编辑 | 一骥绝尘

前言

在上期文章《ESC系统在智能驾驶浪潮中的进化（中）》介绍了ESC系统凭借其不依赖驾驶员的主动增压的能力在主流的辅助驾驶功能中的应用，可以看出除了基本的稳定性控制以外，ESC系统被挖掘出越来越多的增值功能，使得ESC系统在辅助驾驶发展的浪潮中依然扮演着重要的角色。

这一点在自动驾驶中依然成立。自动驾驶对制动提出了冗余的新要求，而ESC系统作为中高档车型的标配，对其稍加“升级”就能和其他制动系统组成支持自动驾驶的制动冗余对OEM来说不失为一种低成本的方案。

本文将对以ESC系统作为制动系统之一的冗余制动方案进行介绍。

1. 自动驾驶与冗余制动

读者对SAE J3016对车辆自动化级别的分类已不陌生。Level~Level5代表着车辆智能化程度的逐渐递增。如果将这五个级别进行进一步归类则可以归纳为：

• 辅助驾驶汽车 （包含Level1 / Level2）
• 自动驾驶汽车 （包含Level3 / Level4 / Level5）

J3016对车辆自动划级别的分类

辅助驾驶汽车和自动驾驶汽车最大的区别在于系统故障导致事故的责任方的不同：

• 对于辅助驾驶，当系统出现故障以后，只要正确向驾驶员报告了故障，接下来能否脱险全看驾驶员的水平，出了事故责任方在驾驶员，汽车厂家是没有责任的。 

• 对于自动驾驶，系统在出现故障之后，需要系统来自己操作避免事故（自动驾驶等级越高，驾驶员可以越晚介入接管甚至是完全不用接管），出了事故是汽车厂家的责任而不是驾驶员的责任。

 

基于此，自动驾驶汽车需要通过冗余设计才能在解放驾驶员的同时保证出现单一故障时系统仍能够接管直至进入安全状态，而Leve3~Level5的自动化程度越来越高，对单一故障后系统可控的能力要求也越来越高。

自动化程度与对系统冗余的要求,图片来自网络

如果按照功能使用场景分类，目前上市的或者即将上市的自动驾驶系统主要包括：

• 高速自动驾驶系统

• 自主泊车系统

对于高速自动驾驶系统而言，如果自动驾驶等级高（如Level 5），车辆在高速运行过程中出现单一故障，安全状态通常定义为停到路边的应急车道，为实现这一安全状态，目前业界普遍达成一致的方案需要以下冗余：

• 通讯冗余：当单一链路出现信号中断，系统可实现信息的无缝安全衔接

• 低压电源冗余：主电源失效后，备份电源能够支撑ECU完成安全降级动作

• 感知冗余：多传感器数据融合技术可以保证车辆行驶构成中精准实现物体及行人的识别，从而支持车辆时刻做出正确的控制行为

• 大脑控制器冗余：两个大脑互相监督、互为备份，主大脑故障发生时，备份大脑及时接管

• 制动冗余：主制动系统失效后，备份系统依然提供一定的制动能力来维持制动控制及制动稳定性控制

• 转向冗余；如果故障发生后的安全状态定义为继续运行而不是刹停，那么当一路转向系统故障后，备份系统需要能够支持车辆完成接下来的运行场景中的转弯工况

相比于对于高速自动驾驶系统，支持自主泊车的汽车目前已经量产，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）。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。

某车型自主代客泊车示意图，截图来自网路

由于自主泊车功能的使用场景为低速场景，RPA和AVP最大运行速度不超过15kph，当出现单一故障时所有厂家的安全措施均定义为紧急刹车，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。因此相比高速自动驾驶系统而言，自主泊车系统对冗余的要求要低很多：

• 低压电源冗余；主电源失效后，备份电源能够支持制动系统紧急刹车

• 制动冗余：主制动系统失效后，备份系统依然能够完成紧急刹车

自主泊车系统架构图

由上面的分析可以看出，无论是高速自动驾驶系统还是自主泊车系统，制动冗余均不可或缺。

2. ESC在制动冗余方案中的黄金搭档

随着电动汽车近几年来的发展和普及，智能汽车和电动汽车颇有“深度绑定”的意味。而目前主流的中高端电动汽车上除了标配ESC系统以外，还都配置电助力系统eBooster。

相比于传统的真空助力器而言，eBooster是不依赖真空源的机电伺服机构，适用于所有动力总成，包括混动和电动车，具有多种产品优势。eBooster利用传感器感知驾驶者踩下制动踏板的力度和速度，并将信号处理之后传给电控单元，电控单元控制助力电机对应的扭距，在机电放大机构的驱动下，推动制动泵工作，从而实现电控制动，响应速度更快并且能够精准地控制压力。

