新能源汽車制動系統(tǒng)解析(七)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民(本刊編委會委員)

曾任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學(xué)院、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

(接2022年第12期)

(12)電源故障期間的工作原理

行程模擬器切斷閥(SSA)打開且間隙保持閥(SGH)關(guān)閉，從而將駕駛員踩下制動踏板在主缸油室中產(chǎn)生的壓力施加到各輪缸，如圖75所示，電磁閥控制操作如圖76所示。

圖75 電源故障期間液壓回路

圖76 電源故障期間電磁閥控制操作圖

四、電伺服制動系統(tǒng)在本田PHEV上的應(yīng)用

為保護(hù)地球環(huán)境而減少燃料消耗和CO2排放，隨之裝備電動動力系統(tǒng)的車輛逐年增產(chǎn)，其中包括電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)。這些EV和HEV在減速時啟動再生制動，以再生電力的形式回收動能來降低燃料消耗。為此，本田汽車研發(fā)了能夠協(xié)調(diào)再生制動力和摩擦制動力分配的電動伺服制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)協(xié)同工作時根據(jù)駕駛員的減速意圖，使再生制動力和摩擦制動力的總和必須始終與駕駛員的減速需求相匹配，而且，無論再生制動力和摩擦制動力的協(xié)同都不會波動到車輛的減速特性。

另一方面，如果讓車輛在傾斜道路停滯狀態(tài)下長時間停滯狀態(tài)或依靠驅(qū)動電機(jī)超負(fù)荷輸出驅(qū)動力，電力傳動系會產(chǎn)生熱量。電機(jī)過熱而降低驅(qū)動力導(dǎo)致車輛滑坡。其次，在自適應(yīng)巡航控制運行的減速期間，有時會因摩擦制動的應(yīng)用而發(fā)生能量損失。因此，電動伺服制動系統(tǒng)與插電式混合動力汽車(PHEV)一起運行具有高精度制動壓力控制，從而可以防止電力傳動過熱失速以及提高自適應(yīng)巡航減速和坡道起步輔助時車輛操作性和降低油耗。本文介紹已應(yīng)用于PHEV的電動伺服制動系統(tǒng)控制所涉及的這些技術(shù)要素。

1.系統(tǒng)總述

電動伺服制動系統(tǒng)布置如圖77所示。

圖77 電動伺服制動系統(tǒng)布置

該系統(tǒng)由踏板操作單元中的踏板感覺模擬器和踏板行程傳感器、制動壓力產(chǎn)生單元中的串聯(lián)電機(jī)油缸和電子控制單元(ECU)組成。踏板感覺模擬器生成操作踏板時的行程和力。串聯(lián)電機(jī)油缸根據(jù)踏板行程傳感器檢測到的踏板操作量，產(chǎn)生ECU指令的制動壓力。圖78顯示了產(chǎn)生制動壓力的電動伺服制動系統(tǒng)配置。

當(dāng)踏板被操作時，ECU根據(jù)制動踏板操作量確定制動壓力目標(biāo)值。無刷電機(jī)運行產(chǎn)生制動液壓，同時主截止閥關(guān)閉。這會在從動缸下游產(chǎn)生制動壓力。制動壓力通過車輛穩(wěn)定控制單元(VSA)傳輸?shù)捷喐住＿@過程中當(dāng)各種協(xié)同控制功能需要制動力時，將協(xié)同控制功能要求的制動壓力作為控制目標(biāo)值進(jìn)行控制，從而能夠產(chǎn)生制動力。圖79顯示了插電式混合動力系統(tǒng)的框圖。電動伺服制動系統(tǒng)和動力傳動系之間的通信通過控制器局域網(wǎng)(CAN)總線進(jìn)行傳輸。圖80顯示插電式混合動力系統(tǒng)的運行模式。這種動力傳動系統(tǒng)將配置高壓電池、發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)相結(jié)合，從而實現(xiàn)了純電驅(qū)動、混合動力驅(qū)動和發(fā)動機(jī)驅(qū)動(EV Drive、Hybrid Drive和Engine Drive)三種運行模式。

