EPB電子駐車制動系統設計開發

韓厚祿

（奇瑞捷豹路虎汽車有限公司上海分公司）

隨著汽車電子技術的蓬勃發展，越來越多的電子技術應用到整車上。其中EPB（Electrical Parking Brake system）電子駐車制動系統是繼ABS、ESC等系統之后的新興的制動控制技術之一，適應了汽車智能化的技術發展趨勢。EPB電子駐車制動系統的應用可以使汽車內部空間的利用和中央通道、腳部空間的設計具有更大的靈活性；由于取消了傳統的機械駐車制動系統的手剎手柄、駐車腳踏板和拉索，簡化了裝配過程；提高了用戶的舒適性和安全性[1]。當前EPB電子駐車以其舒適性、線控性等優勢，裝車比率大幅提升，已經成為駐車制動系統的發展趨勢。目前國內對于EPB電子駐車系統的研究，大部分都在研究EPB卡鉗夾緊力計算及法規符合性驗證，而對EPB系統的控制策略、系統功能及性能要求、整車試驗評價方法等方面內容的介紹文獻資料較少，對其進行研究具有重要意義。

1 EPB系統架構

1.1 結構式樣

根據EPB系統的ECU和執行機構的結構形式差異，EPB系統主要有3種結構式樣，包括拉索式EPB系統、獨立式EPB系統及集成式EPB系統，簡單介紹如下：

1）拉索式EPB系統。與傳統的機械手柄式、腳踏板式的駐車制動系統差別不大，主要是將原來機械式駐車手柄平衡塊等更換為EPB開關和拉索控制模塊，并且仍然保留了左右兩根駐車拉索，分別與后輪左右后IPB機械卡鉗連接。由于該系統存在拉索傳動效率低、夾緊力小、動態響應速度慢等缺點，搭載的車型較少，不符合今后的技術發展趨勢，已逐漸被市場淘汰。

2）獨立式EPB系統。該系統方案取消了駐車拉索，執行機構為后輪的左右EPB電子卡鉗，EPB電機直接集成在后卡鉗上。系統采用一個單獨的ECU作為EPB系統的控制模塊，ECU通過信號控制EPB電子卡鉗的夾緊或釋放，從而實現車輛的駐車制動或解除的功能。

3）集成式EPB系統。相比獨立式EPB系統，集成式EPB系統取消了獨立的EPB ECU，將EPB系統軟件集成到ESC控制模塊內，整個系統的線束布置更加簡單，有效減少了系統零部件的數量、線束長度及系統復雜度，減小了系統的失效概率，通信更快更安全，同時ESC系統和EPB系統也可以更好地協作[2]。

當前集成式EPB系統的典型的技術方案，主要有博世的APB-Mi系列、大陸MK100 IPB系列、TRW的EBC 460i系列等各大系統為代表的ESCi模塊化產品（集成EPB控制模塊），已經廣泛地搭載應用在國內外各大主機廠的量產車型上[3]。如圖1所示。

圖1 EPB電子駐車制動系統示意圖

1.2 系統組成

獨立式EPB系統主要由ESC控制模塊、EPB ECU、左右后EPB電子卡鉗、EPB開關、IGN點火開關等組成。通過CAN總線與EMS發動機控制模塊、TCU變速箱控制模塊、組合儀表、網關及診斷模塊DTC等進行信息通信。EPB系統組成如圖2所示。

圖2 EPB系統組成及原理圖

1.2.1 EPB ECU控制器

EPB ECU控制器是獨立式EPB系統的核心控制模塊，它可以集成加速度傳感器，也可以從ESC控制模塊中獲取縱向和橫向加速度信號，2者之間通過CAN總線進行通信。EPB ECU由蓄電池直接供電，與EPB開關、Auto Hold開關、左右后EPB電子卡鉗等零部件通過硬線連接，與其它控制器通過CAN總線進行信息通信。圖3示出EPB ECU控制器的PIN腳定義的示意圖。

圖3 EPB ECU控制器PIN腳定義示意圖

1.2.2 ESC控制模塊

ESC控制模塊是獨立式EPB系統的關鍵控制模塊之一，它通過CAN總線向EPB系統提供車速信號、前后車輪輪速信號、縱向加速度信號、坡度信號及ESC系統狀態信號等。還可以與EPB系統聯動，提供自動停車、緊急制動等功能。在集成式EPB系統方案中，則將前文所述的EPB ECU的控制軟件、控制電路等集成到ESC控制模塊中，由ESC控制模塊負責ESC系統、EPB系統的運行。

1.2.3 EPB執行機構

左右EPB電子卡鉗為EPB系統的執行機構，主要由直流無刷電機、減速機構、機械卡鉗等部分構成。如圖4a、4b所示。EPB電機通電，通過減速機構帶動螺套與輸出軸螺桿轉動，推動螺套軸向移動，推動活塞壓緊摩擦片，最終實現夾緊動作。EPB ECU全程對電機的電流進行監控，當電流升高到設定值后即達到所需夾緊力，切斷電流。當制動卡鉗釋放時，電機反向轉動帶動螺桿螺套回位，電流到達設定值后，夾緊力解除[4]。

其中，減速機構按照結構形式分類，包括皮帶傳動及兩級行星齒輪傳動機構、齒輪傳動及兩級行星齒輪傳動機構等，活塞頂出結構包括螺桿螺套及蝸輪蝸桿傳動形式等。

圖4c所示為EPB電子卡鉗的夾緊力及電流曲線。EPB系統開發時，對EPB電子卡鉗的夾緊力大小、EPB電機的驅動電流值大小、夾緊/釋放的作動時間等關鍵參數，需要基于系統性能的開發目標，進行匹配選型及計算校核，實施臺架性能試驗及實車標定驗證。

