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智能驾驶自动驾驶未来出行

基于集成式电子驻车系统EPB的自主泊车冗余制动方案

作者:综合报道 来源:焉知自动驾驶公众号 时间:2021-06-28
停车问题一直一来都困扰着很多驾驶员,为解决这个痛点,国内外汽车生产厂商不断研究并普及自主泊车技术,如今搭载自主泊车辅助系统(APA, Auto Parking Assist)的车型价格已经下探到了15万以下。 另一方面,自主泊车技术也在不断推陈出新。APA工作时驾驶员解放了双手和双脚,但是仍需要驾驶员坐在车内启动激活按钮并全程监控,一旦出现紧急情况(如小孩突然窜出)驾驶员需要及时接管并通过制动或转向来避免碰撞事故。这种泊车系统仍然给了驾驶员“任务”,并不能完全满足大众的终极期待。
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1. 自主泊车的发展现状


停车问题一直一来都困扰着很多驾驶员,为解决这个痛点,国内外汽车生产厂商不断研究并普及自主泊车技术,如今搭载自主泊车辅助系统(APA, Auto Parking Assist)的车型价格已经下探到了15万以下。

另一方面,自主泊车技术也在不断推陈出新。APA工作时驾驶员解放了双手和双脚,但是仍需要驾驶员坐在车内启动激活按钮并全程监控,一旦出现紧急情况(如小孩突然窜出)驾驶员需要及时接管并通过制动或转向来避免碰撞事故。这种泊车系统仍然给了驾驶员“任务”,并不能完全满足大众的终极期待。

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某车型激活自主泊车辅助系统的开关,截图来自网路

于是乎,遥控泊车(RPA, Remote Parking Control)和自主代客泊车 (AVP, Automated Valet Parking)相继落地。RPA允许驾驶员下车并通过遥控(车钥匙或手机APP)激活,整个泊车过程完全由系统自主完成,不过一般仍然要求驾驶员在车辆距离车辆一定范围内(欧盟法规ECE-R 79要求半径不超过6m)。

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某车型遥控泊车示意图,截图来自网路

AVP则被认为是解决用户“最后一公里自由”痛点的最优技术方案,简单来讲AVP提供以下两大功能,完全满足了大众对自主泊车的终极想象:

  • 一键泊车:用户在指定下客点下车,通过下达泊车指令,车辆在接收到指令后可自动行驶到停车场的停车位,不需要用户操纵与监控。

  • 一键召唤基本要求如下:用户通过下达取车指令,车辆在接收到指令后可以从停车位自动行驶到指定上客点接驾。


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某车型自主代客泊车示意图,截图来自网路


2. RPA和AVP对制动系统的要求


从当前对系统的定位来看,无论是遥控泊车系统RPA还是自主代客泊车系统AVP,相比自主泊车辅助系统APA来说,除了解放驾驶员的双手和双脚外,还解放了驾驶员大脑——对泊车过程种的紧急情况监控以及应急处理将由系统来完成。对驾驶员的解放就意味着对自主泊车系统的要求的增加。正因如此,RPA和AVP的系统架构远比APA复杂。

从实现方式上来看,各个厂家的RPA和AVP方案千差万别,呈现出多样化的态势,但是如果单看对泊车过程的应急处理的方式,大家又都殊途同归,无一例外地执行紧急刹车。这一处理方式对泊车场景来说合理且易于实现,因为RPA和AVP最大运行速度不超过15kph,快速刹停车辆能够避免碰撞事故或者将碰撞速度降到很低从而降低碰撞伤害。

这样一来,RPA和AVP必须保证车辆制动控制的安全性。那么问题来了:制动系统应该怎么设计才能保证自主泊车的安全?

因为在RPA和AVP的泊车过程中不考虑驾驶员的监控和接管,也就是说RPA和AVP属于“自动驾驶”而非“辅助驾驶”,自动驾驶功能的基本设计思路就是“冗余设计”——当主控制系统出现故障时,备份控制系统能够接管。因此,RPA和AVP中的制动系统也需要进行制动冗余,以保证其定义的紧急刹车的应急措施能够在系统出现单点故障时依旧能够实现。

在RPA和AVP中,对制动系统的冗余要求如下:

要素
是否需要冗余?
原因
制动控制系统
强制
当一路制动系统失效时需要另一路接管
供电系统冗余
强制
两个制动系统共用一套供电存在共因失效
通讯冗余
不必要
主制动系统或备份制动系统任何收不到通讯信息都可以执行紧急刹停,两路制动力叠加没有风险
上层决策系统冗余
不必要
上层系统故障,主制动系统可以直接紧急刹停

