陳志成，吳 堅，趙 健，何 睿，齊世遷

(吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130022)

前言

隨著新能源汽車和智能汽車的不斷發(fā)展，人們對制動系統(tǒng)提出了新的要求[1]。一方面既希望制動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)踏板力和車輪制動力之間的解耦，保持良好的踏板感覺來實現(xiàn)制動能量回收的需求，又希望實現(xiàn)高精度、快響應(yīng)的汽車四輪制動力獨立調(diào)節(jié)的目的；另一方面，需要制動系統(tǒng)具備主動制動功能，以適應(yīng)緊急制動等智能輔助駕駛系統(tǒng)的需求。

現(xiàn)有新能源汽車的制動系統(tǒng)主要是采用真空助力器和電動真空泵結(jié)合，這種形式的制動系統(tǒng)未能很好地實現(xiàn)踏板力與車輛制動力之間的解耦和制動能量回收的功能。另外，電動真空泵和真空儲能機(jī)構(gòu)的體積和噪聲較大，且難以和其他底盤電子控制系統(tǒng)集成。因此，近年來各汽車廠商陸續(xù)推出了電動助力制動系統(tǒng)，如日本日立公司推出的e-ACT和博世公司推出的iBooster等，這類制動系統(tǒng)具備變助力比功能，能提供較好的駕駛感受、實現(xiàn)部分能量回收和主動制動功能。然而，該類制動系統(tǒng)仍然無法實現(xiàn)踏板力與車輛制動力之間的解耦及單輪制動力調(diào)節(jié)，要實現(xiàn)上述功能，需要額外添加器件，增加系統(tǒng)的復(fù)雜度[2-3]。

線控制動系統(tǒng)作為未來汽車制動系統(tǒng)的發(fā)展方向，能夠很好地解決上述問題，目前它主要包括電子液壓制動(electronic hydraulic brake，EHB)和電子機(jī)械制動(electronic mechanical brake，EMB)[4]。 這兩種制動系統(tǒng)各有優(yōu)勢，也都有各自的缺點。二者相比較，EMB是更優(yōu)的方案，它不以制動液為工作介質(zhì)，控制響應(yīng)更加迅速精確[5]，但其制動力能力依賴于較大的驅(qū)動功率，必須配備42V電源系統(tǒng)，更為關(guān)鍵的是，EMB系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)行法規(guī)對制動系統(tǒng)失效備份的需求，因此，雖然國內(nèi)外企業(yè)與高校均研發(fā)EMB原理樣機(jī)[6-7]，如博世、阿基波羅、漢陽大學(xué)等，但還不具備進(jìn)入市場的條件。而EHB制動系統(tǒng)雖仍然保留了制動液，系統(tǒng)布置復(fù)雜，連續(xù)制動時，由于高壓蓄能器壓力的衰減，維持響應(yīng)速度與精度能力均不及EMB，但它基于傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)，易于實現(xiàn)失效備份[8-9]，目前已實現(xiàn)應(yīng)用，如2003年BOSCH首次推出了裝在E-Class 4matic型車上的四輪驅(qū)動 SBC，韓國 Mando公司，Continental Teves公司，TRW公司等都在EHB系統(tǒng)的開發(fā)中取得進(jìn)展，并向通用、福特、戴姆勒-克萊斯勒公司等汽車廠家供貨[10]。

因此，將兩種制動系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，在前軸采用EHB系統(tǒng)，后軸采用EMB系統(tǒng)，可有效發(fā)揮兩種制動系統(tǒng)的優(yōu)勢。前輪采用EHB系統(tǒng)可實現(xiàn)前輪單輪制動力調(diào)節(jié)，同時靠裝于前軸的EHB實現(xiàn)制動失效備份以滿足現(xiàn)行法規(guī)要求；后輪采用EMB可縮減制動管路的長度，消除壓力控制過程中由于管路過長帶來的不確定性，同時能夠方便地實現(xiàn)電子駐車制動(electrical park brake，EPB)[11]。

