劉長(zhǎng)運(yùn)

(萬(wàn)向錢潮股份有限公司技術(shù)中心 杭州 311215)

0 引 言

電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)(EPB)是將傳統(tǒng)手動(dòng)駐車制動(dòng)系統(tǒng)電子化、智能化的產(chǎn)品，可以節(jié)省駕駛室空間，使駕駛員駐車過(guò)程變得更便捷.而且，由于單片機(jī)系統(tǒng)和控制軟件的加入，使EPB系統(tǒng)可以擴(kuò)展出多種自動(dòng)功能.同時(shí)，EPB系統(tǒng)也可在行車液壓制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，提供滿足制動(dòng)減速度和行駛穩(wěn)定性要求的動(dòng)態(tài)緊急制動(dòng)功能.因此，EPB系統(tǒng)比傳統(tǒng)手動(dòng)駐車制動(dòng)系統(tǒng)具有革命性的進(jìn)步，是駐車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷史上的一次里程碑.

EPB產(chǎn)品最早出現(xiàn)于1998年，由美國(guó)TRW公司最先提出概念并成功研發(fā)，于2001年最先配備在菲亞特中高級(jí)轎車上Lancia[1]，2007年第一個(gè)國(guó)產(chǎn)化的EPB項(xiàng)目在中國(guó)SOP.截止到2009年，TRW公司EPB系統(tǒng)的銷量己經(jīng)突破了1 000萬(wàn)套，占據(jù)了全球一半的市場(chǎng)份額，至2014年TRW EPB產(chǎn)品總銷售量達(dá)到5 000萬(wàn)套， 2014年全年的銷售量己經(jīng)達(dá)到1 280萬(wàn)套，已逐漸成為乘用車必備的舒適性、安全性配置，2017年9月7日，采埃孚公司生產(chǎn)的第一億件EPB下線，成為全球首家EPB系統(tǒng)產(chǎn)量過(guò)億的供應(yīng)商.在國(guó)內(nèi)，不但EPB逐漸成為主流乘用車的重要配置，而且自主品牌制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商也早已開(kāi)始EPB的研發(fā)，不少企業(yè)的EPB已經(jīng)批量化上市，逐漸成為主流供應(yīng)商之一.

EPB除了具備手動(dòng)駐車/解駐、自動(dòng)駐車/解駐、動(dòng)態(tài)緊急制動(dòng)、Autohold(停車自動(dòng)保持功能，需要與ESC系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn))等功能外，還可有效防止車輛駐車后的溜車現(xiàn)象，稱為再夾功能[2].EPB具備的再夾功能主要包括滾動(dòng)再夾和熱盤再夾兩種，其中滾動(dòng)再夾需要ABS/ESC系統(tǒng)配合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪速傳感器脈沖信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到輪速脈沖計(jì)數(shù)值發(fā)生變化后，識(shí)別為車輪出現(xiàn)滾動(dòng)，從而再次夾緊制動(dòng)盤至目標(biāo)夾緊力，防止溜車距離過(guò)大.

熱盤再夾同滾動(dòng)再夾相比較的優(yōu)點(diǎn)是：熄火并且駐車完成后不需要ABS/ESC系統(tǒng)提供信號(hào)，ABS/ESC控制器可進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，也可以根據(jù)需要縮短EPB控制器熄火后進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)的延遲時(shí)間；另外滾動(dòng)再夾是在車輛溜車后才能觸發(fā)，只能防止溜車距離過(guò)大，而熱盤再夾可在溜車發(fā)生前觸發(fā)，在車輛距離其他車輛或物體較近位置停車工況時(shí)的安全性更高.考慮到目前整車面臨的用電設(shè)備增多和蓄電池容量之間的矛盾，以及完全避免溜車的需求，熱盤再夾功能是有必要的，需要其在有限輸入?yún)?shù)的前提下，達(dá)到一定的參數(shù)計(jì)算精度并保證功能的可靠性.

熱盤再夾的基本工作原理為：車輛進(jìn)行了連續(xù)制動(dòng)后，制動(dòng)盤溫度較高，EPB完成駐車后，會(huì)依據(jù)內(nèi)部的溫度估算模型對(duì)制動(dòng)盤溫度進(jìn)行估算，因?yàn)榭ㄣQ與制動(dòng)盤熱變形，從高溫狀態(tài)冷卻到后，會(huì)對(duì)駐車制動(dòng)夾緊力產(chǎn)生一定的影響，所以在一定時(shí)間后，EPB控制器將進(jìn)行再夾緊動(dòng)作，重新將駐車制動(dòng)力補(bǔ)償?shù)剿枰闹?，避免發(fā)生車輛溜車.

