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， 上海 200335）

1 前言

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 電子駐車制動系統 （EPB，Electrical Parking Brake system） 是繼ABS、 ESC等系統之后的新興制動控制技術之一， 適應于汽車智能化的發展趨勢。

相比傳統的機械手柄式/腳踏板式駐車制動系統， EPB電子駐車制動系統具有以下明顯的優勢。

1） 提高了舒適性和安全性， 通過操縱EPB按鍵實現駐車夾緊或釋放， 避免由于人力操縱大小而導致駐車制動力不同的情況發生， 降低了駕駛員 （尤其是女性） 的操作強度。

2） 節省了布置空間， 取消了機械駐車手柄結構， 為內飾造型設計提供了更大的發揮空間。

3） 實現輕量化設計， 取消了機械手柄、 手柄護套、 駐車拉索、 拉索支架等零部件， 有效減少了零部件數量， 簡化了裝配工序。

4） 適應智能化發展趨勢。 EPB系統是機電一體化產品， 屬于線控制動的系統之一， 信號響應速度快， 可支持實現自動泊車等ADAS功能。

整體而言， EPB電子駐車制動系統以其舒適性、 線控性等優勢代替傳統的機械駐車制動系統， 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系統的研究， 大部分都在研究EPB系統中的EPB卡鉗的夾緊力計算校核及法規符合性。 而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是EPB系統的核心技術， 對其進行研究具有重要意義。

2 EPB系統架構

2.1 結構式樣

根據EPB系統的ECU和執行機構的結構形式差異， 可將EPB系統結構分為3種式樣： 拉索式EPB系統、 獨立式EPB系統、 集成式EPB系統， 以下進行簡單介紹。

1） 拉索式EPB系統。 與傳統的機械手柄/腳踏板式的駐車制動系統差別不大， 主要是將原來的駐車手柄或駐車腳踏板、 平衡塊等更換為EPB開關和拉索控制模塊， 但仍然保留了左右兩根駐車拉索， 分別與后輪左右IPB機械卡鉗連接。 駕駛員操縱EPB按鈕向拉索控制模塊發出指令， 通過拉索控制模塊內部的電機及減速機構帶動左右兩根拉索的張緊或釋放， 實現左右后IPB機械卡鉗的夾緊或釋放， 從而實現車輛的駐車制動或解除的功能。 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， 該技術方案逐漸被市場淘汰。

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。 獨立式EPB系統如圖1a所示。

圖1 EPB電子駐車制動系統示意圖

3） 集成式EPB系統 （圖1b）。 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。

當前集成式EPB系統的典型技術方案， 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產品， 已經廣泛地搭載應用在國內外各大主機廠的量產車型上。

2.2 系統組成

由圖1 可知， 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變速器控制模塊、 組合儀表、 網關Gateway、 診斷模塊DTC等進行信息通信。 系統組成及原理如圖2所示。

圖2 EPB系統組成及原理圖

2.2.1 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， 兩者之間通過CAN總線進行通信。EPB ECU由蓄電池直接供電， 與EPB電子卡鉗之間通過硬線連接， 與其它控制器通過CAN總線進行信息通信。 圖3所示為EPB ECU控制器的PIN腳定義圖。

圖3 EPB ECU控制器PIN腳定義

2.2.2 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、 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。

2.2.3 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、 圖4b所示。 EPB電機通電后運轉， 帶動皮帶輪旋轉， 通過減速機構的行星齒輪傳動后， 齒輪箱輸出軸與螺桿連接， 帶動螺套轉動， 從而推動活塞壓緊內側摩擦片， 實現卡鉗的夾緊動作。 在卡鉗夾緊后電流隨著壓力繼續增大而升高。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。 減速機構按照結構形式分類， 主流的包括皮帶傳動及兩級行星齒輪傳動機構、 齒輪傳動、 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、 夾緊/釋放的作動時間等關鍵參數， 需要基于系統性能開發目標， 進行匹配選型及計算校核， 結合EPB電子卡鉗的臺架性能試驗驗證結果， 通過實車進行標定和驗證。

圖4 EPB電子卡鉗結構及性能曲線

2.3 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靜態手動釋放、 自動釋放、 AUTO HOLD自動駐車等功能之外， 還可以提供ESC聯動、 后輪防抱死制動、降級制動等動態緊急制動功能， 以及自動識別轉鼓檢測、自動調整間隙等輔助功能， 極大地提高了駕駛舒適性， 確保車輛的行車及駐車安全。 整理的具體系統功能說明見表1。

