電子液壓制動系統的安全設計與匹配分析

王海軍，楊帆

（寧波星箭航天機械有限公司，浙江 寧波 315153）

傳統的液力制動器是通過液力傳動機構來完成制動器的功能，而線控傳動系統是以機械信號為基礎，通過電氣控制單元對機電制動器的控制。所以，從本質上講，電動液壓剎車系統并非是一種真正的線性驅動系統。由于EHB可以完全與剎車踏板無關地進行式剎車，但它的物理電路并未延伸至車輪制動器，因此，電動液壓剎車系統仍然需要制動液從儲能器向剎車輪缸傳輸制動力。但就目前來看，由于原油壓制動器的結構仍能保持，所以在動力供給裝置出現故障時，人工制動器作為后備制動器。目前，電子液壓制動系統已經成為汽車安全與電子領域的一個重要課題。Petruccelli等提出了EHB系統的前、后軸制動力分配和剎車踏板感官仿真，并給出了傳感器故障時的控制和故障的自診斷控制方案，并對電動汽車 ABS/VDC進行了改進。Reuter等對常規制動工況下的電動液壓制動器和常規液壓制動器進行了對比和分析，并對其在各種液壓設計工況下的EHB進行了分析，重點對其在供能設備故障時采用后備制動器進行了制動特性的分析。Huh等提出了一種基于故障診斷的電動液壓剎車系統故障診斷模型，并對其進行了仿真分析，并對其進行了仿真分析。Semmler等提出了一種利用EHB技術實現汽車防抱死制動的新方法，并進行了在干、雪、濕路面的實車測試。通過運用模糊推理方法，馬濤濤等人對車輛的橫擺角速度和質量中心的偏轉率閾值進行了分析，并用 Logistic PI控制法對EHB的輸出進行了分析，結果顯示，該方法在EHB全工作區間均能取得較好的控制效果。盡管國外的一些汽車已經安裝了電動液壓剎車系統，如奔馳SL級、E級、豐田普銳斯、雷克薩斯HX400H等，但由于中國的EHB發動機還沒有完全掌握EHB的設計原理，因此，在一定程度上制約了電子液壓制動系統的工業化。電子液壓剎車系統的設計工作非常復雜，其關鍵元件的設計也受到很多因素的制約。汽車剎車系統的安全性是首要考慮的問題，而EHB作為一種特殊的線性控制系統，其安全性尤為重要。本文以電子液壓制動系統為研究對象，從安全性能出發，研究了電動剎車系統的設計和匹配；該系統取代了傳統剎車系統中的一些機械零件，剎車踏板與執行器之間沒有機械連接，廣通用地使用了現代汽車上的伺服剎車系統。

1 電液控制系統的結構、原理和特性

由于采用了傳統的液壓機械制動器，采用了液壓機和電控機械式制動器的過度形式，因此，在保持了原有的液壓制動系基礎上，增加了一組電氣控制單元，使剎車系統的性能得到了最大程度的提高。這種制動系統代替了常規制動器的某些機械部件，在制動器和制動器之間不存在機械連接，廣泛采用了現代轎車的伺服制動器。圖1為常用的系統示意圖。

圖1

剎車踏板裝置由多個二向閥門連接到各個輪孔，供燃油供給。油罐和輪虹之間有一個二向閥，在油路中連接著一個電泵和一個高壓蓄能器，這兩個蓄能器通過電子信號來維持油路中的高壓，當2個二通閥打開時，油路上的壓力就會被維持。安全閥用于限制油路的最大油壓，平衡閥用于平衡左右制動器的制動力。它有兩種基本能力，一是基本剎車，二是剎車控制。基礎剎車，就是司機按照自己的意圖，對油門施加不同的力道，以確保車輛在減速的時候，不會發生卡住，這時，司機應該將自己的意圖完全反映出來，從而給司機提供足夠的制動力。控制制動器是指在緊急情況下，駕駛員在全速制動器的作用下，由于需要防止車輪發生卡住，因此，系統能夠識別這個需求，并利用節流控制裝置來防止車輪發生卡住，同時，根據工作環境的不同，將車輛的減速能力發揮到最大。在這種情況下，一般都會有后備制動器，即使在電子控制裝置出現故障時，也可以保持最基本的人力和液壓剎車功能。本文所探討的公司集成式電動液壓制動器系統的主要元件為剎車踏板與剎車主虹的整體操縱機構以及液壓系統，其工作原理如下。

