關(guān)于乘用車制動(dòng)踏板開關(guān)信號(hào)可靠性及應(yīng)用解決方案

徐秦 竇瑞

摘 要：文章主要針對(duì)目前大量普及應(yīng)用的機(jī)械式制動(dòng)踏板開關(guān)的應(yīng)用局限性，總結(jié)分享更加適用目前整車控制可靠性需求的應(yīng)用解決方案，相關(guān)解決方案同樣適用于其他類型機(jī)動(dòng)車輛。

關(guān)鍵詞：霍爾；雙回路；制動(dòng)燈開關(guān)；轉(zhuǎn)角傳感器；車載新技術(shù)

中圖分類號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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類車型都在大量的搭載應(yīng)用各種車載安全技術(shù)，而制動(dòng)踏板開關(guān)的信號(hào)作為駕駛員安全類操作意圖的輸入信號(hào)源，所承擔(dān)的作用發(fā)生了顛覆性的變化，這使得所有行業(yè)產(chǎn)品工程師都在思考如何提升或者達(dá)到相應(yīng)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)源的苛刻要求；本文將結(jié)合本人的工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，基于本人早期發(fā)表的相似文章，進(jìn)一步總結(jié)和完善相應(yīng)的工程開發(fā)應(yīng)用技術(shù)解決方案，作為制動(dòng)產(chǎn)品工程師的工程開發(fā)參考。

1 制動(dòng)燈開關(guān)或者制動(dòng)信號(hào)源重要性概述

制動(dòng)踏板開關(guān)的信號(hào)作為駕駛員安全類操作意圖的輸入信號(hào)源，其承擔(dān)的不再僅僅是作為后制動(dòng)尾燈和高位制動(dòng)燈的點(diǎn)亮控制輸入（目前各工程師對(duì)于制動(dòng)燈點(diǎn)亮的時(shí)機(jī)以及車輛間一致性也提出了更加苛刻的要求），還作為截至目前多安全或者舒適類輔助駕駛功能的控制輸入，其安全等級(jí)要求及重要性可以通過圖1進(jìn)行直觀的體現(xiàn)：

2 制動(dòng)燈開關(guān)發(fā)展的現(xiàn)狀

2.1 制動(dòng)燈開關(guān)的發(fā)展歷程

制動(dòng)燈開關(guān)的結(jié)構(gòu)和形式經(jīng)歷整車技術(shù)的快速發(fā)展，同步經(jīng)歷了快速的隨同變更和變化歷程，簡(jiǎn)要概括為以下歷程：

（1）單回路機(jī)械滑片式制動(dòng)燈開關(guān)。

（2）單回路機(jī)械觸點(diǎn)式制動(dòng)燈開關(guān)。

（3）雙回路機(jī)械滑片式制動(dòng)燈開關(guān)。

（4）雙回路機(jī)械觸點(diǎn)式制動(dòng)燈開關(guān)。

（5）雙回路霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)。

（6）制動(dòng)踏板轉(zhuǎn)角傳感器。

（7）制動(dòng)踏板行程傳感器。

2.2 傳統(tǒng)機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)及影響

傳統(tǒng)機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)（包含單回路、雙回路、滑片式、觸點(diǎn)式），在很長(zhǎng)一段汽車技術(shù)發(fā)展歷程中得到了廣泛的應(yīng)用，但是這并不能改變和適應(yīng)汽車技術(shù)發(fā)展對(duì)于其日益嚴(yán)格的要求。

2.2.1 傳統(tǒng)機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)的特點(diǎn)

總結(jié)傳統(tǒng)機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)的特點(diǎn)如下：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總裝過程管控困難，產(chǎn)品一致性差。

（2）信號(hào)誤差大，用于控制輸入可靠性差。

（3）運(yùn)動(dòng)部件為金屬硬接觸，磨損快，工作耐久性差。

（4）通電狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)金屬控件產(chǎn)生電火花，接觸點(diǎn)電火花腐蝕嚴(yán)重，易導(dǎo)致接觸不良，電阻變大，最終導(dǎo)致輸出信號(hào)錯(cuò)誤、失真、控制器ECU無法正常識(shí)別等。

（5）開關(guān)在制動(dòng)踏板總成上的布置設(shè)計(jì)需要專門予以設(shè)計(jì)和工藝管控，才能保證信號(hào)觸發(fā)的真實(shí)性以及信號(hào)出發(fā)時(shí)機(jī)的準(zhǔn)確性。

