混合動力汽車制動系統(tǒng)簡析

◆文/上海 周曉飛

一、混合動力制動系統(tǒng)概述

電動汽車(電動汽車包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車)的制動系統(tǒng)與其他汽車基本相同。不同的是，在電動汽車上，一般還有電磁制動裝置，它可以利用驅(qū)動電動機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的發(fā)電運(yùn)行，使減速制動時的能量轉(zhuǎn)換成對蓄電池充電的電流，從而得到再生利用。

混合動力汽車的制動系統(tǒng)不僅僅用于使車輛可靠、穩(wěn)定地減速。它還能使車輛的制動能量不轉(zhuǎn)化為熱量，而是回收利用制動能量并通過主動變速器內(nèi)的電動機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能。為了配合全混合動力驅(qū)動方式獲得最大燃油經(jīng)濟(jì)性，制動系統(tǒng)必須回收利用盡可能多的制動能量。

在電子伺服制動控制系統(tǒng)中，制動踏板與制動系統(tǒng)其他部分(制動助力器)之間不再永久保持機(jī)械聯(lián)結(jié)。在系統(tǒng)中，通過電子方式感知駕駛員的制動要求，隨后將制動要求劃分為電氣部分和液壓部分。電氣部分通過主動變速器的電動機(jī)轉(zhuǎn)化為電能并存儲在高電壓蓄電池內(nèi)。液壓部分通過傳統(tǒng)行車制動器產(chǎn)生減速度。劃分制動要求時會考慮到制動強(qiáng)度、行駛情況和混合動力組件狀態(tài)。通過這種方式，混合動力制動系統(tǒng)可以純電動方式實(shí)現(xiàn)最高3m/s2 的減速度。但更為重要的一個參數(shù)是在所有行駛情況下可以回收利用的制動能量百分比。就這一數(shù)值而言，這樣的制動系統(tǒng)可以達(dá)到80%以上，也就是說，在所有制動能量中只有10%至20% 通過行車制動器轉(zhuǎn)化為無用熱量。

二、混合動力制動系統(tǒng)主要部件

混合動力制動系統(tǒng)由以下重要組件組成：帶有傳感器系統(tǒng)和關(guān)閉單元的制動踏板、主動式制動助力器、真空供給裝置、SBA單元 (混合動力制動作用轉(zhuǎn)換，電子感應(yīng)制動作用)、動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)、車輪制動器(圖1)。

圖1 混合動力制動系統(tǒng)組件

1.SBA單元

在寶馬的混合動力制動系統(tǒng)中，SBA單元即“混合動力制動作用轉(zhuǎn)換”指的是由控制單元和液壓單元構(gòu)成的單元(圖2)。它是混合動力制動系統(tǒng)的一個重要組件，該組件將駕駛員的制動要求劃分成回收利用部分和液壓部分。進(jìn)行維修時只能將其作為一個單元更換。

圖2 SBA單元

SBA控制單元對制動控制執(zhí)行主控功能。它探測駕駛員的制動要求，將整個制動力矩劃分為能量回收部分和液壓部分。為此，SBA控制單元帶有以下電氣接口：制動踏板角度傳感器、關(guān)閉單元關(guān)斷閥、關(guān)閉單元壓力傳感器、制動助力器內(nèi)的電磁閥、制動助力器內(nèi)的隔膜行程傳感器、制動助力器內(nèi)的制動真空壓力傳感器、電動真空泵(控制和監(jiān)控)、供電、總線系統(tǒng)PT-CAN和H-CAN02。

為了實(shí)現(xiàn)能量回收，SBA控制單元通過混合動力CAN2、混合動力接口模塊和混合動力CAN與混合動力主控控制單元進(jìn)行通信。液壓部分由SBA控制單元通過直接控制制動助力器內(nèi)的電磁閥來實(shí)現(xiàn)。與所有對液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)時的情況一樣，在此DSC控制單元也是SBA控制單元的一個重要通信設(shè)備。

2. 電動真空泵

以純電動方式行駛期間，發(fā)動機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此也不會驅(qū)動機(jī)械真空泵。為了在此期間同樣確保提供制動真空壓力，例如寶馬E72上裝有一個附加電動真空泵(圖3)。

