新型一體式電控制動(dòng)助力器的系統(tǒng)診斷研究

顧韡婷，崔海峰，張斌

(泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

隨著油耗/排放日漸嚴(yán)苛的需求，以及新能源車(chē)型的普及，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向低真空/無(wú)真空發(fā)展，電控制動(dòng)助力系統(tǒng)取代傳統(tǒng)真空制動(dòng)助力系統(tǒng)已成為制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展主要趨勢(shì)[1]。

本文作者根據(jù)多年從事電控制動(dòng)助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，敘述新型一體式電控制動(dòng)助力器的工作原理和系統(tǒng)診斷方法，以便在其他底盤(pán)電控零件的設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

1 新型一體式電控制動(dòng)助力器簡(jiǎn)介

圖1為一體式電控制動(dòng)助力器。

圖1 一體式電控制動(dòng)助力器

一體式電控制動(dòng)助力器(eBoost)可視為電控制動(dòng)助力器(ibooster)和電控穩(wěn)定控制模塊(ESP)集成化新技術(shù)產(chǎn)品，如圖1所示，由控制單元(ECU)，液壓調(diào)節(jié)模塊，助力電機(jī)，踏板感覺(jué)模擬器以及其他附件組成。

相比于傳統(tǒng)ABS/ESP模塊，電控制動(dòng)助力器具有制動(dòng)踏板解耦，可軟件標(biāo)定踏板感覺(jué)和多模式，同時(shí)還具有可高制動(dòng)響應(yīng)速率主動(dòng)增壓的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)極限駕駛員制動(dòng)響應(yīng)能力(150 ms/10 MPa)，如圖2所示。以上特點(diǎn)使得一體式電控制動(dòng)助力器在實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收及主動(dòng)安全功能上具有顯著的優(yōu)勢(shì)[2]。配置了一體式電控制動(dòng)助力器的新能源車(chē)輛可實(shí)時(shí)根據(jù)駕駛員的制動(dòng)需求調(diào)配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的倒拖扭矩和液壓系統(tǒng)制動(dòng)的壓力，從而達(dá)到大于0.3g的全效能再生制動(dòng)能量回饋。同時(shí)，隨著ENCAP 2020版新增側(cè)向行人和助動(dòng)車(chē)AEB碰撞保護(hù)條目(6.5.7)，對(duì)于AEB響應(yīng)時(shí)間提出600 ms達(dá)到減速度0.81 m/s2的高性能要求，電控制動(dòng)助力器的高速率制動(dòng)建壓響應(yīng)是未來(lái)滿足NCAP 5星級(jí)安全評(píng)定的主要技術(shù)方案和智能駕駛線控冗余制動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

圖2 不同類(lèi)型液壓制動(dòng)系統(tǒng)建壓響應(yīng)速率對(duì)比

2 一體式電控制動(dòng)助力器的工作原理和系統(tǒng)診斷

2.1 工作原理

一體式電控制動(dòng)助力器eBoost可視為ibooster和ESP的集成化新產(chǎn)品，工作原理如圖3所示[4]。

圖3 一體式電控制動(dòng)助力器液壓原理圖

除了傳統(tǒng)ABS/ESP模塊具有的4個(gè)常開(kāi)的進(jìn)液閥(IV)和常閉的出液閥(OV)，電控制動(dòng)助力器的液壓?jiǎn)卧獌?nèi)還包括了兩個(gè)常開(kāi)的主缸隔離閥(CSV)，兩個(gè)常閉的柱塞泵隔離閥(PSV)，一個(gè)常開(kāi)的測(cè)試隔離閥(TSV)，一個(gè)常閉的模擬器隔離閥(SSV)和一個(gè)單向補(bǔ)液閥(PRV)。當(dāng)電控制動(dòng)助力器進(jìn)行電動(dòng)助力時(shí)，SSV打開(kāi)，制動(dòng)主缸回路(TMC回路)的制動(dòng)液通過(guò)模擬器回路(PFS回路)進(jìn)入踏板感覺(jué)模擬器(PFS)中，從而實(shí)現(xiàn)踏板解耦；與此同時(shí)PSV打開(kāi)，CSV閉合，電機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)推動(dòng)柱塞泵建立和駕駛意圖相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)壓力，柱塞泵內(nèi)的制動(dòng)液通過(guò)柱塞泵回路(Plunger回路)，液壓執(zhí)行回路和輪缸回路進(jìn)入制動(dòng)卡鉗，實(shí)現(xiàn)了線控制動(dòng)。當(dāng)電控制動(dòng)助力器未通電或故障降級(jí)進(jìn)入助力關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電磁閥均處于初始狀態(tài)，制動(dòng)主缸內(nèi)的制動(dòng)液通過(guò)TMC回路和輪缸回路直接進(jìn)入制動(dòng)卡鉗。