（6）機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)的成本相對(duì)較低。

2.2.2 傳統(tǒng)式機(jī)械式開關(guān)可靠性問題的后果評(píng)估

制動(dòng)燈開關(guān)信號(hào)不可靠的輸出，可能會(huì)導(dǎo)致下列問題：（1）制動(dòng)尾燈異常點(diǎn)亮、常亮或者抖亮（異常閃滅）。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU工作異常，表現(xiàn)如加速異常、加速限制以及定速巡航功能異常退出、無法開啟、油耗計(jì)算表現(xiàn)異常等。（3）PEPS工作異常，車輛無法正常點(diǎn)火IGon。（4）電子駐車系統(tǒng)間歇性無法正常釋放，功能降級(jí)等。（5）ABS/ESP檢測(cè)信號(hào)故障，功能降級(jí)。（6）車輛能量回收系統(tǒng)工作異常。（7）ACC自適應(yīng)巡航系統(tǒng)功能降級(jí)，無法正常開啟等。備注：制動(dòng)信號(hào)異常可能導(dǎo)致的問題包含但不限于以上列舉內(nèi)容。

3 針對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)燈開關(guān)局限性的技術(shù)解決方案

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)的局限性，而制動(dòng)信號(hào)又需要滿足整車系統(tǒng)日益嚴(yán)苛的質(zhì)量和安全等級(jí)需求，本文特提出下文所述解決方案。

3.1 基于現(xiàn)有機(jī)械式開關(guān)制定安全冗余判斷的技術(shù)解決方案

基于現(xiàn)有機(jī)械式開關(guān)，為彌補(bǔ)開關(guān)本身可靠性的問題，本人建議可以采用以下兩個(gè)方案予以優(yōu)化和解決；兩個(gè)方案分別基于ESP配置和ABS配置，基于不同配置硬件特性的不同，分別制定了應(yīng)對(duì)技術(shù)方案，但不限于該方案，產(chǎn)品集成工程師甚至可以雙方案結(jié)合靈活根據(jù)實(shí)車需求予以應(yīng)用，方案示意如圖2、圖3。

方案說明：針對(duì)本解決方案，建議產(chǎn)品工程師盡量根據(jù)實(shí)車的具體情況，圖2、圖3或者圖2、圖3相結(jié)合，活用制動(dòng)液壓信號(hào)、硬線信號(hào)的相互交驗(yàn)，提升信號(hào)的可靠性，并制定相應(yīng)的降級(jí)工作模式，提升系統(tǒng)工作可靠性，制定出更加完善的解決方案。

3.2 基于制動(dòng)燈開關(guān)本身可靠性出發(fā)的技術(shù)解決方案

從開關(guān)本身可靠性的提升，經(jīng)過大量的工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，建議可以通過下述途徑不同程度的解決或者優(yōu)化制動(dòng)信號(hào)可靠性的問題。

3.2.1 霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

顧名思義，霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)，無論從結(jié)構(gòu)形式、布置、裝配、調(diào)試、電路設(shè)計(jì)還是從根本原理上，均已經(jīng)顛覆了傳統(tǒng)機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)：基于霍爾效應(yīng)，采用一組到兩組霍爾芯片，加上外部磁感應(yīng)元，通過非接觸式運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電信號(hào)，并輸入相應(yīng)的控制器。該類型傳感器可以規(guī)避很多機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)的缺陷，極大的提升其工作可靠性，但仍不能解決控制精準(zhǔn)性和一致性的缺陷。

（1）霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)的布置設(shè)計(jì)

霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)，常用的布置方案有兩種：

a.布置到鑄鋁制動(dòng)主缸及其組件上。

b.布置到制動(dòng)踏板側(cè)方位轉(zhuǎn)軸處相關(guān)組件上。

兩種布置方案請(qǐng)分別參見圖4、圖5。

同傳統(tǒng)式機(jī)械制動(dòng)開關(guān)，產(chǎn)品工程師需要根據(jù)車輛的基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的選型結(jié)果，設(shè)定最佳的信號(hào)觸發(fā)位置點(diǎn)，同時(shí)確保零位一致性（在裝配工藝上增加傳感器的標(biāo)定工序），保證信號(hào)觸發(fā)與實(shí)際車輛狀態(tài)的匹配合理性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品工程師可參考系統(tǒng)產(chǎn)生5-8bar的系統(tǒng)液壓時(shí)的主缸行程（mm）或者踏板轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度（°）作為信號(hào)觸發(fā)位置點(diǎn)。

（2）霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)的信號(hào)輸出。霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)的信號(hào)輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，由高低電平對(duì)于制動(dòng)踏板的工作狀態(tài)予以表示，如圖6所示：