泵元件是一個雙膜片泵。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本對稱，因此兩個端面上分別帶有一個輸入閥和一個輸出閥。根據(jù)殼體蓋板的形狀可以識別出這兩個閥門。泵輸入端與真空管路相連。真空泵通過輸入端吸入空氣并產(chǎn)生真空壓力。吸入的空氣通過殼體蓋板上的輸出孔向外輸送。

圖3 電動真空泵

電動真空泵的電機(jī)由SBA控制單元和兩個繼電器供電，這兩個繼電器串聯(lián)連接。在正常運(yùn)行模式下，SBA控制單元從總線端30g接通起就會接通電動機(jī)械式繼電器。但電動真空泵的實(shí)際接通和關(guān)閉由半導(dǎo)體繼電器負(fù)責(zé)(圖4)。

如果內(nèi)燃機(jī)啟動后可以通過機(jī)械真空泵正常提供制動真空壓力，即使出現(xiàn)電動真空泵故障，混合動力制動系統(tǒng)也會保持在電子伺服模式下。否則，混合動力制動系統(tǒng)就會切換為傳統(tǒng)模式。

SBA控制單元可以通過半導(dǎo)體輸出端與電動機(jī)械式繼電器開關(guān)觸點(diǎn)間分出的監(jiān)控導(dǎo)線識別出部件故障。

圖4 電動真空泵的操控電路

SBA控制單元測量該監(jiān)控導(dǎo)線上的電壓并將其與所需切換狀態(tài)決定的期望值(繼電器接通或關(guān)閉)進(jìn)行比較。

SBA控制單元根據(jù)內(nèi)燃機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)以及制動助力器上制動真空壓力測量值的信息控制按需接通和關(guān)閉電動真空泵。制動真空壓力過低時就會接通電動真空泵。

因此維修時，只能將電動真空泵作為整個單元進(jìn)行更換。

三、混合動力制動系統(tǒng)主要功能

1.分布式功能

SBA控制單元是混合動力制動系統(tǒng)的主控控制單元。它控制從探測制動要求直至控制制動系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的所有過程。能量回收式制動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是傳動系統(tǒng)：通過供電電控箱控制電動機(jī)使其以發(fā)電機(jī)方式工作。為了使其能夠產(chǎn)生電能，必須以機(jī)械方式對其進(jìn)行驅(qū)動。因此電動機(jī)吸收作用在傳動系統(tǒng)上的制動力矩。在減速度最高3m/s2的情況下，如果制動力矩僅作用在后橋上就會導(dǎo)致不穩(wěn)定的行駛情況出現(xiàn)。因此進(jìn)行能量回收式制動時，分動器內(nèi)的片式離合器也會接合。隨后，前橋和后橋達(dá)到相同轉(zhuǎn)速從而為制動力矩在兩個車橋上的平均分配創(chuàng)造前提條件。在這種“電子伺服模式”下會盡可能地回收利用制動能量，即通過第一個電動途徑輸送。只有在減速度高于3m/s2或混合動力驅(qū)動裝置無法轉(zhuǎn)化所有制動能量時，才會針對剩余能量使用傳統(tǒng)行車制動器。為此，SBA控制單元控制主動式制動助力器。后者產(chǎn)生用于兩個制動回路的制動壓力，制動壓力通過動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)發(fā)布到四個車輪制動器上(圖5)。

圖5 混合動力制動系統(tǒng)功能

只有在故障情況或特殊情況下才會提供應(yīng)急功能，此時SBA控制單元不再執(zhí)行主控功能。例如在不穩(wěn)定的行駛情況下，動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)就會執(zhí)行主控功能，從而以高優(yōu)先級使車輛穩(wěn)定下來。此時無法繼續(xù)進(jìn)行能量回收式制動。

能量回收式制動所需的某一組件失靈或供電失靈時，混合動力制動系統(tǒng)就會由“電子伺服模式”切換為傳統(tǒng)模式。在傳統(tǒng)模式下會使制動踏板與行車制動器重新建立起機(jī)械連接。這樣可使車輛通過傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠減速。

2.電子伺服模式

混合動力制動系統(tǒng)在接通供電后對電子伺服模式正常工作所需的所有系統(tǒng)組件進(jìn)行自檢。順利結(jié)束自檢后就會啟用電子伺服模式。否則，混合動力制動系統(tǒng)就會保持傳統(tǒng)模式。