表1 EPB系統功能

典型功能的應用場景介紹如下。

1） 手動釋放/手動駐車

EPB的基礎功能完全取代傳統手動駐車制動系統， 實現駐車系統的靜態夾緊和釋放。 因此， EPB系統的駐車功能需要滿足相應的法規要求， 具體要求見表2。

表2 駐車制動系統法規

目前各大廠家的EPB電子卡鉗產品， 在額定電壓、 額定電流負載下提供的夾緊力可達20kN甚至更大， 可以滿足M1類車輛在30%坡道上實現靜態駐車的要求。

2） 自動釋放

自動釋放功能是EPB系統提供的舒適性功能之一， 駕駛員可以在不事先松開EPB開關的情況下直接起步， 這一點在坡道起步時尤其顯得有幫助。 車輛在靜態駐車時，EPB系統可以自動識別車輛停駐的坡度， 監測發動機轉速及扭矩、 駕駛員安全帶及車門狀態、 擋位狀態等信號， 當動力總成發出的驅動力足夠時， 系統發出指令釋放EPB電子卡鉗， 避免溜車并舒適地起步駛離， 保證車輛起步安全。

3） AUTO HOLD自動駐車

AUTO HOLD自動駐車是與ESC系統聯動的功能， 駕駛員操作AUTO HOLD開關， 車輛制動停車后， ESC系統對4個卡鉗輪缸施壓一定的油壓確保車輛駐車， 當ESC系統油壓制動的時間超過設定時間時 （一般為3min）， 或者該功能介入期間駕駛員松開安全帶、 打開車門、 發動機熄火， 此時ESC系統的油壓制動退出， 由EPB電子卡鉗接管實施夾緊， 確保車輛駐車。 該功能適用于長時間等紅燈、 擁堵工況下長時間等待時駐車停車的駕駛場景。 該功能與EPB自動夾緊、 Start-Stop自動啟停、 HHC坡道輔助起步等功能之間有聯動及協作關系。

4） 動態功能 （包括ESC聯動、 EPB后輪防抱死制動、降級制動）

動態功能一般指動態緊急制動功能， 在車輛行駛過程中， 車速達5km/h以上時， 駕駛員持續拉起EPB開關 （如時間為2s以上）， 則EPB ECU監測車輛狀態， 通過CAN總線持續向ESC系統發出制動請求， 此時由ESC系統對4個車輪端的卡鉗施加油壓進行制動， 直至車輛減速停車。 該功能與傳統的機械駐車制動系統制動只能將駐車制動力施加在后輪上不同， 動態制動時通過ESC系統可以提供較大的制動減速度， 同時確保后輪不會發生抱死現象。

當ESC系統失效， 則由EPB電子卡鉗對后輪實施動態制動， 調整制動力， 防止后輪抱死。

當ESC系統失效， 且部分輪速信號失效時， 則EPB系統通過施加設定的恒定大小的夾緊力實施后輪制動， 確保車輛減速停車。

5） 轉鼓檢測

車輛處于靜止停車狀態， EPB系統檢測車輛狀態， 依據前后輪速、 發動機點火、 制動踏板踩下等信號， 識別出當前狀態為轉鼓檢測狀態。 駕駛員拉起EPB開關， 則由EPB系統響應開關動作， 發出指令分段逐步增加EPB電子卡鉗的夾緊力。

結合前文描述， 將EPB系統各個功能相關的輸入及輸出信號整理見表3。

表3 EPB系統相關信號

3 EPB系統開發流程

EPB系統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、 變速器控制模塊TCU、 組合儀表、 網關、 診斷接口等， 進行系統的設計開發。

因此， 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、 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 “兩次高附一次低附”路面的實車標定及量產軟件的發布。

EPB系統軟件開發時， 應按時間節點及項目實際進度，逐步開發、 凍結、 釋放不同版本的軟件。 包括確認通信規范、 網絡管理協議、 診斷規范等， 結合EPB電子卡鉗的臺架參數、 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品質可靠性和系統穩定性。 軟件開發過程如圖5所示。

圖5 EPB系統軟件開發過程

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失效模擬的臺架測試結果， 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、 對接路面的動態制動功能， 驗證夏季高溫條件下的平地及坡道輔助起步、 EPB系統各項功能表現等，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、 性能表現滿足設計要求。

4 EPB系統性能驗收及評價

EPB系統開發時， 在實車標定及性能驗收階段， 主要從系統的功能和性能兩個方面進行試驗評價及驗收。 其中，功能檢查時， 主要確認前文表1的各項功能的控制邏輯的設定及動作是否符合定義， 本文不再贅述。 系統性能要求總結如下。

4.1 靜態坡道駐車性能評價

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路面條件下， 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的駐坡能力評價見表4。 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， 按照表4的方法， 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≥5min。

表4 坡道駐車性能要求

4.2 自動釋放性能評價

自動釋放的性能要求見表5。

表5 自動釋放性能要求

4.3 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見表6。

表6 自動釋放性能要求

5 結束語

本文闡述了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試驗評價方法等， 對于新車型的EPB系統設計開發， 特別是對EPB系統的各項子功能要求、 性能評價等方面， 具有一定的指導意義。