基于現(xiàn)有EPB系統(tǒng)的成本和相關(guān)傳感器的發(fā)展，通過(guò)直接監(jiān)測(cè)電子卡鉗的夾緊力或者溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)熱盤再夾功能還不現(xiàn)實(shí).這就需要針對(duì)EPB配套的車型，對(duì)制動(dòng)盤的溫度和夾緊力進(jìn)行建模，并在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)估算夾緊力衰減情況，使用估算的夾緊力和當(dāng)前坡道上所需夾緊力進(jìn)行比較，確定是否需要觸發(fā)系統(tǒng)的熱盤再夾功能.

1 熱盤計(jì)算模型

1.1 溫度計(jì)算

1.1.1熱盤計(jì)算過(guò)程

EPB的熱盤再夾過(guò)程，需要的處理步驟包括：①根據(jù)車輛行駛過(guò)程參數(shù)，主要包括車速、車輛減速度，根據(jù)溫升模型[3-5]和溫降模型[6-9]計(jì)算制動(dòng)盤的實(shí)時(shí)溫度；②駐車開(kāi)始時(shí)，根據(jù)夾緊力需求模型和當(dāng)前坡度信號(hào)，結(jié)合控制策略計(jì)算所需夾緊力，并換算為所需夾緊電流；③駐車完成后，根據(jù)夾緊力模型和實(shí)際關(guān)斷電流，計(jì)算實(shí)際初始夾緊力，記錄當(dāng)前夾緊力和制動(dòng)盤溫度值；④根據(jù)溫降模型計(jì)算駐車完成后的實(shí)時(shí)溫度，并根據(jù)夾緊力衰減模型[10-11]和上次駐車是記錄的夾緊力和溫度值計(jì)算當(dāng)前的實(shí)時(shí)夾緊力；⑤將衰減后的夾緊力和夾緊力需求進(jìn)行比較，前者小于后者時(shí)，觸發(fā)EPB再夾緊動(dòng)作，如當(dāng)前制動(dòng)盤估算溫度仍然高于門限，則再次記錄當(dāng)前夾緊力和制動(dòng)盤溫度值，并進(jìn)入下一次再夾緊計(jì)算過(guò)程[12-15].

1.1.2溫升計(jì)算

車輛制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)器通過(guò)摩擦產(chǎn)生摩擦力使車輛減速停車，整車動(dòng)能通過(guò)摩擦片與制動(dòng)盤摩擦轉(zhuǎn)化為熱量，熱量被制動(dòng)盤吸收，制動(dòng)盤溫度上升.溫升過(guò)程相關(guān)的變量包括車速 和減速度 ，其中車速由ABS/ESC系統(tǒng)采集并發(fā)送到CAN總線上，見(jiàn)表1.

整車實(shí)際減速度信號(hào)，ESC配置的車型，可由ESC系統(tǒng)采集并發(fā)送到CAN總線上，見(jiàn)表2.

表2 CAN總線上的加速度信號(hào)

溫升時(shí)的斜率dθr/dt是車輛速度、制動(dòng)減速度的函數(shù)，計(jì)算公式為

(1)

式中：mv為整車質(zhì)量；a為制動(dòng)時(shí)的車輛減速度；KF為前后軸的制動(dòng)力分配系數(shù)；λd為制動(dòng)盤參數(shù)相關(guān)的系數(shù)，計(jì)算公式為

λd=Kd/cd·md

(2)

其中：Kd為制動(dòng)能量被制動(dòng)盤吸收比例，cd為制動(dòng)盤的比熱容，md為制動(dòng)盤質(zhì)量；β(v)為制動(dòng)盤溫升與車速的關(guān)系函數(shù)，計(jì)算公式為

β(v)=(KL-v)·v/KL

(3)

其中：v為車輛速度；KL為車輛速度關(guān)聯(lián)溫升修正系數(shù).

1.1.3溫降模型

制動(dòng)盤溫降過(guò)程考慮傳導(dǎo)和輻射過(guò)程，溫降斜率計(jì)算公式為

[Kθ·(θ-θe)+K4θ4·(θ4-θ4e)]

(4)

式中：θ為制動(dòng)盤當(dāng)前溫度；θe為環(huán)境溫度；v為車輛速度；Kθ為熱傳導(dǎo)系數(shù)；Kθ4為熱輻射系數(shù)；Ad為制動(dòng)盤的冷卻面積.

