基于MATLAB／Simulink 的電動汽車真空泵集成控制研究

楊 凡， 黃 偉， 馬 敬， 王元林

（湖南獵豹汽車股份有限公司， 湖南 長沙 410100）

1 前言

電動真空泵作為電動汽車的制動輔助裝置，為制動系統提供真空助力，是保障車輛制動安全的重要部件。電動汽車發展初期，配套零部件技術尚未成熟，電動真空泵的常用控制方式為：壓力開關串聯繼電器線圈，由繼電器控制真空泵電源以實現真空泵啟停控制。該控制方式簡單但故障率較高，且在系統發生故障時無法發出警示，行車安全存在風險［1］。隨著電動汽車技術發展，汽車行業設計開發了專用于真空泵控制的控制器，該類控制器完善了控制算法，可以實現通信或故障提示等較復雜的功能，具有故障判斷能力，顯著提高了整車制動安全性［2-4］。

由于獨立真空泵控制器的功能仍存在不足，為完善功能引入整車信號，會增加成本和系統復雜度。由整車控制器直接控制真空泵，可以從整車控制角度進行相應控制和故障保護，而且整車控制器采集整車相關信號，可方便擴展更多功能，使系統更為安全可靠［5］。目前，控制系統集成化已經成為電動汽車的發展趨勢，因此本文從替代某電動汽車現有真空泵控制器的角度，對整車控制器集成電動真空泵控制功能的系統方案和控制策略進行了研究。

2 真空泵集成控制系統方案

某電動汽車的真空助力制動系統由真空泵控制器、電動真空泵、儲氣罐和氣管等組成，組成部件如圖1所示。真空泵控制器集成壓力傳感器采集儲氣罐內壓力信號，控制真空泵啟停和故障診斷，并將故障信息通過PWM信號發送給整車控制器。

圖1 某車型真空助力制動系統

考慮取消該車型的真空泵控制器，由整車控制器實現真空泵控制功能，評估現有整車控制器取代真空泵控制器所需的硬件資源，可通過AD接口連接外置壓力傳感器監測儲氣罐壓力，通過IO接口控制真空泵繼電器的通斷。因整車控制器不直接驅動真空泵，為了對控制輸出形成閉環監測，還需增加IO接口檢測真空泵電源狀態。另外，整車控制器已采集的整車信號如制動開關信號、車速信號等都可以在系統中使用。真空泵集成控制的方案原理如圖2所示。

圖2 真空泵集成控制方案

絕對壓力傳感器由壓力轉換元件和信號放大調理電路組成，可以將壓力的變化轉換成電信號，壓力信號與電壓輸出的關系見下列公式：

式中：P——壓力檢測數值，kPa；Vref——傳感器的供電電壓，V。

3 真空泵集成控制策略

3.1 故障診斷

為保障電動汽車的使用安全和維修便利，控制軟件需盡量準確定位出故障部件和故障原因，所以在整車控制器軟件開發中，針對各系統故障診斷與故障處理為重點工作。上述系統包含的零件中，壓力傳感器故障較容易識別，其余部件故障需結合控制輸出、壓力變化和真空泵電源狀態等信號進行綜合判斷。

在原車測試中發現踩制動時真空度變化較大，容易對壓力檢測產生干擾，特別是在反復快速踩制動時會產生故障誤報，所以選擇不踩制動踏板時進行故障診斷。綜合分析故障發生時系統的狀態，集成控制系統可診斷7種故障（表1）。

表1 真空助力制動系統故障

3.2 正常工作模式

在正常狀態下，系統可根據絕對壓力值的大小控制繼電器通斷，實現真空泵啟停控制。為避免真空泵頻繁啟停，采用滯環比較的控制策略［5］。

當絕對壓力＞啟動限值50kPa （可標定），真空泵啟動抽真空；當絕對壓力＜停機限值30kPa （可標定），真空泵停止抽真空。

3.3 故障工作模式

當真空助力制動系統存在故障時，首要考慮行車安全，控制器需要保證制動時的真空助力，并發送相應的警告信息提醒駕駛員。其次要考慮真空助力制動系統的安全，長時間持續工作會使真空泵過熱，導致真空泵損壞。基于上述兩個原則，對7種故障問題進行分析。

當壓力傳感器故障時，采集到的壓力值會超出啟停限值，如果仍根據壓力值進行控制，會讓真空泵處于持續啟動（或停止） 狀態。為保證制動安全，此狀態下采用以制動開關信號作為啟動條件的控制策略，即踩下制動踏板時，真空泵啟動。為防止制動踏板一直踩下的情況下真空泵持續工作，在再次啟動真空泵前，必須檢測到松開制動，否則禁止真空泵再啟動［5］。

發生中度泄漏故障時，因壓力值難以降低到停機限值，真空泵會處于長時間工作狀態。為了保證真空泵安全，采用真空泵間歇工作的控制策略，真空泵工作至最大允許工作時間后，停機一段時間后再啟動。但是為了保證制動安全，當壓力值大于啟動限值時，會重新啟動真空泵。

當發生真空泵故障／嚴重泄漏或繼電器粘連故障時，應當控制真空泵停機。當發生其他故障時，可按照正常邏輯對真空泵進行控制，不會對助力系統產生其它影響。

發生以上故障時，系統會對車輛采取相應的限速策略，并通過故障警告提醒駕駛員處理。

4 策略建模及仿真

4.1 策略建模

本文主要研究對象為真空泵的控制與故障診斷，系統發生故障后的整車控制需配合整車控制策略實現，不在本文中體現。在MATLAB／Simulink中建立真空泵控制策略模型，模型分信號采集處理、故障診斷和真空泵控制3個模塊，如圖3所示。

圖3 真空泵控制策略模型

在信號采集處理模塊中，整車控制器采集絕對壓力、真空泵電源狀態等信號，并經過濾波處理：壓力值為模擬量信號，采用中值濾波；真空泵電源狀態為開關信號，采用防抖算法。在故障診斷模塊中，根據控制輸出、壓力值和真空泵電源狀態等進行邏輯判斷，識別系統故障。在真空泵控制模塊中，根據系統狀態對真空泵進行控制，其stateflow邏輯框圖如圖4所示。

圖4 真空泵控制stateflow邏輯框圖

4.2 仿真測試

按照正常工作、壓力傳感器故障和中度泄漏故障情況，對建立的真空泵控制策略模型進行仿真分析。

1） 正常工作模式。從圖5可以看出，當絕對壓力大于50kPa時，控制真空泵啟動抽真空，絕對壓力小于30kPa時，控制真空泵停止工作。

圖5 正常工作時控制狀態

2） 壓力傳感器故障。從圖6可以看出，在1.05s時系統識別出傳感器故障，7s時踩下制動踏板后，控制真空泵啟動抽真空，工作10s后停止，19s時制動踏板再次踩下后，真空泵再次啟動。

3） 中度泄漏故障。從圖7可以看出，15s時系統識別出中度泄漏故障，真空泵繼續工作至20s停止，停止6s后，真空泵再次啟動工作20s。

5 總結

圖6 壓力傳感器故障時控制狀態

圖7 中度泄漏故障時控制狀態

本文分析研究了某車型上使用整車控制器取代真空泵控制器，完成真空泵集成控制的方案可行性，并在MATLAB／Simulink中進行了策略建模和仿真分析，結果表明集成控制方案能夠實現真空泵控制與系統故障診斷功能。將現有真空泵控制功能集成在整車控制器后，可實現更多類型故障判斷和更為完善的故障保護措施，充分提高了車輛行駛安全性，具有良好的研究前景。