智慧電車時代─電控煞車系統趨勢與應用

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智慧電車時代─電控煞車系統趨勢與應用

2024 / 07 / 12

車輛中心研究發展處許騌譁、葉智榮

本文最初發表於2024車輛研測專刊。

壹、簡介

近年全球車輛產業快速轉變，面臨很大的挑戰，也有很多新的機會，例如各國政府宣示減少碳排、AI人工智慧的發展，都推動電動車與汽車電子快速成長。預估2030年全球電動車滲透率可達新車銷售總數的3成^[1]，以年銷售3,000萬輛、每台售價3萬美元計算，市場規模將高達9,000億美元；到2040年滲透率可望再翻倍，將上看近2兆美元。相較已趨於飽和的電腦和手機市場，電動車是一個更大的市場，未來的成長力道更為強勁。除了帶動電動動力系統的產業鏈外，在各零組件高度電子化下，電動車在行駛時可以提供更多智慧功能，為駕駛者和乘客帶來更多的安全與便利，例如緊急煞車輔助、車道輔助系統、自動駕駛等，其中電控煞車系統扮演重要角色，包括法規強制配備的防鎖死煞車系統、車輛穩定性電子式控制系統等，以及線控主動增壓系統，可在動力馬達回收煞車能量時，降低機械煞車力，讓電池回充最多的電能，緊急時則自動以最大煞車力使車輛減速以避免碰撞而造成車禍之憾事。

貳、系統需求

一般汽車的煞車系統主要包括煞車踏板、連桿、真空倍力器、煞車總泵、煞車油管以及各個車輪的卡鉗等。工作原理為駕駛者踩下煞車踏板後，連桿的推力經過真空倍力器放大，推動總泵中的煞車油進入油管，根據帕斯卡定律（加在密閉液體上的壓力，能夠大小不變的由液體向各個方向傳遞），從而驅使車輪上卡鉗的活塞帶動來令片摩擦煞車碟盤。這種純機械式的結構如圖1所示，具備簡單可靠的優點，因此在車輛上已使用數十年至今，防鎖死煞車系統或車輛穩定性電子式控制系統則是串接於此架構中，可調節單輪的煞車壓力，以因應不同路況，輔助駕駛穩定車輛。其中真空倍力器主要是應用引擎進氣時產生的真空放大駕駛煞車力道，但電動車就缺少此穩定的來源，必須改以電動方式來產生煞車輔助力，也隨之使煞車具備線控的功能，其架構如圖2所示，不僅可與動能回收系統相互調配，更有利於如緊急煞車輔助系統或是自動駕駛的主動煞車應用。因此電控煞車系統在智慧電車的時代，是不可或缺的關鍵系統。

圖1、傳統與電動液壓煞車系統架構

圖2、適用Level 3以上自動駕駛之電動液壓煞車系統架構

參、車輛中心之解決方案

車輛中心（ARTC）於2023年參與經濟部科專「低碳車輛與跨域系統節能優化與應用服務計畫」，進行電動液壓煞車系統的控制與整合技術建立，包含電動倍力器（electric brake booster, ebooster）與車輛動態穩定（Electronic Stability Control, ESC）等控制技術，組成互為備援的安全架構，其架構如圖3所示，著重於電控模組與控制演算法的開發。為達成此目標並對應產業需求，計畫將建立車輛動態估測與駕駛者操作意圖感知技術，以能將車輛動態訊號整合至電動液壓煞車系統中，發展主動與輔助煞車控制技術。電動倍力器主要由電子控制單元與液壓控制單元所組成，控制邏輯包含有主動增壓與煞車輔助功能等。當電動倍力器透過煞車行程感測器偵測到駕駛者的煞車需求後，將此訊息發送給控制單元進行運算，並經由馬達產生相對應之輔助力，最終結合駕駛者的踏力來推動煞車總泵產生煞車油壓，使車輪達到減速的目的。

圖3、ARTC之電動液壓煞車系統架構圖

電動倍力器之踏板行程控制可分為內、外迴圈，內迴圈進行電流控制，外迴圈進行推桿行程控制。於內控制迴路中，主要控制目標為輔助馬達的力矩輸出特性，輔助馬達多採用永磁同步馬達，因此導入磁場導向控制方法來驅動，以獲得較佳的馬達響應特性，如圖4所示。其設計重點包含：

