关于乘用车制动踏板开关信号可靠性及应用解决方案

徐秦 窦瑞

摘 要：文章主要针对目前大量普及应用的机械式制动踏板开关的应用局限性，总结分享更加适用目前整车控制可靠性需求的应用解决方案，相关解决方案同样适用于其他类型机动车辆。

关键词：霍尔；双回路；制动灯开关；转角传感器；车载新技术

中图分类号：U463.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0138-03

Abstract： Aiming at the application limitation of mechanical brake pedal switch which is widely used at present， this paper summarizes and shares the application solution which is more suitable for the demand of vehicle control reliability at present. Related solutions also apply to other types of motor vehicles.

Keywords： Hall； double loop； brake light switch； angle sensor； new on-board technology

引言

目前，基本所有M1类车型都在大量的搭载应用各种车载安全技术，而制动踏板开关的信号作为驾驶员安全类操作意图的输入信号源，所承担的作用发生了颠覆性的变化，这使得所有行业产品工程师都在思考如何提升或者达到相应系统对信号源的苛刻要求；本文将结合本人的工程开发经验，基于本人早期发表的相似文章，进一步总结和完善相应的工程开发应用技术解决方案，作为制动产品工程师的工程开发参考。

1 制动灯开关或者制动信号源重要性概述

制动踏板开关的信号作为驾驶员安全类操作意图的输入信号源，其承担的不再仅仅是作为后制动尾灯和高位制动灯的点亮控制输入（目前各工程师对于制动灯点亮的时机以及车辆间一致性也提出了更加苛刻的要求），还作为截至目前多安全或者舒适类辅助驾驶功能的控制输入，其安全等级要求及重要性可以通过图1进行直观的体现：

2 制动灯开关发展的现状

2.1 制动灯开关的发展历程

制动灯开关的结构和形式经历整车技术的快速发展，同步经历了快速的随同变更和变化历程，简要概括为以下历程：

（1）单回路机械滑片式制动灯开关。

（2）单回路机械触点式制动灯开关。

（3）双回路机械滑片式制动灯开关。

（4）双回路机械触点式制动灯开关。

（5）双回路霍尔式制动灯开关。

（6）制动踏板转角传感器。

（7）制动踏板行程传感器。

2.2 传统机械式制动灯开关的优缺点及影响

传统机械式制动灯开关（包含单回路、双回路、滑片式、触点式），在很长一段汽车技术发展历程中得到了广泛的应用，但是这并不能改变和适应汽车技术发展对于其日益严格的要求。

2.2.1 传统机械式制动灯开关的特点

总结传统机械式制动灯开关的特点如下：

（1）机械结构组件结构复杂，总装过程管控困难，产品一致性差。

（2）信号误差大，用于控制输入可靠性差。

（3）运动部件为金属硬接触，磨损快，工作耐久性差。

（4）通电状态，运动金属控件产生电火花，接触点电火花腐蚀严重，易导致接触不良，电阻变大，最终导致输出信号错误、失真、控制器ECU无法正常识别等。

（5）开关在制动踏板总成上的布置设计需要专门予以设计和工艺管控，才能保证信号触发的真实性以及信号出发时机的准确性。

（6）机械式制动灯开关的成本相对较低。

2.2.2 传统式机械式开关可靠性问题的后果评估

制动灯开关信号不可靠的输出，可能会导致下列问题：（1）制动尾灯异常点亮、常亮或者抖亮（异常闪灭）。（2）发动机控制器ECU工作异常，表现如加速异常、加速限制以及定速巡航功能异常退出、无法开启、油耗计算表现异常等。（3）PEPS工作异常，车辆无法正常点火IGon。（4）电子驻车系统间歇性无法正常释放，功能降级等。（5）ABS/ESP检测信号故障，功能降级。（6）车辆能量回收系统工作异常。（7）ACC自适应巡航系统功能降级，无法正常开启等。备注：制动信号异常可能导致的问题包含但不限于以上列举内容。

3 针对传统制动灯开关局限性的技术解决方案

针对传统机械式制动灯开关的局限性，而制动信号又需要满足整车系统日益严苛的质量和安全等级需求，本文特提出下文所述解决方案。

3.1 基于现有机械式开关制定安全冗余判断的技术解决方案

基于现有机械式开关，为弥补开关本身可靠性的问题，本人建议可以采用以下两个方案予以优化和解决；两个方案分别基于ESP配置和ABS配置，基于不同配置硬件特性的不同，分别制定了应对技术方案，但不限于该方案，产品集成工程師甚至可以双方案结合灵活根据实车需求予以应用，方案示意如图2、图3。

方案说明：针对本解决方案，建议产品工程师尽量根据实车的具体情况，图2、图3或者图2、图3相结合，活用制动液压信号、硬线信号的相互交验，提升信号的可靠性，并制定相应的降级工作模式，提升系统工作可靠性，制定出更加完善的解决方案。