對于混合制動系統(tǒng)，大陸公司提出前軸采用傳統(tǒng)真空助力器和配備液壓控制單元的液壓制動系統(tǒng)，后輪采用EMB結(jié)構(gòu)形式的EHC(electric hydraulic combi，EHC)制動系統(tǒng)[5]；韓國萬都公司和漢陽大學(xué)合作開發(fā)了前輪為傳動的帶有電子液壓控制單元的液壓制動，后輪為楔塊式電子機(jī)械制動系統(tǒng)組成的混合制動系統(tǒng)[12]；最近Brembo公司宣布2020年前量產(chǎn)線控制動系統(tǒng)，發(fā)布的方案也為前輪采用EHB，后輪EMB的布置形式[13]。

本文中基于上述問題，提出將EHB和EMB的制動系統(tǒng)組合形成一種比較理想的混合線控制動系統(tǒng)(hybrid brake by wire system，HBBW)，并基于dSPACE Autobox和CarSim搭建了HBBW系統(tǒng)的硬件在環(huán)(hardware-in-the-loop，HiL)試驗平臺，研究了EHB和EMB的壓力跟隨PI控制算法，使其制動力能快速準(zhǔn)確地跟隨目標(biāo)制動力，并據(jù)此提出了混合制動系統(tǒng)的制動力精確調(diào)節(jié)PI控制算法，進(jìn)行了HiL與算法驗證。

1 混合線控制動系統(tǒng)搭建

本文中提出的HBBW系統(tǒng)總體布置方案如圖1所示，系統(tǒng)采用前輪EHB，后輪EMB的結(jié)構(gòu)布置。前輪EHB模塊由EHB控制器、車輪制動器、液壓控制單元(hydraulic control unit，HCU)、制動主缸、踏板感覺模擬器和儲液罐組成[14]；后輪EMB模塊每個車輪上有一個，由單獨的EMB控制器EMB ECU和一個EMB執(zhí)行器組成[15]。系統(tǒng)裝備有一個中央控制器HBBW ECU實現(xiàn)壓力控制。

圖1 混合線控制動系統(tǒng)總體布置方案

系統(tǒng)工作流程如下：(1)駕駛員踩下制動踏板，主缸中的制動液進(jìn)入踏板感覺模擬器形成與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)相同的踏板感覺；(2)HBBW ECU采集制動踏板位移傳感器和主缸壓力等信息識別駕駛員的制動意圖，根據(jù)前后輪理想制動力分配曲線給出前后輪制動力；(3)前輪制動由EHB實現(xiàn)，EHB控制器集成于HBBW ECU中，它控制電動泵抽取儲液罐中的制動液，向高壓蓄能器注入制動液作為高壓壓力源，通過電磁閥控制制動液流入流出制動器實現(xiàn)壓力跟隨；(4)后輪制動由EMB實現(xiàn)，HBBW ECU通過CAN向EMB ECU發(fā)出制動力控制指令，EMB ECU作為底層控制器驅(qū)動EMB執(zhí)行器實現(xiàn)后輪制動力控制；(5)在HBBW ECU中，還可集成 EBD/ABS/ESP等控制算法。

當(dāng)系統(tǒng)失效時，啟動制動失效備份，如圖2所示。后輪EMB不再工作，前輪EHB恢復(fù)電磁閥初始狀態(tài)，踏板感覺模擬器前端電磁閥和增減壓電磁閥關(guān)閉，兩隔離閥打開，電機(jī)不再工作。駕駛員通過制動踏板經(jīng)主缸直接作用于前輪輪缸形成制動力，實現(xiàn)制動。

圖2 EHB制動失效備份原理圖

該系統(tǒng)既能充分發(fā)揮兩種制動系統(tǒng)的優(yōu)勢，又能彌補(bǔ)各自的不足。為提高控制響應(yīng)速度與精度時，在前軸裝EHB，實現(xiàn)制動失效備份以滿足現(xiàn)行法規(guī)要求；另外，由于后軸EMB所需的制動力矩相對較小，現(xiàn)有的12V車載電源系統(tǒng)滿足其功率需求。