1.2 夾緊力計(jì)算

1.2.1夾緊力衰減

夾緊力衰減特性與制動(dòng)器材料的熱膨脹系數(shù)、剛度等有關(guān)，分析相對(duì)較復(fù)雜.但是，在臺(tái)架上，可以方便地針對(duì)使用的制動(dòng)器的夾緊力衰減特性曲線進(jìn)行測(cè)試.夾緊力衰減使用實(shí)測(cè)模型，采用有理擬合公式計(jì)算夾緊力衰減值ΔFc，計(jì)算公式為

ΔFc=f(ΔTd)/g(ΔTd)

(5)

分子多項(xiàng)式：

f(ΔTd)=p1ΔT2d+p2ΔTd+p3

(6)

分母多項(xiàng)式：

g(ΔTd)=ΔT2d+q1ΔTd+q2

(7)

式中：p1，p2，p3，q1，q2為擬合系數(shù).

1.2.2夾緊力需求

夾緊力Fr計(jì)算公式為

Fr=MB/4μRe

(8)

式中：μ為制動(dòng)盤和摩擦片之間的摩擦系數(shù)；Re為制動(dòng)盤有效半徑；MB為駐車輪的制動(dòng)力矩，需滿足：

MB>Mc

(9)

式中：Mc為坡道上整車重量在駐車輪上產(chǎn)生的力矩，計(jì)算式為

Mc=mvgresinα

(10)

式中：g為重力加速度；re為輪胎滾動(dòng)半徑；α為路面坡度.

1.2.3駐車完成時(shí)的夾緊力

駐車完成時(shí)的夾緊力Flast的計(jì)算公式為

Flast=kclt·(Icut-Iidle)

(11)

式中：kclt為執(zhí)行機(jī)構(gòu)電流到夾緊力的轉(zhuǎn)換系數(shù)，與電機(jī)扭矩常數(shù)、齒輪箱減速傳動(dòng)比、絲杠行程以及整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率等參數(shù)相關(guān)；Icut為夾緊過(guò)程的關(guān)斷電流；Iidle為空轉(zhuǎn)電流，二者在駐車過(guò)程中通過(guò)電流傳感器和電流放大電路采集，分別定義見(jiàn)圖1.

圖1 駐車過(guò)程中的電流曲線

由圖1可知，空轉(zhuǎn)電流(Iidle)為曲線中間電機(jī)穩(wěn)定空載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間段內(nèi)的平均電流，關(guān)斷電流(Icut)為電機(jī)停止時(shí)刻前一個(gè)采樣周期的電流值.

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 溫度數(shù)據(jù)

2.1.1溫升數(shù)據(jù)

制動(dòng)盤的升溫?cái)?shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖2，測(cè)試工況：初始速度100 km/h；制動(dòng)減速度0.7g.圖中θcal為計(jì)算溫度，θreal為實(shí)測(cè)溫度.此過(guò)程為實(shí)車測(cè)試，受車輛實(shí)際控制減速度、風(fēng)速等條件影響，與理論計(jì)算曲線有所差別.最大偏差不超過(guò)15 ℃，且偏差隨降溫過(guò)程時(shí)間有增大趨勢(shì)，但理論計(jì)算的溫度偏大于實(shí)際溫度，是有利于容易最終觸發(fā)熱盤再夾的情況，可滿足防溜車的安全需求.

圖2 制動(dòng)盤的升溫曲線

2.1.2溫降數(shù)據(jù)

制動(dòng)盤的降溫?cái)?shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖3，測(cè)試工況：室內(nèi)臺(tái)架測(cè)試，無(wú)風(fēng)，環(huán)境溫度約25 ℃.圖中θcal為計(jì)算溫度，θreal為實(shí)測(cè)溫度.測(cè)試條件較理想，曲線中實(shí)際溫度與理論曲線相近，偏差隨降溫過(guò)程時(shí)間有增大趨勢(shì)(降到環(huán)境溫度附近時(shí)，誤差不會(huì)再累積)，但最大偏差不超過(guò)5 ℃，且理論計(jì)算值偏小于實(shí)際值，同樣有利于容易觸發(fā)熱盤再夾.實(shí)車運(yùn)行環(huán)境中，考慮風(fēng)速等條件影響會(huì)直接導(dǎo)致降溫加快，但這些條件無(wú)法獲得.因此，可在再夾緊觸發(fā)門限、駐車時(shí)的夾緊電流等參數(shù)上適當(dāng)增加安全系數(shù).

