ブレーキバイワイヤ

自動車産業におけるブレーキ・バイ・ワイヤ技術は、ペダルやレバーなどの運転者の入力装置から物理的なブレーキシステムに力を伝達する機械的な接続なしに、電子的な手段でブレーキを制御する機能である。^[1]

ブレーキバイワイヤシステムには、21世紀に入ってから普及が進んでいる電子パーキングブレーキ、従来の油圧ブレーキと併用でき、2020年現在自動車業界で小規模に使用されている電動油圧ブレーキ（EHB） 、そして油圧液を使用しない電動機械式ブレーキ（EMB）の3つの主なタイプがあり、2020年現在、量産車への導入はまだ成功していない。^[1]

電気油圧式ブレーキシステムは、ブレーキペダルを介して油圧ポンプにかかる圧力を制御または増幅します。安全のため、停電や電子ソフトウェアまたはハードウェアの障害が発生した場合でも、システムが故障時でも作動し続けることが求められます。従来、これはブレーキペダルとブレーキマスターシリンダー間の機械的連結によって実現されていました。機械的連結により、電気制御の有無にかかわらず、ブレーキシステムはペダルを介して油圧で作動します。^[2] EHBは、従来の油圧システムや機械的接続を使用せずに、ワイヤで実装できます。このような場合、故障時でも作動する冗長性が実装され、ブレーキシステムの一部が故障しても車両はブレーキをかけることができます。^[1]

電気機械式ブレーキは、ブレーキシステムの容積と重量が小さく、メンテナンスが少なく、アクティブセーフティ制御システムとの互換性が容易で、有毒なブレーキ液が不要という利点がある。ウェッジブレーキなどの新しい作動方法のため、2020年現在、量産車への導入には至っていない。^[1]

バイワイヤシステムにはブレーキを手動で制御するための機械的な連結部がないため、ISO 26262規格レベルDで規定されている故障時の冗長性が必要です。^[3]冗長電源、センサー、通信ネットワークが必要です。^[1]

ステアバイワイヤやスロットルバイワイヤなど、一部のバイワイヤ技術はすでに商用車に搭載されています。ブレーキバイワイヤ技術は、バッテリー電気自動車やハイブリッド車の導入により広く商品化されています。トヨタが量産型プリウスに採用した最も広く使用されている技術は、GM EV1、RAV4 EV、および回生ブレーキにこの技術が必要なその他のEVに先行していました。フォード、ゼネラルモーターズ、および他のほとんどのメーカーは、ホンダが著しく異なる設計を設計した場合を除き、同じ一般的な設計を使用しています。

ブレーキバイワイヤは、1998 年以降に製造されたほとんどの一般的なハイブリッド車と電気自動車に使用されています。これには、トヨタ、フォード、ゼネラルモーターズの電気自動車とハイブリッド車すべてが含まれます。トヨタのシナジードライブと RAV4 EV は、改良された ABS (アンチロックブレーキシステム) アクチュエーターを特殊な油圧ブレーキマスターシリンダーと結合して油圧システムを作成し、ブレーキ制御ユニット (コンピューター) と結合したシステムを使用しています。フォードのシステムはトヨタのシステムとほぼ同じで、ゼネラルモーターズのシステムはコンポーネントの命名法が異なりますが、操作は実質的に同じです。

ブレーキ ペダルを踏むことで発生する油圧は、12 ボルトの電力損失などの重大な障害が発生しない限り、コンピューターへのセンサー入力としてのみ使用されます。ブレーキ アクチュエーターには、システムに油圧を供給する電動ポンプと、システムで必要なときに摩擦ブレーキをかけるために各ホイール キャリパーに圧力をかけるバルブがあります。

このシステムには、車両安定制御システム (VSC)、アンチロック ブレーキ システム (ABS) の複雑さがすべて含まれており、トラクション バッテリー (高電圧バッテリー) の充電状態が高すぎて追加エネルギーを受け入れられない場合、またはパニック停止や ABS 状況がシステムによって検出された場合を除き、車両を減速させる主なモードとして回生ブレーキを使用する要件も含まれています。