2 HBBW制動力調(diào)節(jié)控制算法

2.1 HBBW前后輪制動力分配

HBBW在對前后輪進(jìn)行制動力精確調(diào)節(jié)之前，需要識別駕駛員的制動行為，圖3為HBBW前后輪制動力分配框圖。駕駛員踩下制動踏板，位移傳感器和主缸壓力信號分別采集信號輸送給HBBW ECU，HBBW ECU通過對傳感器的信號采集分析識別出駕駛員的制動意圖，經(jīng)整車控制算法，根據(jù)汽車制動過程中的不同需求，如ABS，ESP和EBD等算法開啟和關(guān)閉給出前后輪的目標(biāo)制動壓力。

圖3 HBBW前后輪制動力分配框圖

為能精確而快速地調(diào)節(jié)前后輪制動壓力，EHB和EMB應(yīng)滿足：

(1)EHB系統(tǒng)達(dá)到14MPa的輪缸壓力的增壓時間小于200ms，超調(diào)量小于1%，能較好地跟隨正弦調(diào)制壓力跟隨曲線，適應(yīng)制動系統(tǒng)調(diào)壓功能；

(2)EMB系統(tǒng)達(dá)到12kN的制動器制動力的增力時間小于500ms，超調(diào)量小于5%，能較好地跟隨正弦調(diào)制夾緊力跟隨曲線，適應(yīng)制動系統(tǒng)調(diào)節(jié)夾緊力功能。

本文中以整車EBD控制算法對HBBW制動力調(diào)節(jié)控制算法進(jìn)行驗證，如圖4所示。首先根據(jù)制動踏板位移和主缸壓力等信息識別駕駛員的制動意圖，通過提前設(shè)定的主缸壓力與前輪輪缸壓力之間的關(guān)系曲線，給出前輪輪缸的目標(biāo)壓力值p?(駕駛員目標(biāo)壓力)，通過EHB執(zhí)行器來調(diào)節(jié)前輪的制動壓力。而對于后輪的制動壓力則通過后輪的滑移率控制器來調(diào)節(jié)后輪與前輪之間的相對滑移率。后輪滑移率控制器根據(jù)前輪輪速和后輪輪速的差值，輸出目標(biāo)制動器制動力給EMB控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)后輪的制動力的大小，保證前后輪的角速度一致，達(dá)到車輪抱死時前后車輪同時抱死的目的，可表示為

圖4 混合線控制動系統(tǒng)EBD控制框圖

式中：為EMB目標(biāo)制動力；為前輪角速度；ωrw為后輪角速度；Kw-p和Kw-i為后輪滑移率PI控制器的參數(shù)。

2.2 前輪EHB壓力調(diào)節(jié)控制算法

對于EHB系統(tǒng)輪缸壓力的控制，關(guān)鍵在于對線性增減壓閥的控制。本文中所選的EHB系統(tǒng)前輪的增減壓閥均為常閉閥，圖5為EHB輪缸壓力跟隨控制算法框圖。為防止電磁閥過于頻繁動作，設(shè)定一個保壓壓力門限值ε(ε＞0)，控制過程如下：設(shè)p?為目標(biāo)輪缸壓力，p為實際輪缸壓力，則當(dāng)p-p?＜-ε時，減壓閥關(guān)閉，控制增壓閥提升輪缸壓力；當(dāng)-ε≤p-p?≤ε時，增減壓電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)p-p?≥ε時，增壓閥關(guān)閉，控制減壓電磁閥，降低輪缸壓力。在保證輪缸壓力跟隨中壓力誤差較小和減少電磁閥開關(guān)頻繁的前提下，通過試驗標(biāo)定選取ε為0.05MPa。

圖5 EHB輪缸壓力跟隨控制框圖

對線性電磁閥的控制由電磁閥電流環(huán)PI控制器和輪缸壓力環(huán)PI控制器組成，其中輪缸壓力環(huán)PI控制器根據(jù)目標(biāo)輪缸壓力和實際輪缸壓力的差值算得增減壓電磁閥的目標(biāo)電流：