圖2

該系統具有常規制動、備用制動和控制制動3大功能。傳統制動器：當司機按傳統的規則駕駛時，電控設備會感應踏板。制動狀況，判斷司機的制動意圖，關閉與制動箱和主虹補液室的補液電磁閥，打開平衡電磁閥，啟動馬達活塞，在制動箱內工作腔與液體補充室之間形成適當的制動壓力。工作腔內的高壓剎車壓力通過四個常開型電磁閥連接到每個自輪紅上，從而在車輪虹膜中形成剎車壓力，從而達到制動器的目的。當駕駛員松開剎車踏板時，電子控制器會收到踏板移動的信號，由此四個減壓螺線管減壓，制動液回到剎車槽。后備制動器：在后備制動器狀態下，電子控制裝置失效。駕駛員在踏板上直接踩下剎車。在主紅色工作腔上安裝有均衡的常閉式電磁閥，可以有效地阻止液體的流入。工作腔由油管和常開式閥門與制動器相連，以達到剎車的目的。控制制動器：在司機緊急剎車時，由電子控制器根據剎車信號和剎車信號，設定適當的制動力，如果有一個輪子發生故障，就打開壓力安全閥，降低剎車壓力。每個制動器構成一個單獨的閉合環路。不同的車輪可以按照不同的道路狀況來進行不同的控制，以保證每個輪子都能充分利用土壤的黏性。通過上述分析，我們發現，傳統與結構在2個方面存在著巨大的差異。一是機械構造上的差異，它利用彈簧的剛度，為使用者的足部提供反作用力與位移；而是采用了一個整體式的踏板，連接到了主虹上，通過主紅色的壓力來給人一種踩油門的感覺。二是油壓設定，為了保持高的進油口壓力，使用油栗機將油注入到高壓油罐中，故進油閥為常閉閥門；電子液壓控制系統的特點是剎車踏板、電子控制、液壓控制、傳感器等。剎車踏板裝置包含踏板感覺模擬器、踏板力或踏板沖程傳感器以及剎車踏板。踏板感受仿真系統能給駕駛者帶來類似傳統剎車系統的踏板感受。用于監控司機的駕駛意圖。本系統由電機、高壓儲能器組成，通過制動線和單向控制閥與制動線連接，控制制動液的流入和流出制動輪缸，從而實現輪缸運動狀態監測、反饋控制以及不同階段溫度范圍的修正。它的主要特點是：通過液壓控制裝置，使各車輪獨立地進行控制，使車輛的剎車性能得到最大限度的發揮，使車輛的行駛安全得到保障。增加車輛剎車控制精度，檢測踏板的速度和沖程，對司機意圖進行分析，判斷不同制動性能，并通過供給高壓油，可以得到最大的壓力梯度，得到最合理的壓力變化。然后，利用輪缸上的壓力傳感器，對實際的輪缸壓力進行測量，并與控制器輸出信號進行比較，不斷地調整輪缸的壓力，從而實現一個完全的閉環控制。改善車輛剎車舒適度系統，使4個車輪的氣壓分布具有較好的自從性，在不同的車輛懸掛系統中，剎車效果明顯。確保各輪子不會發生碰撞。由于減少了大型的真空助推器，改善了車輛的行駛性能，節省了空間，降低了車身重量。后備制動功能在發生故障時，仍保留最基礎的人工液壓制動系統，以確保行車的安全性。兼容性好，易于改裝，由于高電子化和模塊化，可輕易地與汽車的電子控制設備相容；由于保留了大多數的液壓部件，可以很方便地進行更多的制動；而且無需真空助推器，因此，在與電動車輛的匹配中具有更大的優越性。

2 EHB剎車系統的研制

如上所述，本文所討論的的EHB類型屬于電動助力式EHB的范疇，其最核心的部分就是電動助力式EHB，所以本文主要針對EHB的具體實現方式進行了分析，并對其總體設計要求進行了分析，從而實現了其結構設計，并對其主要元件進行了詳細的選擇。

2.1 EHB制動器的總體設計需求

EHB系統的實現方式在圖3中顯示，EHB系統包含踏板部件，其包含踏板力傳感器、電動助力制動器、制動力分配裝置、制動輪缸、控制器ECU、制動液管路、各種采集信號的傳感器、PC監控平臺等。在制動時，ECU對踏板力、踏板位移、剎車管路油壓、車速等進行了相應的濾波，然后利用相應的算法，對駕駛員的制動意圖進行分析，從而實現對車輛制動的控制。通過ECU的助力信號，實現對油門的輔助，從而提高剎車的油壓。剎車系統把剎車油分布在四個剎車分輪氣缸上，實現了汽車的剎車。當電子控制系統因電源故障、傳感器故障等原因而發生故障時，ECU的警報系統將會發出警報，并啟動“緊急模式”。司機可以利用剎車踏板進行剎車，并利用故障備用制動來改善汽車的行車安全。另外，該系統不需要額外的腳感產生設備，只需要根據對應的算法來控制馬達的動作，從而達到平穩的腳感，從而提高駕駛的舒適性。綜合以上分析可知，在正常工況下，制動器必須與各種不同類型的傳感器相配合，才能產生剎車信號。通過ECU對所獲得的數據進行處理，并將其轉化為輔助信號，并將其反饋給剎車，從而實現對整個系統的控制。為了實現故障備用剎車功能，制動器不能自動鎖定，這樣即使電子控制裝置出現故障，也可以依靠人工踩下剎車踏板產生的機械力來剎車。這就要求整體制動系統的工作性能。

