汽車電控液壓制動系統的分析

宋森

摘要：面臨日益復雜的交通安全環境，短距離停車、保持行駛的穩定性顯得尤為重要。為了進一步了解汽車在行駛過程中的制動安全性能和響應速度，本文對制動力更加精準的線性制動系統——電控液壓制動系統進行了研究。從系統的結構原理、組成部分的功能、工作模式等方面入手，對其優勢和設計要求進行了深入的探究，并以主要零部件的液壓特性為參考，構建了系統的動力學模型，對整個制動系統的性能進行分析研究。

Abstract： Facing the increasingly complex traffic safety environment，it is particularly important to stop for short-distances and maintain driving stability.In order to further understand the braking safety performance and response speed of the vehicle during driving，this paper studies the electronically controlled hydraulic braking system， which is a more accurate linear braking system with more accurate braking force. Starting from the structural principles of the system，the functions of the components， the working mode， etc.，this paper makes an in-depth exploration on its advantages and design requirements，Taking the hydraulic characteristics of the main components as a reference，a dynamic model of the system is constructed，and the performance of the entire braking system is analyzed and studied.

關鍵詞：電控液壓制動;系統性能;主動安全性

Key words： electronically controlled hydraulic brake;system performance;active security

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0057-03

0? 引言

作為衡量汽車在行駛過程中一項最重要的指標，汽車制動性的好壞直接關系到人們的生命財產安全。以往設計制動系統時，應用的是雙液壓回路法。近年來，電控功能有所增加，目前應用最為廣泛的如：ABS（汽車制動防抱死系統）、ARS（汽車驅動防滑系統）和ESP（車身電子穩定系統）等。伴隨著交通環境的愈發復雜和人們安全意識的提升，進一步改善制動性能，得到更快的響應速度，人們將目光瞄準向更加精準的電控液壓制動系統。電控液壓制動（Electro hydraulic brake），簡稱EHB，屬于線控制動，控制力上也有所提升，對每個車輪都有獨立控制力，從思維理念上也突破了傳統液壓制動系統的束縛，在設計時取消了真空助力器，取消了制動踏板和車輪制動器的機械連接或液壓管的連接，結構得到了有效的精簡，直接將駕駛者的制動信息通過傳感器傳遞到電控單元，然后驅使相應的執行機構產生制動力，且易于實現對制動能量的回收，因此擁有較好的應用前景。

1? 控液壓制動系統的結構和工作原理

1.1 電控液壓制動系統的結構

電控液壓制動系統主要由三部分構成，如圖1所示，分別為踏板感覺模擬器（Pedal feel emulator簡稱PFE），液壓控制單元（Hydraulic control unit，簡稱HCU）和電控單元（Electro control unit，簡稱ECU）。其中制動意圖及輸入功能由PFE完成，數據處理及發出執行指令主要由ECU完成。

踏板感覺模擬器的構造如圖2所示。踏板感覺模擬器能夠精準地捕捉到駕駛人員的制動意圖，并為駕駛人員提供與傳統制動類似的踏板反饋力和行程感受。其中踏板是駕駛員實施制動意圖的物理單元;制動主缸形成制動液回路;踏板行程傳感器用來收集駕駛人員的制動意圖等等。

液壓控制單元的構造如圖3所示。液壓控制單元主要負責的是信號的收集與傳送，對系統發出相應的指令，以及保持與其他電控單元的數據通信，分析計算，實現對汽車的主動控制。其中電動機和液壓泵確保高壓蓄能器能建立起制動壓力，有足夠的制動力;高壓蓄能器提供制動壓力源;單向閥起到保護電機的作用，保證制動液只能單向流動，不會反方向流向電機。安全泄壓閥的作用是調節高壓蓄能器內的壓力，保護系統的壓力在安全的范圍;BV（平衡閥）設置在同軸左右車輪之間，用來保證制動時車輛直線行駛的穩定性。