電控制動(dòng)助力器內(nèi)置有踏板位置傳感器(PTS)，主缸壓力傳感器(p_TMC)，柱塞泵壓力傳感器(p_Plunger)和電機(jī)位置傳感器(RPS)，可實(shí)現(xiàn)行程冗余校驗(yàn)，壓力冗余校驗(yàn)，以及行程和壓力的關(guān)系校驗(yàn)。結(jié)合相關(guān)回路電磁閥作動(dòng)并配合TSV測(cè)試隔離閥，可進(jìn)行多種液壓回路的壓力/容積(Pressure/Volume，PV)目標(biāo)關(guān)系曲線的診斷測(cè)試，以及進(jìn)行駕駛員或主動(dòng)制動(dòng)意圖和車(chē)輛實(shí)際制動(dòng)壓力的校核，因此具備了對(duì)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)診斷和實(shí)時(shí)安全監(jiān)控的能力。文中以典型液壓系統(tǒng)自檢和制動(dòng)工況為例，介紹了電控制動(dòng)助力器的主動(dòng)建壓和被動(dòng)建壓診斷和檢測(cè)。

2.2 系統(tǒng)主動(dòng)建壓診斷和檢測(cè)

主動(dòng)建壓診斷和檢測(cè)目的是確認(rèn)包括電控制動(dòng)助力器在內(nèi)的車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)，在日常使用的啟動(dòng)和熄火狀態(tài)下功能正常，在生產(chǎn)制造和售后維修滿足產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。它利用集成式電控制動(dòng)助力器的液壓解耦特征，在車(chē)輛靜態(tài)非制動(dòng)作動(dòng)工況下，控制如圖3液壓原理圖中的電磁閥作動(dòng)，并進(jìn)一步通過(guò)電機(jī)主動(dòng)建立系統(tǒng)診斷壓力，可進(jìn)行如表1所示目標(biāo)檢測(cè)回路的阻滯和泄漏等診斷。

表1 主動(dòng)建壓診斷和檢測(cè)工況梳理

該測(cè)試在每個(gè)點(diǎn)火循環(huán)內(nèi)至少進(jìn)行一次，且為電控制動(dòng)助力器主動(dòng)建壓測(cè)試，無(wú)需駕駛員介入。測(cè)試過(guò)程如遇到駕駛員或主動(dòng)安全功能介入導(dǎo)致的系統(tǒng)檢測(cè)未完成，將中斷該次診斷，在后續(xù)循環(huán)滿足測(cè)試條件下，再次進(jìn)行相關(guān)診斷和檢測(cè)。

熄火自檢用于對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行熄火后的全面檢測(cè)，確保下一個(gè)點(diǎn)火循環(huán)制動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠工作，因此診斷步驟較為復(fù)雜且涉及多個(gè)測(cè)試回路。該測(cè)試分為以下3個(gè)步驟：

(1)CSV關(guān)閉實(shí)現(xiàn)TMC回路隔離，PSV打開(kāi)，電機(jī)對(duì)圖3中Plunger+輪缸回路增壓以消除摩擦片和制動(dòng)盤(pán)之間的間隙，提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。測(cè)試完成后電機(jī)泄壓，活塞退回至初始位置。

(2)PSV關(guān)閉，電機(jī)對(duì)Plunger回路增壓，通過(guò)對(duì)比柱塞泵壓力和活塞位置計(jì)算柱塞泵回路中存在的空氣量Vair1。測(cè)試完成后電機(jī)泄壓，活塞退回到初始位置。如果Vair1大于門(mén)限值，則系統(tǒng)置出故障碼并請(qǐng)求點(diǎn)亮故障燈，制動(dòng)助力降級(jí)。

(3)PSV1打開(kāi)，TSV關(guān)閉，電機(jī)對(duì)液壓備份回路(TMC+Plunger+輪缸)進(jìn)行建壓，通過(guò)對(duì)比柱塞泵壓力和活塞位置計(jì)算液壓備份回路中存在的空氣量Vair。因此TMC回路+ABS調(diào)節(jié)回路+輪缸回路的空氣量為Vair2=Vair-Vair1。如果Vair2大于門(mén)限值，則系統(tǒng)置出故障碼并請(qǐng)求點(diǎn)亮故障燈，制動(dòng)助力降級(jí)。