3.2 基于制动灯开关本身可靠性出发的技术解决方案

从开关本身可靠性的提升，经过大量的工程开发经验，建议可以通过下述途径不同程度的解决或者优化制动信号可靠性的问题。

3.2.1 霍尔式制动灯开关技术的应用

顾名思义，霍尔式制动灯开关，无论从结构形式、布置、装配、调试、电路设计还是从根本原理上，均已经颠覆了传统机械式制动灯开关：基于霍尔效应，采用一组到两组霍尔芯片，加上外部磁感应元，通过非接触式运动产生电信号，并输入相应的控制器。该类型传感器可以规避很多机械式制动灯开关的缺陷，极大的提升其工作可靠性，但仍不能解决控制精准性和一致性的缺陷。

（1）霍尔式制动灯开关的布置设计

霍尔式制动灯开关，常用的布置方案有两种：

a.布置到铸铝制动主缸及其组件上。

b.布置到制动踏板侧方位转轴处相关组件上。

两种布置方案请分别参见图4、图5。

同传统式机械制动开关，产品工程师需要根据车辆的基础制动系统的选型结果，设定最佳的信号触发位置点，同时确保零位一致性（在装配工艺上增加传感器的标定工序），保证信号触发与实际车辆状态的匹配合理性。根据经验，产品工程师可参考系统产生5-8bar的系统液压时的主缸行程（mm）或者踏板转轴转动角度（°）作为信号触发位置點。

（2）霍尔式制动灯开关的信号输出。霍尔式制动灯开关的信号输出信号为数字信号，由高低电平对于制动踏板的工作状态予以表示，如图6所示：

（3）霍尔式制动灯开关器件端接口电路。当产品工程师确定霍尔式制动灯开关的选型后，根据选型特性，采集信号的器件端接口电路不能沿用采用传统机械式制动灯开关的设计，器件必须根据选型后的制动灯开关的信号输出特性进行相应的硬件接口电路设计以及对于软件信号处理策略。

3.2.2 踏板行程传感器技术的应用

踏板行程传感器技术的应用相对于霍尔式制动灯开关的技术应用，又更进一步，弥补了霍尔制动灯开关的不足点，通过传感器模拟信号的输出，软件接收并按照输出函数解析信号，由于信号的线性无盲点特性，使得各控制单元可以非常精准的根据踏板的输入状态进行一致性较好的功能控制，使得功能更加可靠，性能更加优秀。

（1）踏板行程传感器的布置。踏板行程传感器的布置方式基本和霍尔式制动灯开关的布置方式相同，因此在本章节不再做过多的描述，参见3.2.1中的（2），其中应用较多的为图5所示的转角传感器实现方式。踏板行程传感器也是利用霍尔原理实现信号的采集与输出，触发元件与采集元件非接触运动，目前已经广泛应用于新能源车型。

（2）踏板行程传感器的输出信号格式。踏板行程传感器区别于霍尔式开关，将输出线性模拟信号，通过固定的函数，控制单元可以将电压信号准确的解析为角度信号或者位移信号，通过踏板杠杆比设计参数可以获得连续的制动踏板行程信息，无论从控制的精准性、控制的可靠性、控制的扩展性以及控制方式和策略的灵活性，都将得到较好的解决，使得很多自动化功能得以很好的实现。踏板行程传感器输出信号格式如图7（示例）所示。

通过一定的函数关系（函数式中实际会根据产品特性存在修正算法，产品开发供方会提供详细函数，用作软件解析数据用），如下：

Sp=（US-U0）/（UA-U0）*SA

θp=（US-U0）/（UA-U0）*θA

可以将输出电压解析为行程或者转角信息，最终结合踏板结构参数，得到最终的控制信息。

（3）器件端接口电路。关于器件端的接口电路设计，由于传感器电路设计的不统一性，本文不作具体讨论，产品工程师务必注意确认传感器接口电路与接收器件端接口电路对的匹配性。

4 结束语

本文根据本人的实际车型工程开发经验，总结出针对传统制动踏板开关信号可靠性局限性的三个大方向的工程开发解决方案（由于产品本身存在设计差异性，因此本文并不涉及更多具体关于产品的技术信息），并分别对于三种解决方案进行相应的技术概述，用于整车制动系统产品工程师在进行新开品的开发时，结合项目车型定位、车载技术需求、成本现状、供应体系现状等综合状况，基于本文提供解决方案进行车型定制开发方案的制定以及进一步的完善。

参考文献：

[1]李春成，梁红玉.制动信号灯常见故障排除及其改进[J].汽车实用技术，2004.

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[3]王芳，张绍武，白旭灿.霍尔效应磁敏传感器及其应用[J].河南科技，1998.

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