1.2 電控液壓制動系統的工作原理

電控液壓制動系統工作原理如圖4所示。當電控液壓制動系統正常工作時，切換閥處于關閉狀態。增壓時，打開進油閥，制動液流入制動輪缸后，再關閉出油閥。減壓時，打開出油閥，制動液流入回油杯，再關閉進油閥。保壓時，進油閥和出油閥都不會開啟，若想對輪缸壓力進行獨立的把控，需要關閉平衡閥，開啟或關閉相對應的進、出油閥即可。需要注意的是，各閥門在開啟或關閉時，蓄能器的壓力值必須處于安全范圍。當電控液壓制動系統出現故障時，系統內的電磁閥均恢復初始狀態，駕駛人員可利用制動踏板，完成液壓油由制動主缸流入輪缸的工作，借助傳統液壓制動方式進行應急制動，提升行車安全性[1]。

2? 電控液壓制動系統的優勢和設計的要求

2.1 電控液壓制動系統的優勢

和傳統的液壓制動系統相比較，電控液壓制動系統不管是從結構上，還是性能上都有了很大的改進。一是系統結構上取消了真空助力器，不僅安裝所需空間更小，而且不受發動機的轉速和負荷、真空度的影響;二是系統不僅提升了響應速度，而且在短距離制動停車、保持行駛的穩定性方面也有了很大的改善，在四輪制動力的分配上有很大的自由度;三是系統針對傳統系統由于制動摩擦片磨損導致制動力不足的情況，部件的機械特性變化可由控制算法進行補償，改變制動力以保證良好的制動效果;四是系統操作起來較為舒適，如：統計駕駛人員的操作習慣，僅通過更改控制算法和踏板感覺模擬器就可以給駕駛人員不同的踏板感覺。對駕駛人員友好;五是系統有更高的安全性，當系統失效時，制動主缸內的制動液還能由駕駛人員踩下制動踏板推動，然后經管道和切換閥進入到制動輪缸。六是系統較容易實現制動能量的回收，可以降低能耗[2]。

2.2 電控液壓制動系統的設計要求

根據電控液壓制動系統的原理，在設計系統的結構時，應考慮以下的要求：

①可靠性。能夠在短距離進行制動停車是系統最本質的要求，當制動命令由駕駛人員發出，制動踏板的傳感器及時采集信號并傳遞給ECU，ECU判斷制動有效的同時計算出制動所需壓力，控制制動液進入制動輪缸產生相應的制動力。

②穩定性。車輛在行駛時產生制動，除了需對各車輪進行獨立控制的工況外，大多數的情況下都應保持同軸兩側的車輪的平衡，保證車輛制動時直線行駛的穩定性[3]。

③實用性。應盡量簡化系統的結構，避免對整車的通過性以及成本、維修等方面產生較大的影響。同時，要考慮到與傳統ABS等系統的兼容性。

④精確性。確保良好的制動效果，可以從硬件方面出發，選用精度較高的閥來控制制動液的流量，選用計算能力高和處理速度快的電子控制單元等等，達到精準、快速的控制。

3? 構建主要液壓元件的動力學模型

電控液壓制動系統在結構上具有非線性的特點，因為在制動過程中，主要表現為制動液壓力和流量發生變化，為了更加準確的掌握其動態性能，以主要零部件液壓特性為入手點，建立系統增壓、減壓時應用到的動力學微分方程。

從系統的工作原理可知，在系統增壓時，液壓油會從高壓蓄能器途徑油管、油閥，最終流動到制動輪缸，減壓時的流動路徑則正好相反。將油管壓力損失這一影響因素排除，對液壓油流經的部件的液壓特性進行建模[4]。

①蓄能器：系統使用的蓄能器一般是氣囊式，其結構如圖5所示。蓄能器主要是由兩部分構成——上部的氣腔和下部的液腔，氣腔充入的都是惰性氣體，常見的如氮氣，很難進行化學反應，保證了系統的安全和穩定性。

工作原理：當系統接收到制動命令的時候，電動泵將制動液輸入到蓄能器的液腔中，會對氣腔的體積產生壓縮;當制動命令取消時，制動液流出蓄能器的液腔，氣腔的壓迫力也隨之減少直至消失，體積也會相應的增大。因此，我們可以看出，蓄能器的工作過程主要涉及到體積的變化。[5]