另外，eBooster属于非解偶踏板系统，助力原理和真空助力器类似，因此具有最真实和自然的踏板感，驾驶员能直观的感受到制动系统的变化，例如ABS回馈力和刹车片的衰退等，减少安全隐患。相对解耦踏板系统来说，所需要的功耗更低。同时为满足驾驶感受的多样性和舒适性， eBooster还可以通过软件调节踏板感，轻松完成舒适和运动驾驶风格的随意切换。

目前市场份额最大的智能助力器是博世的i-Booster，其他国内外厂家如大陆、采埃孚和拿森也都有自己的产品。

博世第二代iBooster

对于同时搭载ESC和eBooster系统的车辆，ESC和eBooster在车上共用一套液压系统，两者协调工作，原理如下：

• eBooster和ESC共用一套制动油壶、制动主缸和制动管路。
• eBooster内的助力电机产生驱动力推动主缸活塞运动，使油壶中的制动液流入主缸管路并进入ESC进液阀，经ESC中的调压阀和进液阀流入4个轮缸，从而建立起制动力。
• 当eBooster不工作时，ESC也可以独立控制制动液从主缸流入轮缸，从而建立制动力。

• eBooster建压的动态响应速度比ESC主动建压更快，且NVH表现更好，因此eBooster是制动控制系统中的主执行机构。

EBooster和ESC的制动组合

在自动驾驶开发热门起来之前，ESC和eBooster就已经“强强联合”创造出了一些新的功能，HBC（Hydraulic Brake Failure Compensation）功能就是其中之一。

根据法规要求，对于舒适性制动系统，需要满足在驾驶员踩出500N的制动力时系统能够提供不小于6.43m/s²的减速度。在eBooster和ESP的组合中，当eBooster出现故障无法继续提供助力时，eBooster通过通讯交互给ESP发送HBC激活请求，当ESP通过主缸压力信号判断驾驶员在踩制动时会通过主动建压的方式帮助驾驶员助力，从而实现上述要求。

HBC功能系统架构

另外，在制动能量回收功能中，ESP和i-Booster协调工作，可以在电制动和液压制动的切换中实现驾驶员的踏板感一致，从而在满足能量回收的基础上获得更佳的驾驶体验。

HBC功能系统架构

正因为ESC和eBooster已经在能量回收和基础制动上有了成熟的合作，当自动驾驶对制动系统提出冗余要求后，eBooster也顺理成章成为了ESC的“黄金搭档”，两者组合成的制动冗余方案也具备诸多优势，最大的优势在于成本低。不同于其他冗余设计，ESC和eBooster的制动冗余无需额外增加电控产品，只要在现有的ESC和eBooster基础上稍加改动即可，既简洁又省钱。

当前，ESC和eBooster已经成为了目前市场上支持自动驾驶的冗余制动方案的黄金组合，广泛运用于主流智能驾驶车型上，如Tesla全系、蔚来全系、小鹏P7、理想ONE、长安UN-T、长城摩卡以及即将上市的极氪001等。

小鹏P7，图片来自网络

3. ESC与eBooster制动冗余方案

前面提到，对于高速自动驾驶而言，车辆在高速运行过程中如果出现单一故障，安全状态通常定义为停到路边的应急车道。为实现这一安全状态，要求自动驾驶车辆具有以下能力：

• 可转向性冗余
• 驻车冗余
• 减速冗余

• 纵向稳定性冗余

可转向性系统冗余由转向供应商保证，驻车冗余通常由集成于ESC系统中的电子驻车EPB自动驾驶要求制动系统(Automated Parking Brake , APB)和变速箱中的P挡实现，而减速冗余和纵向稳定性冗余则由ESC和eBooster组成的制动冗余系统满足。

自动驾驶的失效制动，图片来自网络

比如长城咖啡智驾选择的博世ESP+iBooster制动冗余组合其系统架构如下图左所示，ESP和iBooster分别连接一套相互独立的供电系统，且冗余上层控制单元分别控制ESP和iBooster，两者相互备份提供减速能力以及纵向稳定性控制能力。

长城咖啡智驾选择博世ESP+iBooster制动冗余组合

ESC和eBooster均能在整个减速范围内独立的对车辆进行制动。考虑到eBooster建压的动态响应速度比ESC主动建压更快，且NVH表现更好，因此eBooster是冗余制动系统中的主执行机构。这对黄金组合的控制和接管策略可以总结如下（不唯一，根据上层控制单元的控制策略可能有调整）：

场景	制动执行控制器
无故障	eBooster
上层主控制单元故障	ESC
上层备份控制单元故障	eBooster
主网络故障	ESC
备份网络故障	eBooster
ESC故障	eBooster
eBooster故障	ESC

总结

作为系列文章的终篇，本文总结了ESC系统在自动驾驶系统的制动冗余方案中的应用，从中可以看到以车辆动态稳定性控制为初衷的ESC系统在智能驾驶浪潮中依然存在感十足。