圖4 EPB電子卡鉗結構及性能曲線

1.3 EPB系統功能

根據不同的駕駛場景及應用工況，EPB系統除了可以提供常規的手動釋放、自動釋放及Auto hold自動駐車等靜態功能之外，還可以提供ESC聯動、后輪防抱死制動及降級制動等動態緊急制動功能，以及自動識別轉鼓檢測、自動調整間隙及系統診斷等輔助功能，極大地提高了駕駛舒適性，確保了車輛的行車及駐車安全。EPB系統功能如表1所示。

表1 EPB系統功能

2 EPB系統開發流程

EPB系統在設計開發時，各項功能需要考慮整車質量及前后軸荷分配、ESC系統及基礎制動系統參數選型、對手件設計輸入包括EPB開關、IGN點火開關、制動踏板、離合踏板、發動機控制模塊EMS、變速箱控制模塊TCU、組合儀表、網關和診斷接口等整車、電子電氣架構及系統零部件等設計狀態，進行系統開發。在新車型、新項目的EPB系統開發時，需要基于EPB系統的功能及性能要求、網絡架構、CAN通信矩陣、診斷規范、通信協議及系統性能要求等設計輸入，綜合考慮ESC系統的開發進度，制定合理的開發周期及時間計劃，開展EPB系統軟件開發測試，實施“2次高附1次低附”路面的實車標定及量產軟件的發布。EPB系統軟件在項目開發過程中，應按時間節點及項目實際進度，逐步開發、凍結及釋放不同版本的軟件。包括確認通信規范、網絡管理協議及診斷規范等，結合EPB電子卡鉗的臺架參數及HIL硬件在環仿真測試結果、EPB系統的實車標定結果等，逐步完善系統軟件的標定參數及程序，確保最終釋放的量產版軟件的質量可靠性和系統穩定性。EPB系統軟件開發流程如圖5所示。

圖5 EPB系統軟件開發流程

實車標定時，可以基于EPB系統軟件開發的成熟度，結合HIL臺架仿真各項功能及模擬特定失效的臺架測試結果，分別在夏季標定階段及冬季標定階段，驗證實車在高附路面、模擬低附路面（夏季）、低附路面（冬季積雪路面、冰面等）、對開路面及對接路面的動態制動功能，驗證夏季高溫及冬季冰雪路面條件下的平地及坡道輔助起步、EPB系統各項功能表現等，標定并優化EPB系統的控制參數，驗證系統控制邏輯，模擬通信信號、網絡故障等在失效工況下的實車表現，確保系統穩定、安全可靠，并且性能表現滿足設計要求。

3 EPB系統性能評價及驗收

EPB系統開發時，在實車標定的性能評價、驗收階段，主要從系統的功能和性能2個方面進行試驗評價及驗收。其中，功能檢查時，需要判斷表1所示的各項功能的控制邏輯的設定及動作是否符合邏輯定義。EPB系統的性能驗收時，結合前文描述，介紹其中的關鍵幾項功能的性能指標要求。

3.1 靜態坡道駐車性能評價

EPB系統的靜態駐坡能力，涉及到的強制性法規主要有GB 7258—2012《機動車運行安全條件》、GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》、GB 21670—2008《乘用車制動系統技術要求及試驗方法的要求》中對于駐車制動系統的要求[5-7]，文章在此不再贅述。

在標定試驗及驗收評價時，按法規要求及設計開發要求，分別在10%坡度、20%坡度、30%坡度或車輛可實現的最大駐車坡度的坡度，路面為干瀝青路面或混凝土路面，將車頭分別設置在上坡、下坡方向，車輛配重為滿載狀態下，制動系統分別為冷態及熱態時，驗證系統提供的坡道駐車能力。

制動系統在冷態條件下，踩下制動踏板，車輛保持靜止，擋位設為N檔，拉起EPB開關，松開制動踏板。要求停駐時間≥5 min。

制動系統在熱態條件下評價駐坡性能時，需要駕駛員對車輛進行制動磨合，當制動盤溫度達到300℃以上時，與冷態時的評價方法相同，分別在不同坡度的路面上進行駐坡能力的評價，要求停駐時間≥5 min。

3.2 自動釋放性能評價

自動釋放的性能要求如表2所示。

表2 自動釋放性能要求

3.3 動態緊急制動性能評價

對于EPB系統的動態緊急制動功能，試驗評價時的性能要求如表3所示。

表3 自動釋放性能要求

4 結論

EPB電子駐車制動系統由于在舒適性、集成化、線控化等方面相比傳統的機械式駐車制動系統具有明顯的優勢，當前在不同級別及價位的乘用車及輕型商用車產品上已經廣泛搭載應用，是線控底盤駐車制動系統的發展趨勢和主流方向。該系統屬于車輛主動安全系統之一，在新項目新車型開發時也屬于需要實施標定匹配的關鍵系統。文章結合項目經驗，闡述了EPB系統的結構類型、系統零部件構成、系統各子功能的工作原理、性能要求等，介紹了EPB系統軟件的開發流程及實車標定時的評價方法等，對于新車型的EPB系統設計開發，特別是對EPB系統的各項子功能的功能要求、性能評價等方面，具有一定的指導意義。