在電子伺服模式下(圖6)，制動踏板與制動助力器的機(jī)械連接斷開。SBA控制單元通過制動踏板角度傳感器分析出駕駛員的制動要求。根據(jù)行駛情況和混合動力組件狀態(tài)將制動要求劃分為能量回收和液壓部分。

SBA控制單元為此向混合動力主控控制單元發(fā)送一個規(guī)定值用于實(shí)現(xiàn)能量回收。混合動力主控控制單元隨即通過混合動力電動機(jī)控制裝置控制單元執(zhí)行該規(guī)定值。

由電動機(jī)通過這種方式產(chǎn)生的電能存儲在高電壓蓄電池內(nèi)。在此也需要供電電控箱控制單元的參與(改變電壓和電流強(qiáng)度)。

圖6 在電子伺服模式下的制動操縱示意圖

為了實(shí)現(xiàn)液壓部分，SBA控制單元為主動式制動助力器內(nèi)的電磁閥供電。這樣可使空氣流入工作室內(nèi)并通過真空壓力在制動主缸內(nèi)的活塞上產(chǎn)生作用力。從而將壓桿拉入制動助力器內(nèi)。這樣，插入壓桿叉形端部的制動踏板銷也不會碰到機(jī)械限位位置。因此不會在操作制動踏板時產(chǎn)生反作用力。

但是踏板力模擬器會產(chǎn)生反作用力。所實(shí)現(xiàn)的作用力傳遞與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)基本相同。在電子伺服模式下，關(guān)閉單元的作用就像一個剛性元件。密閉其中的制動液無法被壓縮。在這種狀態(tài)下，制動液也無法溢出到帶有彈簧的膨脹室內(nèi)，因?yàn)榕蛎浭冶灰粋€電磁閥封住。

3.傳統(tǒng)模式

傳統(tǒng)模式是混合動力制動系統(tǒng)的基本機(jī)械模式(圖7)。在該模式下會使制動踏板與制動助力器重新建立起機(jī)械連接。因此駕駛員可以像在帶有制動助力裝置的傳統(tǒng)車輛上一樣在液壓制動系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生一個制動壓力并使車輛可靠減速。在傳統(tǒng)模式下無法進(jìn)行能量回收式制動。全部制動力均由液壓制動系統(tǒng)提供。

圖7 在傳統(tǒng)模式下的制動操縱示意圖

駕駛員在傳統(tǒng)模式下操作制動踏板時，主動式制動助力器內(nèi)的電磁閥不會受控工作。此時壓桿不會移動。因此在操作制動踏板期間，銷子與壓桿端部限位位置間的間隙閉合且建立起上述機(jī)械連接。從駕駛員的角度來說，這表明空行程增大。駕駛員幾乎不會感覺到任何反作用力，直至銷子到達(dá)限位位置。可以這樣來解釋：在傳統(tǒng)模式下，關(guān)閉單元內(nèi)的電磁閥打開。因此關(guān)閉單元內(nèi)的制動液可以向上方空間流動。那里有一個移動活塞可以克服彈簧力向上移動。關(guān)閉單元內(nèi)彈簧產(chǎn)生的反作用力明顯低于踏板力模擬器內(nèi)的彈簧。因此在這種情況下，踏板力模擬器內(nèi)的彈簧根本不會壓縮。也可以說踏板力模擬器在此不起任何作用。僅有的反作用力來源于關(guān)閉單元內(nèi)的彈簧，而且該作用力非常小。

如果內(nèi)部監(jiān)控功能發(fā)現(xiàn)可導(dǎo)致無法繼續(xù)在電子伺服模式下可靠運(yùn)行的故障，就會自動啟用傳統(tǒng)模式。識別到踏板角度傳感器失靈、關(guān)閉單元內(nèi)的壓力傳感器失靈、關(guān)閉單元內(nèi)的電磁閥不再正常工作、隔膜行程傳感器失靈、主動式制動助力器內(nèi)的電磁閥失靈、真空供給裝置失靈、真空壓力傳感器失靈、SBA控制單元或供電失靈、SBA單元內(nèi)的壓力傳感器失靈以及通信受到干擾故障時就會啟用傳統(tǒng)模式，通過亮起警告燈和發(fā)出檢查控制信息告知駕駛員進(jìn)入傳統(tǒng)模式。