圖3

2.2 EHB電動助力制動器的設計要求

電動助力制動器是EHB系統的關鍵部件，它的性能對車輛的剎車性能有很大的影響，考慮到一般車輛和新能源汽車對剎車的需要，EHB電動助力制動器的動力能必須符合下列規定。

（1）結構緊湊，便于安裝。因為一般的電動車或者傳統轎車的引擎艙內空間都非常狹窄和緊湊，所以，為了保證車輛的剎車性能，EHB電動助力制動器必須盡可能地滿足體積小、重量輕、便于裝配等特點。

（2）有足夠的剎車功率。由于目前市面上大多數新能源車都需要加裝真空泵，且要有獨立的儲罐來貯存真空，因此，在持續制動時，制動效果不佳。所以，EHB電動助力制動器必須根據駕駛員的真實剎車意圖，提供足夠的精確的剎車輔助，從而達到最佳的剎車效果和駕駛感受。

（3）使信號的獲取變得容易。EHB電動助力制動器在工作過程中，將踏板力信號、剎車管路油壓信號、踏板位移信號等信息整合到ECU中，從而使采集組件的安裝和配置盡可能地降低成本。

（4）具有較高的安全性。車輛的安全運行取決于EHB電動助力制動器的可靠性。所以，制動器和控制器的相關部件必須經過特殊的優化，才能在惡劣的工作條件下繼續穩定地工作，另外，EHB電動助力制動器還必須具有故障備用制動的能力。

（5）促進其他功能的整合。EHB電動助力制動器應易于集成主動制動、ABS、EPS、智能駕駛等，系統必須具備很好的兼容性，并預留1:3接口，以實現與其他模塊之間的通信。

（6）節約能源，保護環境。在環保產業和環保汽車的大背景下，剎車系統必須達到低能耗、低污染的要求，并且在剎車過程中使用能量最好。

3 基于硬件故障保護的電源系統的設計

電子液壓制動系統的能量供給裝置主要有氣囊型儲能器和馬達油泵兩部分。蓄能器和馬達泵都需要在正常制動條件下，在故障狀態下獨立執行任務，以確保硬件的冗余度。在此基礎上，還需要考慮儲能器的有效容積和泵級流量之間的相互作用。在進行電子液壓制動系統的設計時，應根據目標車輛的剎車特性要求，確定電子液壓制動系統的最大工作壓力和最小工作壓力。

3.1 儲液器的充氣壓力測定

當系統的最高和最低工作壓力被決定時，為保證儲能器的皮囊在最低壓力操作點處仍然沒有擴張至與殼體的壁相接觸，而且在最高壓力操作點皮袋收縮后的容積仍然超過最初容積的1/4，則蓄能器充氣壓力的取值范圍為0.25p1≤p0≤0.9p2，式中，p0為蓄能器預充氣壓力，Pa；p1為系統最高工作壓力，Pa；p2為系統最低工作壓力，Pa。

3.2 儲能器的有效容量計算方法

假定蓄能器排液速度很快，接近于絕熱狀態，因此，相對氣體，其壓縮性能可以忽略不計；而蓄能裝置的有效容積必須符合下列兩項：機械油泵故障時，儲能器可進行高強度制動的次數應該至少4～5次；馬達油泵運轉時，每分鐘4次在12次的速度制動后，向制動器供給的壓力必須小于最大值。初步測量了70%的壓強。在實際的使用中，剎車是逐次的。逐漸磨損，以保證安全，由于老式剎車在完全磨損后進入行運算。

4 結語

基于EHB的數學模型，提出了以安全性能為基礎的EHB的設計和匹配方法；實驗證明了所建數學模型的正確性，并以此為基礎，對EHB在一般制動與硬件故障情況下的制動特性進行了分析。從安全性角度出發，在電動機泵故障時，要確保蓄能器能夠實現多次高強度的制動；同時，在電動機泵的設計中，必須考慮到所需的充液時間和在蓄能器故障時的制動力特性；并探討了系統參數（最高工作壓力、最低工作壓力）對EHB制動力特性的影響，并提出了最佳方案來改善EHB動力。