式（1）中：Q為蓄能器的實際流量，V為蓄能器氣體的體積。

系統處于增壓狀態時，液壓油數量會有所減少，蓄能器氣室體積變大，壓力值隨之減少，可以將此種情況當做氣體絕對熱膨脹過程。由氣體定律可知：

式（2）中，Pg代表蓄能器氣室的壓力，Vg代表氣室體積，r代表等熵指數，P0代表進油閥關閉時，蓄能器氣室內部的壓力值，V0代表進油閥關閉時，蓄能器的氣室體積。

將蓄能器內的彈簧力忽略不計，假設Pg和蓄能器液壓壓力相同，Vg=V0+液壓油減少體積，因此可以用以下公式來表達蓄能器壓力和液壓油平均流速的關系：

公式（3）中，PA代表蓄能器壓力，q代表液壓油平均流速。

②在電控液壓制動系統中所使用的進/出油閥由PWM（Pulse width modulation脈寬調制）信號控制。以開關閥的節流特性為參考依據，計算液壓油從高壓端向低壓端流動時應具備的流量特性，并滿足以下方程：

其中，Q代表節流孔中液壓油的實際流量，C代表節流孔的流量系數，A代表節流孔的流通截面積，？駐p代表節流孔兩端的液壓差值，？漬代表節流孔節流指數。

③制動缸輪：將油管、輪缸缸體在車輛運行過程中產生的彈性變形忽略不計，用以下方程式來表達輪缸壓力及液壓油流量變化時的連續性。

其中，K代表液壓油體積模量，V代表油管體積總和，PW代表制動輪缸壓力。

電控液壓制動系統在制動時可以分為增壓、保壓以及減壓三個階段，如圖6所示，我們可以從制動液的流動來判斷制動的情況。當系統處于增壓階段時，制動液會從高壓蓄能器的液腔流出，氣腔體積也隨之增大，制動液然后通過制動管路進入制動輪缸，為制動輪缸提供相應的制動壓力，流入的制動液越多，增加的制動壓力也越多;當系統處于保壓階段時，由于閥關閉，制動液無法流動，液腔和氣腔的體積保持不變，輪缸壓力也就不會發生變化;當系統處于減壓階段時，制動液會從制動輪缸流出，重新流入到蓄能器的液腔，氣腔的體積隨之減少，輪缸的制動壓力減小，流出的制動液越多，減少的制動壓力也越多。

由式（3）、（4）、（5）可知，系統在增壓時，其動力學微分方程為：（6）

假設，油杯內的恒壓源與大氣相通，由公式（4）、（5）可知，系統在減壓時，其動力學微分方程為[6][7]：

4? 結束語

在提升汽車制動過程安全性方面，電控液壓制動系統是目前最有前景的研究方向，優化了傳統制動系統的結構，改善了控制性能，制動反應更快，與此同時，與液壓控制相關技術的研究也是日趨成熟。本文對電控液壓制動系統的工作原理和結構進行了詳細的介紹，并對其主要液壓組件進行了分析，使得我們對整個制動系統性能有了更深的了解。當然，其在運用過程中也存在著各種各樣的問題，后面也需要我們圍繞此展開更深入的研究。

參考文獻：

[1]林少偉.汽車電控液壓制動系統動態性能分析及試驗研究[J].內燃機與配件，2020（05）：85-86.

[2]紀世才.汽車電控液壓制動系統動態性能分析[J].中國物流與采購，2019（04）：54.

[3]鹿敬必，王興良.研究汽車電控液壓制動系統動態性能[J].中小企業管理與科技，2016（04）：179-180.

[4]楊保香，韓斌慧.汽車電控液壓制動系統控制策略模型及仿真研究[J].自動化與儀器儀表，2017（03）：87-90.

[5]郭孔輝，劉溧，丁海濤，等.汽車防抱制動系統的液壓特性[J].吉林工業大學自然科學學報，1999（4）.

[6]韓龍.乘用車EHB液壓特性建模及車輛穩定性控制算法研究[D].長春：吉林大學，2008.

[7]袁朝春，范興根，袁慧穎，陳龍，等.智能汽車并聯電控液壓制動系統設計與試驗[J].農業機械學報，2017，48（05）：369-376.