奔驰轿车上。有别于ABS 1采用模拟式电子组件,ABS 2完全以数字式组件进行设计,不但控制单元内组件数目从1000个锐减到140个,而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势。但在ABS诞生的前期,由于成本过于高昂而无法开拓市场。从1978年到1980年底,博世公司总共仅售出24000套ABS。但受到市场上的正面响应,博世公司开始牵引力控制系统(TCS)的研发计划。1983年推出的ABS 2S的质量由5.5kg降低到4.3kg,控制组件也减少到70个。

图3-1 1978年奔驰S级轿车装备ABS进行对比测试

德国大陆特威斯(Teves)公司1984年推出了具有防抱制动和驱动防滑功能的ABS 2U。机械与电子元件持续不断的发展和改进使ABS的优越性越来越明显,由于激烈的竞争,技术的日趋成熟,ABS变得更精密、更可靠,价格也在迅速下降。

到了20世纪80年代中期,全球新出厂车辆安装ABS的比例首次超过1%,通用汽车也决定把ABS列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。

1986年是另一个值得纪念的年份。这一年,除了博世公司庆祝售出第100万套ABS外,更重要的是博世公司推出史上第一个供民用车使用的TCS控制系统。TCS的作用是防止汽车起步与加速过程中驱动轮打滑,特别是防止车辆过弯时的驱动轮空转,并将滑转率控制在10%~20%的范围内。由于TCS是通过调整驱动轮的转矩来进行牵引力控制的,因而又被称为驱动力控制系统。

1987年,第一款搭载TCS的奔弛S级新车型再度成为历史的创造者。随着ABS的单价逐渐降低,搭载ABS的新车数目于1988年开始飞速增加,当年博世公司的ABS年度销售量首次突破300万套。

1987年,原欧洲共同体颁布一项法规,要求从1991年起,欧洲共同体所有成员国生产的所有新车型均需装备防抱死制动系统,同时规定凡载质量在16t以上的货车必须装备ABS,并且禁止无此系统的汽车进口。日本规定,从1991年起,总质量超过13t的牵引车,总质量超过10t的运送危险品的拖车、在高速公路上行驶的大客车都必须安装ABS。

博世公司在1989年推出的ABS 2E首次将分离于发动机舱的液压驱动组件与中控台内的电子控制组件集成到一起。ABS 2E也是历史上第一个舍弃集成电路,用一个8K字节运算速度的微处理器(CPU)负责所有控制工作的ABS。同年,保时捷车厂正式宣布全车系都已安装了ABS。20世纪90年代前半期,ABS逐渐开始普及于量产车上。

1993年,博世公司推出了ABS 2E的改良版ABS 5.0,除了体积更小、质量更轻外,ABS 5.0装备了运算速度加倍(16K字节)的处理器,博世公司也在同年年中庆祝售出第1000万套ABS。

此后,随着市场装备率的提升和汽车市场的快速发展,体积更小、质量更轻和支持的功能更多成为ABS发展的趋势,德国博世公司于2001年推出第八代ABS,质量已经降低到1.7kg,2009年推出的第九代ABS,其质量最低已经可以控制在1.1kg以下。博世ABS的发展进程如图3-2所示。

图3-2 博世ABS的发展进程

全球范围内,车身电子稳定(ESP)系统在乘用车上的批量应用始于1995年,从此以后,许多基于ESP的扩展功能及更高端的复合控制系统得到迅速发展,并已批量应用。

博世ESP系统经历了博世第五代、第八代和第九代产品,和ABS的发展相同,新一代产品相对于前代产品都是往体积更小,质量更轻和可支持功能更多的方向发展。