（3）霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)器件端接口電路。當(dāng)產(chǎn)品工程師確定霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)的選型后，根據(jù)選型特性，采集信號(hào)的器件端接口電路不能沿用采用傳統(tǒng)機(jī)械式制動(dòng)燈開關(guān)的設(shè)計(jì)，器件必須根據(jù)選型后的制動(dòng)燈開關(guān)的信號(hào)輸出特性進(jìn)行相應(yīng)的硬件接口電路設(shè)計(jì)以及對(duì)于軟件信號(hào)處理策略。

3.2.2 踏板行程傳感器技術(shù)的應(yīng)用

踏板行程傳感器技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)于霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)的技術(shù)應(yīng)用，又更進(jìn)一步，彌補(bǔ)了霍爾制動(dòng)燈開關(guān)的不足點(diǎn)，通過傳感器模擬信號(hào)的輸出，軟件接收并按照輸出函數(shù)解析信號(hào)，由于信號(hào)的線性無盲點(diǎn)特性，使得各控制單元可以非常精準(zhǔn)的根據(jù)踏板的輸入狀態(tài)進(jìn)行一致性較好的功能控制，使得功能更加可靠，性能更加優(yōu)秀。

（1）踏板行程傳感器的布置。踏板行程傳感器的布置方式基本和霍爾式制動(dòng)燈開關(guān)的布置方式相同，因此在本章節(jié)不再做過多的描述，參見3.2.1中的（2），其中應(yīng)用較多的為圖5所示的轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)現(xiàn)方式。踏板行程傳感器也是利用霍爾原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與輸出，觸發(fā)元件與采集元件非接觸運(yùn)動(dòng)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新能源車型。

（2）踏板行程傳感器的輸出信號(hào)格式。踏板行程傳感器區(qū)別于霍爾式開關(guān)，將輸出線性模擬信號(hào)，通過固定的函數(shù)，控制單元可以將電壓信號(hào)準(zhǔn)確的解析為角度信號(hào)或者位移信號(hào)，通過踏板杠桿比設(shè)計(jì)參數(shù)可以獲得連續(xù)的制動(dòng)踏板行程信息，無論從控制的精準(zhǔn)性、控制的可靠性、控制的擴(kuò)展性以及控制方式和策略的靈活性，都將得到較好的解決，使得很多自動(dòng)化功能得以很好的實(shí)現(xiàn)。踏板行程傳感器輸出信號(hào)格式如圖7（示例）所示。

通過一定的函數(shù)關(guān)系（函數(shù)式中實(shí)際會(huì)根據(jù)產(chǎn)品特性存在修正算法，產(chǎn)品開發(fā)供方會(huì)提供詳細(xì)函數(shù)，用作軟件解析數(shù)據(jù)用），如下：

Sp=（US-U0）/（UA-U0）*SA

θp=（US-U0）/（UA-U0）*θA

可以將輸出電壓解析為行程或者轉(zhuǎn)角信息，最終結(jié)合踏板結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到最終的控制信息。

（3）器件端接口電路。關(guān)于器件端的接口電路設(shè)計(jì)，由于傳感器電路設(shè)計(jì)的不統(tǒng)一性，本文不作具體討論，產(chǎn)品工程師務(wù)必注意確認(rèn)傳感器接口電路與接收器件端接口電路對(duì)的匹配性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)本人的實(shí)際車型工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出針對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)踏板開關(guān)信號(hào)可靠性局限性的三個(gè)大方向的工程開發(fā)解決方案（由于產(chǎn)品本身存在設(shè)計(jì)差異性，因此本文并不涉及更多具體關(guān)于產(chǎn)品的技術(shù)信息），并分別對(duì)于三種解決方案進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)概述，用于整車制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品工程師在進(jìn)行新開品的開發(fā)時(shí)，結(jié)合項(xiàng)目車型定位、車載技術(shù)需求、成本現(xiàn)狀、供應(yīng)體系現(xiàn)狀等綜合狀況，基于本文提供解決方案進(jìn)行車型定制開發(fā)方案的制定以及進(jìn)一步的完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]李春成，梁紅玉.制動(dòng)信號(hào)燈常見故障排除及其改進(jìn)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2004.

[2]王本菊.霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用[J].中國(guó)校外教育（理論），2011.

[3]王芳，張紹武，白旭燦.霍爾效應(yīng)磁敏傳感器及其應(yīng)用[J].河南科技，1998.

[4]徐鼎新.開關(guān)型霍爾集成傳感器的原理與應(yīng)用[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2003.