式中：為增壓閥目標(biāo)電流；為減壓閥目標(biāo)電流；Kp-p1，Kp-p2，Kp-i1和Kp-i2為壓力環(huán) PI控制器的參數(shù)。

電流PI控制器根據(jù)線性電磁閥的目標(biāo)電流與實際線性電磁閥的電流差值算得調(diào)節(jié)電磁閥的線圈電壓，再換算成PWM控制線性電磁閥開度：

式中：PWMin為增壓閥控制信號；PWMout為減壓閥控制信號；Iin為實際增壓閥電流；Iout為實際減壓閥電流；KC-p1，KC-p2，KC-i1和KC-i2為電流環(huán) PI控制器的參數(shù)。

2.3 后輪EMB制動力調(diào)節(jié)控制算法

對于EMB系統(tǒng)的輪缸壓力控制，關(guān)鍵在于對EMB執(zhí)行器電機(jī)的控制。本文中所選取的EMB執(zhí)行器電機(jī)為無刷直流電機(jī)(brushless direct current motor，BLDC)。

對BLDC的控制由電機(jī)的電流環(huán)PI控制器、轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器和夾緊力環(huán)PI控制器組成，如圖6所示。其中夾緊力環(huán)PI控制器根據(jù)目標(biāo)制動力和實際制動力的差值算得電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，可表示為

式中：為電機(jī)目標(biāo)角速度；Fcl為實際制動力；KF-p和KF-i為夾緊力環(huán)PI控制器的參數(shù)。

圖6 EMB制動力跟隨串聯(lián)三閉環(huán)控制框圖

電機(jī)轉(zhuǎn)速PI控制器根據(jù)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實際電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差計算得到電機(jī)的目標(biāo)控制電流，可表示為

式中：i?為電機(jī)的目標(biāo)控制電流；ωm為電機(jī)的實際角速度；KN-p和KN-i為轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器的參數(shù)。

電機(jī)電流PI控制器根據(jù)電機(jī)的控制電流與實際電機(jī)的電流差值算得電機(jī)的控制PWM信號：

式中：PWMm為電機(jī)的控制PWM信號；i為電機(jī)的實際電流；KC-p和KC-i表示電流環(huán)PI控制器的參數(shù)。PWMm控制BLDC在制動器上形成的制動力。

3 HiL試驗臺搭建

為驗證混合線控制動系統(tǒng)制動力精確調(diào)節(jié)控制算法的準(zhǔn)確性，搭建了硬件在環(huán)試驗臺，如圖7所示。整個試驗臺架主要由上位機(jī)Host PC單元，下位機(jī)控制器單元，驅(qū)動器單元和執(zhí)行器單元4部分組成。

圖7 HBBW硬件在環(huán)試驗簡圖

HBBW硬件在環(huán)試驗說明如下。

(1)上位機(jī)Host PC單元通過Ethernet與Micro-AutoBox連接，將Matlab/Simulink的控制模型載入控制器中，在上位機(jī)Controldesk界面中實時觀測控制器所采集和發(fā)送的信號；通過 ISA Bus與Simulator連接，將CarSim整車動力學(xué)模型載入Simulaor，進(jìn)行半實物聯(lián)合仿真試驗。

(2)MicroAutoBox與 Simulator之間用 CAN通信，Simulator將車輛模型的實時車速、輪速、滑移率等信息發(fā)送給MicroAutoBox，MicroAutoBox將采集到的兩前輪輪缸壓力、兩后輪制動鉗體夾緊力發(fā)送給Simulator；MicroAutoBox采集 Rapidpro的電流、電壓信號，并向Rapidpro發(fā)送PWM信號，控制Rapidpro對執(zhí)行器的電壓輸出；MicroAutoBox采集壓力、兩后輪夾緊力、踏板位移和電機(jī)轉(zhuǎn)角等信號。