圖3 制動(dòng)盤的降溫曲線

由圖2～3可知，典型工況下，計(jì)算得到的制動(dòng)盤溫度與實(shí)測(cè)溫接近，由于計(jì)算當(dāng)前時(shí)間溫度需要以上一個(gè)執(zhí)行周期計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，隨溫升或溫降過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)，誤差會(huì)有逐漸累積趨勢(shì).通常的車輛使用場(chǎng)景下，制動(dòng)盤溫度上升且完成駐車后，駐車狀態(tài)會(huì)持續(xù)5 min以上，此時(shí)制動(dòng)盤溫度已接近環(huán)境溫度，溫度計(jì)算誤差不會(huì)繼續(xù)累積到下一次操作.而在車輛持續(xù)行駛過(guò)程中，若持續(xù)制動(dòng)，制動(dòng)盤溫度上升也會(huì)存在最高溫度導(dǎo)致不能正常駕駛；反之，則制動(dòng)盤溫度在大部分時(shí)間內(nèi)時(shí)接近環(huán)境溫度.總之，制動(dòng)盤溫度計(jì)算誤差的累積不會(huì)持續(xù)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間.EPB系統(tǒng)的熱盤再夾功能對(duì)制動(dòng)盤溫度計(jì)算精度的要求，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān).在電子卡鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)按照中大力情況下，動(dòng)作次數(shù)可超過(guò)10萬(wàn)次的壽命來(lái)進(jìn)行.針對(duì)熱盤再夾功能，可以傾向于容易觸發(fā)再夾緊且?jiàn)A緊時(shí)的電流適當(dāng)增大，從而適當(dāng)放寬對(duì)溫度計(jì)算精度的要求.這樣可以保證EPB系統(tǒng)熱盤再夾功能在防止溜車性能上，滿足設(shè)計(jì)要求.

2.2 夾緊力數(shù)據(jù)

2.2.1夾緊力衰減

EPB駐車后夾緊力隨制動(dòng)盤溫度下降的衰減曲線見(jiàn)圖4，測(cè)試工況同降溫?cái)?shù)據(jù)測(cè)試工況.圖中Fcal為計(jì)算夾緊力，F(xiàn)real為實(shí)測(cè)夾緊力.如前所述，夾緊力衰減模型由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到，同一測(cè)試條件下，與實(shí)際值接近，最大偏差不超過(guò)0.25 kN.

圖4 制動(dòng)盤降溫過(guò)程中夾緊力衰減曲線

2.2.2制動(dòng)力矩

在EPB駐車夾緊力需求模型中，Mc的計(jì)算是比較確定的，也不便測(cè)試.本文主要驗(yàn)證制動(dòng)力矩MB，制動(dòng)力矩與夾緊力的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5，測(cè)試工況：室內(nèi)臺(tái)架測(cè)試，環(huán)境溫度約25 ℃.圖中Tcal為計(jì)算制動(dòng)力矩，Treal為實(shí)測(cè)制動(dòng)力矩，制動(dòng)力矩與夾緊力之間為簡(jiǎn)單線性關(guān)系，制動(dòng)力矩計(jì)算值和實(shí)測(cè)值最大偏差不超過(guò)55 N·m.

圖5 夾緊力與駐車力矩曲線

2.2.3駐車完成時(shí)的夾緊力

EPB系統(tǒng)駐車完成時(shí)夾緊力與駐車關(guān)斷電流的關(guān)系見(jiàn)圖6，測(cè)試工況：室內(nèi)臺(tái)架測(cè)試，環(huán)境溫度約25 ℃.圖中Fcal為計(jì)算夾緊力，F(xiàn)real為實(shí)測(cè)夾緊力，夾緊力和夾緊電流之間為簡(jiǎn)單線性關(guān)系，夾緊力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值最大偏差不超過(guò)0.65 kN.

圖6 夾緊電流與夾緊力關(guān)系曲線

由圖4～6可知，夾緊力的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符.同時(shí)從理論上分析，夾緊力的相關(guān)計(jì)算不存在誤差隨時(shí)間累積問(wèn)題，受到其它不確定因素(如外界溫度、風(fēng)速)等的影響也不明顯.相對(duì)溫度計(jì)算，夾緊力的計(jì)算偏差較小.

3 結(jié) 論

1) 制動(dòng)盤溫度模型，計(jì)算結(jié)果符合典型工況下的制動(dòng)盤溫度變化，溫度偏差有利于容易觸發(fā)熱盤再夾，一方面累積誤差在實(shí)際車輛使用場(chǎng)景過(guò)程中可控，另一方面累積誤差和不確定誤差可以通過(guò)減小再夾門限、增大夾緊電流進(jìn)行處理.

2) 駐車夾緊力、駐車制動(dòng)力矩模型，以及制動(dòng)盤溫度降低時(shí)的夾緊力衰減模型，計(jì)算結(jié)果符合典型工況下的實(shí)測(cè)結(jié)果.

3) 上述的計(jì)算模型，不涉及復(fù)雜數(shù)值計(jì)算，現(xiàn)有EPB控制器采用的16/32位單片機(jī)可以實(shí)時(shí)處理溫度、夾緊力參數(shù).目前，該算法已應(yīng)用于實(shí)際車型電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的熱盤再夾功能.