圖79 插電式混合動力系統(tǒng)的框圖

圖80 插電式混合動力系統(tǒng)的運行模式

2.再生協(xié)調(diào)期間的制動感覺

如上所述，再生協(xié)調(diào)功能執(zhí)行再生制動力和摩擦制動力的協(xié)調(diào)分配以產(chǎn)生駕駛員所需的制動力。再生制動力的上限根據(jù)動力傳動系統(tǒng)運行模式等因素隨時變化，如電池存儲狀態(tài)。它還受系統(tǒng)響應(yīng)、通信延遲等因素的影響。為了獲得良好的制動感覺，在進(jìn)行協(xié)調(diào)分配時，除了考慮穩(wěn)態(tài)特性之外，還考慮到瞬態(tài)特性。因此，摩擦制動力的控制需要高度精確、高度響應(yīng)的制動壓力控制，該控制足以補(bǔ)償再生制動力的瞬時過量或不足。

電動伺服制動系統(tǒng)中的制動壓力產(chǎn)生單元，如圖78中所示，由帶減速齒輪、滾珠絲杠和從動缸的無刷電機(jī)構(gòu)成。此外，制動壓力控制單元，如圖81顯示，由具有前饋和反饋的液壓控制配置。這些部件的配置實現(xiàn)了高精度、高響應(yīng)的制動壓力控制。這就是為什么可以通過摩擦制動力來補(bǔ)償由于動力傳動系狀態(tài)變化而發(fā)生的再生制動力的瞬時過量或不足的原因。在再生與摩擦制動協(xié)調(diào)期間PHEV運行模式轉(zhuǎn)換的測試數(shù)據(jù)如圖82。當(dāng)切換動力傳動系統(tǒng)運行模式導(dǎo)致再生制動力波動時，實際減速度為恒定減速度要求。這表明再生制動力的變化時可以通過摩擦制動力來彌補(bǔ)。通過以上實現(xiàn)了良好、穩(wěn)定的制動感覺。

圖81 制動壓力控制框圖

圖82 再生制動與摩擦制動協(xié)調(diào)測試結(jié)果

3.失速協(xié)同控制

如圖83所示，車輛在傾斜道路上停滯，車輛驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動力與坡度路面的坡度處于平衡狀態(tài)，驅(qū)動電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)(電機(jī)停止轉(zhuǎn)動)。如果這種停轉(zhuǎn)情況持續(xù)下去，構(gòu)成電力傳動系統(tǒng)的電機(jī)線圈和驅(qū)動電路就會產(chǎn)生熱量，如果為了防止電力傳動系統(tǒng)過熱而降低驅(qū)動力，車輛將在傾斜的道路上倒退，從而降低可操作性。

圖83 動力傳動系在失速條件下產(chǎn)生的熱量

因此，開發(fā)了一種使用電動伺服制動系統(tǒng)來防止電力傳動系統(tǒng)過熱以及防止車輛在失速狀態(tài)下滑坡的失速協(xié)同控制，并應(yīng)用于PHEV。失速協(xié)同控制，如圖84所示。如果電動動力傳動系在失速狀態(tài)下發(fā)熱，則動力傳動系要求電動伺服制動系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦制動力。電動伺服制動系統(tǒng)通過摩擦制動力產(chǎn)生使車輛在傾斜路面上保持靜止所需的力，防止車輛后退。當(dāng)產(chǎn)生摩擦制動力時，動力傳動系關(guān)閉車輛驅(qū)動電機(jī)工作，從而促進(jìn)電力傳動系的冷卻并防止過熱。

圖84 失速協(xié)同控制圖

失速協(xié)同控制運行時的測試數(shù)據(jù)顯示在如圖85。當(dāng)電力傳動系統(tǒng)達(dá)到溫度閾值時，系統(tǒng)切換車輛驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動力和制動力之間的平衡程序，使車輛在傾斜的道路上保持靜止，同時防止電力傳動系統(tǒng)過熱。提高車輛在傾斜道路上的可操作性。

圖85 失速協(xié)同控制的測試結(jié)果

4.再生自適應(yīng)巡航控制

自適應(yīng)巡航控制(ACC)是一種使用雷達(dá)傳感器來監(jiān)控目標(biāo)車輛與前方車輛之間距離的功能。為了保持固定距離，車輛會自動加速和減速。該功能是由ACC控制單元對車輛之間的距離進(jìn)行監(jiān)控并發(fā)出加速和減速指令。加速由發(fā)動機(jī)ECU處理，減速由施加制動壓力的VSA單元處理。然而，VSA單元施加的制動壓力都算作摩擦損失，這是增加EV和HEV油耗的一個因素。因此，配備電動伺服制動系統(tǒng)的車輛能夠在ACC運行時使用再生制動實現(xiàn)，達(dá)到與ACC未運行時相同的油耗性能。這里的問題是如何在ACC減速時適當(dāng)區(qū)分使用再生制動和摩擦制動。在配備有電動伺服制動系統(tǒng)的車輛中，通過讓ACC單元發(fā)出制動力指令來解決這個問題，該制動力是再生制動和摩擦制動的總和。電動伺服制動系統(tǒng)接到該指令后，相應(yīng)地分配再生制動和摩擦制動。這種方法能夠在不改變傳統(tǒng)系統(tǒng)的ACC單元和發(fā)動機(jī)外圍的通信接口的情況下實現(xiàn)能量再生的制動目的。再生制動功能的接口配置如圖86，ACC能量再生的測試數(shù)據(jù)如圖87。