(3)一個Rapidpro控制HCU和踏板感覺模擬器前端的電磁閥；一個Rapidpro控制EMB執(zhí)行電機(jī)BLDC。

(4)HCU控制電磁閥通斷，在兩前輪輪缸形成壓力，推動活塞夾緊制動盤，兩前輪形成目標(biāo)制動力；EMB通過傳動機(jī)構(gòu)推動制動鉗體夾緊制動盤，兩后輪形成目標(biāo)制動力。

圖8為HBBW硬件在環(huán)試驗臺實物圖，試驗車輛主要參數(shù)見表1。

圖8 混合線控制動系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗臺實物圖

表1 HBBW硬件在環(huán)測試整車部分參數(shù)

4 HiL試驗臺測試

4.1 EHB壓力跟隨控制策略試驗驗證

在進(jìn)行EHB壓力跟隨控制策略實驗驗證過程中控制高壓蓄能器壓力范圍為16～20MPa。圖9為EHB系統(tǒng)輪缸壓力2，6，10和14MPa的階躍響應(yīng)試驗曲線。從圖中可以清楚地看出，階躍響應(yīng)的響應(yīng)時間較快、超調(diào)量較小。當(dāng)EHB系統(tǒng)達(dá)到14MPa的輪缸壓力的增壓時間約為 140ms，超調(diào)量為0.589%，滿足前面提出的使用性能指標(biāo)。

圖9 EHB系統(tǒng)輪缸壓力跟隨階躍響應(yīng)試驗曲線

圖10為EHB系統(tǒng)對輪缸壓力進(jìn)行正弦調(diào)制的跟隨曲線，虛線為目標(biāo)輪缸正弦壓力曲線，實線為實際輪缸壓力曲線。從圖中可以看出，雖兩者皆基本滿足使用要求，但圖10(a)的小偏移量和大調(diào)制量其壓力跟隨效果較好，而圖10(b)的大偏移量和小調(diào)制量其壓力跟隨效果欠佳。

圖10 EHB系統(tǒng)輪缸壓力跟隨正弦實驗曲線

4.2 EMB壓力跟隨控制策略試驗驗證

圖11為EMB系統(tǒng)制動器制動力4，8和12kN的階躍響應(yīng)試驗曲線。從圖中可以清楚看出，階躍響應(yīng)的響應(yīng)時間較快、超調(diào)量較小。當(dāng)EMB系統(tǒng)達(dá)到12kN的制動鉗體制動力的增力時間約為420ms，超調(diào)量為3.667%，滿足前面提出的使用性能指標(biāo)。

圖12為EMB系統(tǒng)對制動器制動力進(jìn)行正弦調(diào)制的跟隨曲線，虛線為目標(biāo)正弦制動器制動力曲線，實線為實際制動器制動力曲線。由圖可見，大小不同的制動力調(diào)制量，其制動力跟隨效果均能達(dá)到使用要求。

圖11 EMB系統(tǒng)輪制動器制動力跟隨階躍響應(yīng)試驗曲線

圖12 EMB系統(tǒng)制動器制動力跟隨正弦試驗曲線

4.3 HBBW制動力跟隨控制策略試驗驗證

試驗結(jié)果如圖13所示。圖13(a)～圖13(c)的試驗工況為在路面附著系數(shù)為0.7的均一附著路面上車輛以初速度80km/h行駛，發(fā)動機(jī)油門關(guān)閉后，在車速為77km/h時駕駛員開始制動，駕駛員的目標(biāo)增壓速率為6MPa/s。其中，圖13(a)未采用任何算法；圖13(b)啟用EBD控制算法；而圖13(c)為EBD/ABS控制算法。由圖可見：圖13(a)未加控制時，后車輪先于前車輪抱死，前后車輪的制動力處于一定比例并保持穩(wěn)定；圖13(b)開啟EBD控制算法后，后輪制動力有所下降并與前車輪保持一定比例，控制前后車輪同時抱死；圖13(c)開啟EBD/ABS控制算法后，前后車輪輪速趨近于整車車速，前后車輪制動力比單一的EBD控制算法都有所減少，且保持車輪滑移率穩(wěn)定在目標(biāo)滑移率附近。圖13(d)工況為在路面附著系數(shù)為0.4的均一附著路面上車輛以初速度60km/h行駛，EBD控制算法關(guān)閉，發(fā)動機(jī)油門關(guān)閉后在車速為57km/h時駕駛員開始制動，目標(biāo)增壓速率為4MPa/s。由圖可見，前后車輪輪速趨近于整車車速，前后車輪制動力保持在一定值控制車輪滑移率穩(wěn)定在目標(biāo)滑移率附近。這4組試驗前輪EHB的制動力均能精確、快速地跟隨前輪EHB駕駛員目標(biāo)制動力，后輪EMB執(zhí)行器制動力均能精確、快速地跟隨由前后輪滑移率差值控制器給出的后輪目標(biāo)制動力。試驗結(jié)果表明，混合線控制動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)四輪壓力的精確調(diào)節(jié)。