ブレーキ システムの入力として監視されるセンサーには、車輪速度センサー、トラクション バッテリーの充電状態、ヨー センサー、ブレーキ ペダル ストローク センサー、ステアリング ホイールの角度、油圧アクチュエータ圧力、各ホイール キャリパー回路の油圧、アクセル位置などがあります。その他の情報と入力も監視されます。

標準的または典型的な操作は次のとおりです。

1. 運転者がブレーキペダルを踏む
2. マスターシリンダーはブレーキペダルの動きを油圧に変換します
3. ストロークセンサーはペダルの動きを測定し、「パニック停止」状態を識別します。
4. 圧力トランスデューサーは必要なブレーキ力を提供します。
5. ブレーキ制御ユニット (コンピュータ) は入力を検出し、ホイール速度センサーをチェックして車速を判定し、ホイールのロックアップに ABS アルゴリズムが必要かどうかを判断します。
6. 次に、ブレーキ制御システムは、ヨーセンサー、ステアリングホイールの角度、トラクションバッテリーの充電状態をチェックします。
7. 車両の速度が約 7 MPH を超えると、車両のトラクション モーター ジェネレーターがジェネレーターとして使用され、運動エネルギーが電力に変換され、そのエネルギーがバッテリーに蓄えられます。これにより、車両が減速します。
8. オペレーター（運転者）がブレーキペダルを強く踏むと、システムは油圧摩擦ブレーキをかけてブレーキ力を高めます。
9. 車速が約 7 MPH 以下に低下すると、回生ブレーキが効果的に機能しなくなるため、油圧ブレーキ システムが完全に作動するようになります。
10. ヨーセンサーが車両のヨーを検出すると、システムは車両安定性アルゴリズムとプロセス (VSC) を開始します。
11. ホイールスピードセンサーがホイールのロックアップを検出すると、システムはアンチロックアルゴリズム (ABS) を開始します。

ブレーキバイワイヤは、電子ブレーキシステム( EBS ) という名前で大型商用車に搭載されています。このシステムは、リターダやエンジンブレーキを含むすべてのブレーキシステムコンポーネントを電子的に作動させます。EBS はトレーラーもサポートしており、ISO 11992プロトコルを使用して牽引車とトレーラー間の通信を行います。トレーラーと牽引車間の通信は、24 V システムの場合はISO 7638-1、12 V システムの場合はISO 7638-2に従って、ABS/EBS 専用のコネクタを介して行われます。

EBS は依然としてブレーキに圧縮空気を利用しており、バルブを通じて空気を制御するだけなので、ブレーキ圧力をかけるために電力も使用される電気機械式または電気油圧式ブレーキ システムで使用される高電圧に依存しません。

EBS は従来のブレーキよりもブレーキの精度を高め、制動距離を短縮します。EBS システムが故障した場合、通常の空気ブレーキ制御圧力を使用するため、電子機器が故障した場合でも、車両は安全に停止できます。

ドライブバイワイヤ車の電気機械ブレーキ（EMB）システムの一般的なアーキテクチャを図1に示します。このシステムは主に5種類の要素で構成されています。

1. 電子制御ユニット（ECU）やその他のローカルプロセッサを含むプロセッサ
2. メモリ（主にECUに統合）
3. センサー
4. アクチュエータ
5. 通信ネットワーク。

ドライバーがヒューマンマシンインターフェース（HMI）（ブレーキペダルなど）を介してシステムにブレーキコマンドを入力すると、アンチロックブレーキシステム（ABS）や車両安定性制御（VSC）などの高レベルブレーキ機能に基づいて、ECUによって4つの独立したブレーキコマンドが生成されます。これらのコマンド信号は、通信ネットワークを介して4つの電動キャリパー（e-キャリパー）に送信されます。このネットワークは、ネットワーク障害のためにe-キャリパーと適切に通信できない可能性があるため、HMIセンサーデータも別のデータバスを介して各e-キャリパーに直接送信されます。