磁場導向控制（Field-Oriented Control）。
空間向量調變控制。
比例積分控制器設計。

多數文獻採用空間向量調變SVPWM（Space Vector PWM, SVPWM）來控制功率元件，該方法比SPWM（Sinusoidal PWM）提高15.5%線電壓利用率，且可大幅降低MOSFET開關次數，進而降低導通損失；比例積分控制器則是根據推桿深度查表給予前饋電流，建表可由實驗推算馬達輸出扭矩透過機構轉換到推動總泵活塞的力量，再與彈簧張力與油壓反作用力達到平衡後，此時馬達q軸電流對應推桿行程之關係，並結合煞車分泵等模型於Matlab Simulink進行模型迴路（Model in the loop, MiL）之協同作業，如圖5所示，最終將控制邏輯演算法整合到控制器模組內，於煞車平台進行硬體迴路（Hardware in the loop, HiL）驗證，以確認符合交通部車輛安全檢測基準42-4對於煞車輔助力之要求。

圖4、電動倍力器系統架構圖

圖5、模型迴路之架構

動態穩定系統需感知駕駛者對汽車的操作意圖及汽車的實際運動狀態，透過輪速感測器可得知輪胎滾動速度資訊、方向盤轉角感測器可測量方向盤轉角以及方向盤轉角速度、汽車橫擺角速度感測器及橫向加速度感測器可判斷汽車實際運動狀態、煞車總泵的壓力感測器可識別駕駛人是否在進行煞車操縱，綜整前述各項感知資訊經由演算法進行判斷，當駕駛者的操縱超越輪胎可提供的極限，此時車輛將瀕臨失控，動態穩定系統透過調節特定輪進行獨立煞車力控制，藉以修正車輛動態使車身達到穩定控制之效果，圖6及圖7分別為配備與未配備動態穩定系統，對轉彎過程的車身響應影響結果：未搭載動態穩定系統之車輛，在過彎的過程中，可能因車速過高失去側向抓地力，而導致車輛失控進而衍生車禍；相對地，搭載動態穩定系統之車輛，將依循駕駛者的意圖順利過彎，此技術規劃於2025年投入研發，並可結合電動倍力器組成互為備援之後盾，以因應智慧電車時代。

圖6、安裝ESP在過彎時的動態響應^[2]

圖7、未安裝ESP在過彎時的動態響應

肆、結語

隨著車輛技術發展越來越成熟，使得車輛安全也越來越受重視，且在電動化的趨勢下，各式電控煞車系統將成為車輛的標準配備，國內煞車零組件廠以機械加工見長，亟需升級轉型為電控系統廠，以趕上此波電動車浪潮。在經濟部產業技術司科技專案支持下，ARTC持續投入電控煞車領域研發，逐步建立自主電控煞車技術能量，並移轉至國內廠商，在防鎖死煞車系統已成功切入國內自主機車廠，如圖8所示，以國產化的高性價比、在地化即時服務等優勢，將迅速開拓國內市場，並以此為契機擴展到海外市場。此項科研成果不僅解決產業痛點，帶動產業供應鏈及量產規模，更讓全國的機車族們「行的安全」獲得更多保障；並在2023年臺灣創新技術博覽會中勇奪四獎佳績，分別為發明競賽區「鉑金獎」、「企業特別獎」，創新領航館解密科技寶藏區「最佳媒體吸睛獎第2 名」、「最佳商機媒合獎第2 名」，榮獲獎項如圖9所示，深受主辦單位與業界的肯定；秉持著創新與服務的信念，ARTC持續投入乘用車電控煞車系統開發，目前電動倍力器由控制邏輯設計進展到硬體迴路（HiL）模擬階段，於煞車驗證平台確認煞車性能表現，符合交通部車輛安全檢測基準42-4之要求，後續將以電動商用車進行實車功能確認，針對各式路面進行參數調校與驗證工作，以確保在實車階段煞車性能表現。