圖13 HBBW高、中、低強(qiáng)度制動車輛的狀態(tài)曲線

5 結(jié)論

根據(jù)電動智能汽車對制動系統(tǒng)提出的新要求，本文中設(shè)計了一款新型混合線控制動系統(tǒng)HBBW?；贖BBW開發(fā)了前后輪制動力精確跟隨控制算法，并進(jìn)行了HiL試驗驗證。結(jié)果表明：前輪EHB和后輪EMB系統(tǒng)均能達(dá)到設(shè)計的響應(yīng)要求，較好跟隨目標(biāo)壓力；通過整車制動力分配算法，能實現(xiàn)對前后車輪制動力的精確調(diào)節(jié)，滿足整車制動力分配的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]AHN JK，JUNG K H，KIM D H，et al.Analysis of a regenerative braking system for system for hybrid electric vehicles using an electro-mechanical brake[J].International Journal of Automotive Technology， 2009， 10(2)：229-234.

[2]OSHIMA T，F(xiàn)UJIKI N，NAKAO S，et al.Development of an electrically driven intelligent brake system[J].SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems，2011， 4(1)： 399-405.

[3]Intelligent control boosts braking power[EB/OL].[20171110].http：//www.bosch.co.jp/en/press/group-1306-13.asp.

[4]張猛，宋健.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，(2)：208-211.

[5]NEUNZIGD，LINHOFFP.Electric hydraulic combi braking system(EHC)-bringing day brake by wire into the market[C].IQPC 5th Int′l Congress： Intelligent Brakig 2009，11.

[6]KO Jiweon， KO Sungyeon， SON Hanho， et al.Development of brake system and regenerative braking cooperative control algorithm for automatic-transmission-based hybrid electric vehicles[J].IEEE， 2015，2： 431-440.

[7]PETERSEN Idar.Wheel slip control in ABS brakes using gain scheduled optimal control with constrains[D].Norway：Norwegian University，2003.

[8]余卓平，韓偉，徐松云.電子液壓制動系統(tǒng)壓力控制發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報，2017，53(14)：1-15.

[9]林逸，沈沉，王軍.汽車線控制動技術(shù)及發(fā)展[J].汽車技術(shù)，2005(12)：1-3.

[10]楊萬慶.電子液壓制動系統(tǒng)EHB綜述[J].城市車輛，2007(6)：43-45.

[11]SZKUCIK Dawid.Hybrid commercial vehicle(HCV)deliverable D2300.1[R].UK：Paravizzini Pier Paolo， 2013，1-39.

[12]KIM Joo Gon， KIM Myoung June， CHUN Jae Hyung.ABS/ESC/EPB control of electronic wedge brake[C].SAE Paper 2010-01-0074.

[13]WEISSLER Paul.Brembo brake-by-wire will be production-ready before.2020[EB/OL].[20160324].http：//www.sae.org.cn/articles/14570.

[14]姚波，曲萬達(dá)，何耀華.汽車電子液壓制動系統(tǒng)[J].客車技術(shù)與研究，2007(2)：25-26.

[15]張猛.電子機(jī)械制動系統(tǒng)(EMB)簡介[J].汽車電器，2005(6)：3-5.