氣壓制動系統報警壓力修正方法研究

湯建新

(浙江吉利新能源商用車發展有限公司,浙江杭州 311228)

0 引言

汽車制動系統用于使行駛中的汽車減速或停車，是下坡行駛的汽車的車速保持穩定的機構[1]。汽車制動系直接影響汽車行駛的安全性和停車的可靠性[2]。因氣壓制動系統可以獲得較大的制動驅動力，所以多應用于商用車，制動系統以氣壓作為制動的全部力源進行制動，司機作用于制動踏板的力僅用于對制動回路中控制元件的操縱。因此氣壓制動系統中的氣壓對車輛安全性和可靠性有決定性的影響[3]。

氣體壓力是氣動技術領域的重要物理量，是工作介質——壓縮空氣的表征參數。在GB 12676《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》中對報警裝置有明確的要求：對依靠儲能器進行行車制動的車輛，如不利用存儲的能量就達不到規定的應急制動效能，除安裝壓力表外，還應安裝報警裝置。

1 現有報警策略

以某一新能源商用車氣壓制動系統為例，制動系統由電動空氣壓縮機、儲氣筒、干燥器總成、制動閥、氣壓傳感器、ABS前橋控制單元、ABS后橋控制單元，制動執行機構等組成。如圖1所示。

圖1 制動系統簡圖

1.1 氣壓傳感器布置形式和報警壓力策略

氣壓傳感器布置于制動閥進氣口，布置于駕駛室內，氣壓傳感器距儲能裝置儲氣筒3～5 m之間。布置圖如圖2所示。

圖2 布置簡圖

儀表總成(以下簡稱IC)檢測管路內的氣壓，IC轉化為CAN信號，同時將此信號發送至整車控制器VCU(以下簡稱VCU)，VCU根據此信號，判斷氣壓是否小于報警壓力0.45 MPa，如小于報警壓力，則VCU發送報警信號給IC和智能車載終端(以下簡稱T-BOX)。IC顯示制動系統故障，提醒司機注意行車安全，同時T-BOX將此報警上傳至監控平臺。

1.2 誤報警問題

由于氣壓傳感器布置遠離儲氣筒，測試點處受氣流速度的影響，氣流中的靜壓與壁面靜壓間有較大波動。

通過監控平臺發現，一年中有30～50次因氣壓波動導致的制動系統低壓誤報警，影響駕乘人員的安全感。

2 氣壓傳動控制模型

因整車氣壓制動系統管路比較復雜，控制回路中閥體較多，不易于模擬，需要簡化成簡單的氣體充氣模型，用于了解氣體流動對氣壓的影響。

2.1 建立模型

圖3為充氣模型簡化圖。

圖3 充氣模型簡化圖

因空氣流體復雜，在氣壓傳動及控制中，氣體流動視為一維定常流動，因制動系統響應時間較快，充放氣過程簡化為絕熱過程。儲氣筒簡化為氣源，制動閥簡化為開關閥，執行機構容積視為充氣容積。

其容器充氣至氣源壓力時間方程：

t=(1.285-pl/ps)τ

式中：ps為氣源的絕對壓力,MPa;

pl為容器內氣體的初始絕對壓力,MPa;

τ為充、放氣的時間常數,s。

式中：V為容器容積,L;

S為充氣閥有效截面積,mm2;

k1為等熵指數。

根據上述公式計算，一次完全制動后，氣壓傳感器處大約在0.6 s后趨于穩定。

2.2 在制動過程中氣壓波動時間測試

通過CAN讀取樣車氣壓傳感器處的壓力值[4]，如圖4所示，從圖中可以看出氣壓值波動很大，一次點踩制動，壓力波動最大值有200 kPa。

圖4 樣車氣壓值曲線

從圖4可以看出壓力波動導致壓力峰值低于450 kPa，VCU誤認為低壓故障，一共7次，與實際監控平臺記錄相符。

由圖還可以看出，因氣壓存在壓力波動，VCU直接采用氣壓傳感器的測量值用于低壓報警會導致誤報警問題，需要策略優化。

3 策略優化

對氣壓值進行實時地平滑計算，同時滿足氣壓穩定時顯示氣壓值能夠反映實際值。設置實際壓力值為p0(i),模擬顯示值為pn(i)，模擬pn(i)=pn(i-1)+(p0(i)-pn(i-1))/N，N為修正系數，pn(i-1)為上一次VCU接到的顯示值。同時通過分別設置N為5、10、20，通過MATLAB擬合曲線如圖5所示[5]，其波動和平穩部分面部放大圖如圖6和圖7所示。

圖5 樣車氣壓值擬合曲線

圖6 樣車氣壓值曲線波動部分局部放大圖

圖7 樣車氣壓值曲線平穩部分局部放大圖

4 結果分析

通過圖5可以看出，當修正系數N取20時，氣壓值整體大于實際值，不符合系統安全原則；當修正系數N取5時，雖然在氣壓平緩時氣壓值貼近實際值，但在氣壓波動過程中濾波效果不佳，仍有比較大的波動；當修正系數N取10時，在氣壓波動過程中基本吻合氣壓的下降趨勢，無明顯上下跳動，同時氣壓值整體小于實際值，符合系統安全原則。

通過圖6可以看出,當修正系數N取10時，模擬值仍能夠滿足小于450 kPa低壓報警要求。通過圖7可以看出,當修正系數N取10時，模擬值和實際值差小于10 kPa，此誤差在氣壓傳感器±30 kPa范圍內，滿足IC正常顯示需求。

綜上所述，修正系數N=10的擬合參數符合整車實際使用要求，修正函數確定為pn(i)=pn(i-1)+(p0(i)-pn(i-1))/10。

經樣車實際驗證，該修正函數可以有效地解決制動系統低壓誤報警問題。

5 結論

(1)從上述可以看出，在氣壓制動系統低壓報警設置時，必須考慮控制過程中氣壓波動對氣壓顯示值的影響。

(2)從上述聯合仿真結果可以看出，低壓報警壓力數據修正方法對商用車消除誤報警是有效的，同時證明文中設計的數據修正方法是有效的。