 
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RPA/AVP对制动系统的冗余要求

目前市场上主流的制动系统冗余组合为博世提供的ESC+i-Booster组合,特斯拉全系、小鹏P7、蔚来ES6、理想ONE的自主泊车系统中的制动冗余都是这套组合。博世车身稳定性控制系统ESC(又叫ESP)和电子助力制动系统i-Booster在主流电动车中装载率高,在其基础上拓展出满足制动冗余要求的组合是个兼顾性能和成本的选择。不过这并不是冗余制动系统的唯一解,比如i-Booster主要搭载在混动或纯电车上,在只有ESC系统的车型上需要其他制动冗余方案来支持RPA或AVP。对于这一点,德国汽车工业协会发布的VDA 305标准中就给出了一种答案,即在集成式电子驻车系统EPB的基础上进行改造,组成ESC液压制动和EPB卡钳制动的组合以实现自主泊车要求的冗余制动。接下来将对这套冗余制动系统进行介绍。

3. 集成式电子驻车系统EPB的自主泊车制动冗余方案


3.1. VDA305诞生的背景


目前电子驻车系统EPB几乎已是10万以上车型的标配,正在逐步替代手刹。EPB由两部分组成:

  • 产生驻车力的驻车执行机构(卡钳和控制卡钳的电机)
  • 控制驻车执行机构的电子控制单元(ECU),包含软件和硬件。

 
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电子手刹正在逐步替代机械手刹

实际上,市场上99%的EPB系统都是集成式的,即共用ESC(Electric Stability Control, 电子稳定性系统)的ECU,将EPB系统的软件集成到ESC软件中,在ESC的硬件基础上做一些改动以支持EPB的硬件需求。

为什么如此设计呢?EPB系统除了提供驻车功能外,还能在行车过程中控制制动液压的实现备份制动,而液压执行机构是集成于ESC系统中的;而ESC系统所包含的轮速传感器可以为EPB系统提供车速这一关键参数以确定当前车速是否能够驻车。因此,EPB和ESC功能关联十分紧密,如果各自对应一个独立的ECU,两者之间注定有很多交互接口;把两者集成于一个ECU中也是自然而然能想到的一个既节省成本又降低整车E/E系统复杂度的方案。

另一方面,市面上精于ESC系统的供应商和精于EPB系统的供应商往往不是一家。对于OEM而言,当选择不同的EPB系统和ESC系统供应商时,如果各个供应商闭门造车,那么将EPB软件集成到ESC软件时将会面临很多问题,首当其冲的问题是EPB和ESC软件接口的定义如何统一。这就是VDA 305标准诞生的背景。VDA 305旨在标准化EPB系统的架构以及EPB软件和ESC软件的交互接口,清晰地定义EPB系统和ESC系统的供应商的职责范围,使OEM在选择供应商时有很大的自由度,也使得不同的供应商的合作更加高效。

3.2. 基于VDA 305的EPB系统描述


VDA 305将EPB系统分成两个部分,可分别由两个供应商提供:

  • Brake Assy: 包含制动卡钳、卡钳电机、电机控制软件(PBC, parking brake controller)

  • ESC Assy: 又称Brake Host,提供EPB ECU和供电电源、CAN 通讯接口、硬线接口等外围设备


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绿色:Brake Assy; 蓝色:ESC Assy

这一划分的目的在于:

  • 术业有专攻,发挥供应商各自的优势,强强联合组成更可靠的产品
  • 明确定义供应商的职责范围
  • 保证供应商的测试工作和产品释放将不受另一方开发状态的影响


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OEM可以选择不同的供应商产品组成EPB系统
 
另一个方面,如果将EPB系统和ESC系统分别作为一个系统来看,则EPB系统包括的组件为:

  • 左右两个制动卡钳
  • 控制卡钳电机的PBC软件
  • 实现电机控制的硬件电驱桥
  • Host软件中的诊断模块、CAN信号或这硬线信号处理模块、轮速传感器信号处理模块
  • 共用的硬件模块,如microprocessor, electronic memory components等


ESC系统所包含的组件为:

  • 实现建立轮缸液压力的硬件
  • ESC基础软件功能,如ABS(anti-lock braking system), AYC(Active Yaw Rate Control)等
  • 共用的硬件模块,如microprocessor, electronic memory components等


3.3. 集成式EPB的制动冗余系统架构和降级策略


由上面的介绍可以理解,集成式EPB系统能够提供以下两种制动力:

  • ESC液压制动力
  • EPB卡钳制动力


但是我们也可以看到,EPB控制和ESC控制是共用以下要素的:

  • 微控制器microprocessor (即μC)
  • 供电源


这两个要素任何一个故障都会直接导致ESC和EPB同时无法提供制动力,这就意味着ESC液压制动和EPB卡钳制动之间存在着共因失效,不符合RPA和AVP所要求的制动冗余。

这样一来,为实现制动冗余,除了软件变更外,硬件也要做特殊的改动。硬件的变更主要为实现以下两点:

  • 可接收两路供电源
  • 当μC故障时需要能够激活集成电路APB ASIC以驱动卡钳


集成式EPB系统的制动冗余架构图如下图所示。

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集成式EPB的制动冗余架构图

在这套制动冗余系统中,ESC液压制动是主制动系统,EPB卡钳制动是备份制动系统,系统的降级策略总结如下:

Use case
Vehicle deceleration
Full function
ESC
Communication failure with RPA/AVP controller
ESC
EPB failure
ESC
μC failure 
EPB
ESC failure
EPB

 
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