2.3 系統(tǒng)被動(dòng)建壓診斷和檢測(cè)

由于主動(dòng)建壓檢測(cè)存在駕駛員介入導(dǎo)致的診斷過(guò)程中斷，需進(jìn)一步采用被動(dòng)建壓診斷和檢測(cè)確保每一次駕駛員制動(dòng)或主動(dòng)安全的制動(dòng)控制工況，如AEB、ACC等，制動(dòng)系統(tǒng)功能和性能的安全可靠實(shí)現(xiàn)。

在駕駛員制動(dòng)作動(dòng)工況下，CSV關(guān)閉，PSV打開(kāi)，TMC回路和輪缸回路處于液壓解耦狀態(tài)。利用TMC回路中的踏板推桿行程傳感器和主缸回路的壓力傳感器，可進(jìn)行該回路的制動(dòng)工作過(guò)程故障診斷。利用Plunger回路中的電機(jī)位置傳感器和輪缸回路的壓力傳感器，可以進(jìn)行Plunger回路和輪缸回路的制動(dòng)工作過(guò)程故障診斷，系統(tǒng)被動(dòng)建壓原理圖如圖4所示。

圖4 被動(dòng)建壓診斷和測(cè)試系統(tǒng)原理圖

表2梳理了被動(dòng)建壓診斷和檢測(cè)工況。其中Plunger回路+輪缸回路，由于涉及零部件較多，潛在失效原因包括CSV電磁閥泄漏、Plunger回路液壓泄漏、OV電磁閥泄漏等等。

表2 被動(dòng)建壓診斷和檢測(cè)工況梳理

同時(shí)故障診斷設(shè)計(jì)還需考慮制動(dòng)系統(tǒng)使用過(guò)程中合理的pV變化，既要保證故障診斷的可靠性，也要避免極限使用工況下pV變化導(dǎo)致的誤診斷。如比利時(shí)路制動(dòng)卡鉗的Knock Back回彈，卡鉗剛度和摩擦片彈性變形，摩擦片磨損和制動(dòng)系統(tǒng)熱變形等等。以該診斷為例，介紹診斷閾值的設(shè)計(jì)原理。

某車(chē)型Plunger回路目標(biāo)壓力過(guò)低診斷閾值設(shè)計(jì)原理如圖5所示，首先，車(chē)輛處于無(wú)電機(jī)制動(dòng)助力的初始工作狀態(tài)，得到TMC主缸行程(耗液量)同液壓回路傳感器設(shè)計(jì)關(guān)系曲線，如圖中實(shí)線所示?？紤]上述各種極限工況pV變化的變差范圍，最終得到虛線所示的理論故障診斷報(bào)警關(guān)系曲線MC_Travel/Pressure。其次，利用TMC活塞面積S1和Plunger活塞面積S2關(guān)系，換算可以得到車(chē)輛正常制動(dòng)助力工況的故障報(bào)警關(guān)系曲線Plunger_Travel/Pressure，Plunger_Travel=MC_Travel*S1/S2。

圖5 Plunger回路目標(biāo)壓力過(guò)低被動(dòng)建壓診斷設(shè)計(jì)原理

當(dāng)Plunger回路被動(dòng)診斷探測(cè)到目標(biāo)壓力過(guò)低，會(huì)首先交叉進(jìn)行對(duì)角線回路電機(jī)制動(dòng)助力，如可判斷某對(duì)角線回路存在空氣侵入或泄漏，會(huì)保留另一條對(duì)角線回路的電機(jī)制動(dòng)助力功能，制動(dòng)踏板感降級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了更好的降級(jí)助力性能。當(dāng)兩條對(duì)角線回路均無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)助力，如Plunger回路故障，則電機(jī)關(guān)閉助力，保留EBD功能。

3 結(jié)論

文中結(jié)合新型電控助力器工作原理和液壓解耦的工作特點(diǎn)，分別以系統(tǒng)靜態(tài)熄火自檢和動(dòng)態(tài)輪缸目標(biāo)壓力過(guò)低為例，介紹了基于全制動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)加壓測(cè)試和被動(dòng)加壓測(cè)試的方法、診斷和降級(jí)策略，上述方案可用于該新技術(shù)制動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)和熄火自檢，制動(dòng)作動(dòng)過(guò)程實(shí)時(shí)診斷，生產(chǎn)線和售后的檢測(cè)，保證了再生制動(dòng)和線控制動(dòng)等先進(jìn)控制功能的安全可靠工作，也為其他先進(jìn)底盤(pán)線控電控系統(tǒng)的穩(wěn)健診斷提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。