各電子キャリパーでは、コントローラがブレーキ コマンド (ECU から受信) を基準入力として使用します。コントローラは、電源制御モジュールに駆動制御コマンドを提供します。このモジュールは、 42 V 電源で通電される永久磁石DC モーターであるブレーキ アクチュエータの 3 相駆動電流を制御します。キャリパー コントローラは、基準ブレーキ コマンドを追跡するだけでなく、ブレーキ アクチュエータの位置と速度も制御します。したがって、各電子キャリパーのアクチュエータの位置と速度を測定するには、2 つのセンサーが不可欠です。アプリケーションの安全性が極めて重要であるため、これらのセンサー データのサンプルが限られた数でも欠落しても、補正する必要があります。

ブレーキ バイ ワイヤ システムは、本質的に安全性が極めて重要なシステムであるため、フォールト トレランスは、このシステムの極めて重要な特性です。その結果、ブレーキ バイ ワイヤ システムは、その重要な情報の多くがさまざまなソース (センサー) から取得され、必要最低限​​のハードウェア以上のものによって処理されるように設計されています。ブレーキ バイ ワイヤ システムには、通常、3 つの主要な冗長性タイプが存在します。

1. ブレーキペダルなどの安全上重要なコンポーネントに冗長センサーを搭載。
2. ブレーキペダルの変位や力の測定など、特に安全上重要な一部の信号の冗長コピーが、ペダル インターフェイス ユニット内の複数のプロセッサによってコピーされます。
3. 図 1 の ECU の複数のプロセッサなどの重要な処理タスクを実行する冗長ハードウェア。

既存の冗長性を利用するには、ブレーキバイワイヤシステムの厳しい要件を満たすように投票アルゴリズムを評価、修正、採用する必要があります。信頼性、フォールトトレランス、精度は、ブレーキバイワイヤシステム内の冗長性解決のために特に開発されるべき投票技術の主な目標成果です。

この問題の解決策の例:ブレーキ ペダルの設計で考案された 3 つのセンサーによって提供される情報を統合するために開発された ファジーボーター。

ブレーキバイワイヤ車では、一部のセンサーは安全上重要なコンポーネントであり、それらの故障は車両の機能を妨げ、人命を危険にさらします。2つの例として、ブレーキペダルセンサーとホイールスピードセンサーがあります。電子制御ユニットは、ドライバーのブレーキをかける意図や車両を停止する意図を常に通知する必要があります。したがって、ペダルセンサーのデータが失われると、車両制御システムの機能にとって深刻な問題になります。

乗用車や小型トラック車両で現在使用されているブレーキバイワイヤ システムでは、ABS や VSC システムなどのブレーキ システム コンポーネントやシステムで信頼性が実証されている既存のセンサーを使用するように設計されています。

ブレーキ システムの故障の最も高い潜在的リスクは、ブレーキ制御システムのソフトウェアであることが証明されています。NTSB の文書には、繰り返し発生する故障が 200 件以上記録されています。各メーカーはシステム設計とソフトウェアの機密性を守るため、システムの独立した検証は行われていません。

2016年現在、NTSBは乗用車および小型トラックのブレーキ・バイ・ワイヤ車両事故を直接調査しておらず、製造業者は自社の車両は完全に安全であり、報告された事故はすべて「運転者の過失」によるものだという立場を取っている。

ブレーキバイワイヤシステムでは、スリップを防ぐために車輪速度データも重要です。ブレーキバイワイヤ車の設計では、安全上重要なセンサーによって提供されるデータサンプルの一部が欠落しないようにするための安全策を講じる必要があります。一般的な解決策は、冗長センサーを用意し、フェイルセーフメカニズムを適用することです。センサーが完全に失われるだけでなく、電子制御ユニットも断続的な（一時的な）データ損失を被る場合があります。たとえば、センサーデータが電子制御ユニットに到達しないことがあります。これは、センサー自体またはデータ伝送パスの一時的な問題が原因で発生することがあります。また、瞬間的な短絡や切断、通信ネットワークの障害、突然のノイズ増加によっても発生する可能性があります。このような場合、安全な動作のために、システムは欠落したデータサンプルを補正する必要があります。