圖86 ACC控制框圖

圖87 再生制動與ACC實驗數(shù)據(jù)

5.電動伺服制動系統(tǒng)的坡道起步輔助

坡道起步輔助(HSA)是當(dāng)車輛在陡峭的斜坡上停止而需要重新起步上坡時，交替操作制動踏板和油門踏板。為了防止松開制動踏板時車輛后退，HSA在檢測到車輛在傾斜路面上起步時保持一定時間的制動壓力，并在踩下油門踏板時松開制動。EV或PHEV車輛，驅(qū)動電機(jī)會減弱前進(jìn)驅(qū)動力而緩行后退，但是當(dāng)車輛通過摩擦制動力保持靜止，最常見的是將爬行力限制為零，以減少電動蠕變力引起的功率損失。因此，從坡道上坡起步時的操作性的觀點來看HSA是必不可少的。在過去，這個功能是由VSA單元通過維持制動壓力來實現(xiàn)的，然而，當(dāng)HSA啟動時，這會導(dǎo)致電磁閥啟動噪音干擾，并導(dǎo)致制動感覺發(fā)生變化。所以決定HSA功能將由配備該系統(tǒng)的車輛中的電動伺服制動系統(tǒng)執(zhí)行，而不是由VSA單元執(zhí)行。當(dāng)松開制動踏板時，通常制動壓力產(chǎn)生單元工作以使從動缸活塞返回其初始位置。但是，電動伺服制動系統(tǒng)要執(zhí)行HSA操作時，系統(tǒng)會改為保持從動缸活塞的位置，直到踩下油門踏板，然后系統(tǒng)將活塞返回到初始位置。

電伺服制動系統(tǒng)HSA運行試驗數(shù)據(jù)如圖88所示，這只不過是錯開從動缸活塞返回初始位置的時間，系統(tǒng)基本操作與HSA不工作時相同，因此不會產(chǎn)生特殊的啟動噪音。此外，踏板力由踏板感覺模擬器不斷產(chǎn)生，踏板感覺不會因HSA操作而改變，保持著制動壓力。通過這種方式，該系統(tǒng)能夠防止車輛在上坡道路上起步時發(fā)生后退，而且不會讓駕駛員在HSA運行時感到任何陌生感。

圖88 電動伺服制動系統(tǒng)HSA實驗數(shù)據(jù)

6.結(jié)論

電動伺服制動系統(tǒng)采用獨立的踏板操作單元和制動壓力產(chǎn)生單元，使得摩擦制動力的增減不影響踏板力。除了再生協(xié)調(diào)和其他此類減速控制之外，使用高精度、高響應(yīng)性的執(zhí)行器還有助于應(yīng)用在車輛駕駛輔助系統(tǒng)的自動增壓功能。綜上所述，這里涉及的主要技術(shù)有：

(1)通過適當(dāng)分配摩擦制動力，即使在PHEV的各種不同驅(qū)動模式下的再生制動力，也能獲得良好而穩(wěn)定的制動感覺。

(2)通過失速協(xié)同控制，防止驅(qū)動電機(jī)和動力驅(qū)動裝置過熱，提高斜坡路面失速狀態(tài)下的可操作性。

(3)自適應(yīng)巡航控制跟車時，通過再生制動減速，同樣提高了燃料消耗經(jīng)濟(jì)性。

(4)不通過VSA操作，而是通過采用電動伺服制動系統(tǒng)坡道起步輔助功能，實現(xiàn)了在上坡道路上起步時防止倒車，不會讓駕駛員因HSA操作而感到任何陌生感。

電動伺服制動系統(tǒng)為PHEV開發(fā)了各種新的增壓功能。可實現(xiàn)高度可控、平穩(wěn)、自然的制動，它不僅限于PHEV，還將能夠滿足未來對電動汽車自動化制動壓力的精確控制的日益增長需求。并且有助于在進(jìn)一步降低油耗和提高制動裝置價值之間取得平衡。