この問題の解決例: 予測フィルターによる欠損データの補正。

キャリパー コントローラは、ブレーキ アクチュエータの位置と速度を制御します (主なタスクである基準ブレーキ コマンドの追跡の他に)。したがって、各 e-キャリパーには位置センサーと速度センサーが不可欠であり、アクチュエータの位置と速度を感知する測定メカニズムの効率的な設計が必要です。最近のブレーキ バイ ワイヤ システムの設計では、アクチュエータのローターの絶対位置と速度の両方を正確かつ継続的に測定するためにリゾルバを使用しています。インクリメンタル エンコーダは相対位置センサーであり、その付加誤差はさまざまな方法で校正または補正する必要があります。エンコーダとは異なり、リゾルバは 2 つの出力信号を提供し、常に絶対角度位置を検出できます。さらに、コモン モード ノイズを抑制し、ノイズの多い環境で特に役立ちます。これらの理由から、ブレーキ バイ ワイヤ システムでは、位置と速度の測定にリゾルバが通常使用されます。ただし、リゾルバによって提供される正弦波信号から正確な位置と速度の推定値を抽出するには、非線形で堅牢なオブザーバが必要です。

この問題の解決策の例: EMB システムで使用されるリゾルバの堅牢な安定性と自動キャリブレーションが保証されたハイブリッド リゾルバからデジタルへの変換方式。

クランプ力センサーは、EMB キャリパーの比較的高価なコンポーネントです。コストは、サプライヤーからの単価が高いことと、それを含めることで発生する製造費用の高さに起因します。後者は、小さな許容誤差を扱う複雑な組み立て手順と、クランプ力センサー間のパフォーマンスのばらつきをオンラインで較正することに起因します。EMB システムでクランプ力センサーを適切に使用するには、難しいエンジニアリング作業が必要です。クランプ力センサーをブレーキ パッドの近くに配置した場合、800 ℃ に達する厳しい温度条件にさらされ、機械的な完全性が損なわれます。また、温度ドリフトを補正する必要があります。この状況は、クランプ力センサーをキャリパーの奥深くに埋め込むことで回避できます。ただし、このセンサーを埋め込むと、クランプ力センサーとインナー パッドとローターの接触点との間の摩擦によってヒステリシスが発生します。このヒステリシスにより、真のクランプ力を測定できなくなります。クランプ力センサーを組み込むことに伴うコストの問題とエンジニアリング上の課題のため、このコンポーネントを EMB システムから削除することが望ましい場合があります。これを実現する潜在的な機会は、クランプ力センサーを省略できる代替 EMB システム センサー測定に基づいてクランプ力を正確に推定することです。

この問題の解決策の例:センサー データ融合を使用したアクチュエータの位置と電流測定からのクランプ力の推定。

ブレーキ バイ ワイヤは、現在では車両のパーキング ブレーキへの応用において成熟した概念となっています。電子パーキング ブレーキ (EPB) は、2000 年代初頭にBMWとAudiがトップ ライン モデル (それぞれ7 シリーズとA8 ) に導入し、車の後輪に作用するのが一般的だった従来のケーブル操作システム (シート間のレバーまたはフット ペダルで操作) を廃止しました。ただし、EPB はリア ディスク ブレーキ キャリパーに組み込まれた電動機構を使用し、センター コンソールまたはダッシュボードのスイッチで信号を送ります。電動パーキング ブレーキは通常、CAN バスネットワークを介して車両の他のシステムと統合されており、次のような追加機能を提供できます。

• 発進時にパーキングブレーキを自動的に解除
• 車両が傾斜地で停止すると、パーキングブレーキが自動的に作動します。これは「ホールドアシスト」と呼ばれます。

EPB システムは、従来のハンドブレーキ レバーがなくなり、すっきりとした中央コンソールを実現できるため (多くのメーカーが、空いたスペースにインフォテインメントシステムのコントロールを配置しています)、パッケージングと製造の進歩をもたらします。また、車両の下に ボウデン ケーブルを配線する必要がなくなるため、製造の複雑さが軽減されます。

EPB は徐々に安価な車両にも普及してきました。たとえば、フォルクスワーゲン グループでは、EPB は 2006 年型パサート (B6)に標準装備となり、オペルは2008 年型インシグニアに導入しました。

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