基于一體式制動(dòng)主缸的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真

王 猛，孫澤昌，王士奇，吉東波

（1.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804；2.中國第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，吉林 長春 130011；3.吉林大學(xué) 東區(qū)學(xué)辦，吉林 長春 130025）

新能源汽車的出現(xiàn)推動(dòng)了諸多新技術(shù)的發(fā)展.電液復(fù)合制動(dòng)技術(shù)是其中的典型代表，它在新能源汽車發(fā)展之初就受到了各方的重視，其不僅可高效地回收制動(dòng)能量以改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，且能為汽車提供較傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)更為卓越的制動(dòng)性能.

世界各大知名汽車廠商都擁有各自的電液復(fù)合制動(dòng)技術(shù)，并在很多已經(jīng)量產(chǎn)的新能源車型中得到應(yīng)用，包括豐田公司的Electronically Controlled Brake system［1］、大 陸 公 司 的 Regenerative Brake System［2］、博 世 公 司 的 Hydraulic Actuation System［3］、天 合 公 司 的 Slip Control Boost System［4］、 日 產(chǎn) 公 司 的 Electrically Driven Intelligent Brake System［5］、 萬 都 公 司 的Electronically Controlled Hydraulic Brake System［6］以及本田公司的 Hydraulic Servo Brake System［7］.

為了能擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)以便將來更好地發(fā)展、應(yīng)用電液復(fù)合制動(dòng)技術(shù)，基于對(duì)以上各電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的研究和理解，本文提出了一種基于一體式制動(dòng)主缸總成的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng).

1 電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的升級(jí)，需要在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以便實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)越的性能.為了達(dá)到此目的，電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循以下原則［8］.

（1）符合駕駛員傳統(tǒng)的駕駛習(xí)慣.駕駛員的駕駛習(xí)慣主要包括兩方面：一是踏板感覺，指制動(dòng)踏板位移與踏板力的關(guān)系；二是制動(dòng)感受，指踏板力與制動(dòng)減速度的關(guān)系.

（2）保證整車的制動(dòng)效能.改善液壓的響應(yīng)特性和控制精度，縮短制動(dòng)距離，保證制動(dòng)時(shí)行駛方向的穩(wěn)定性.

（3）系統(tǒng)可靠性高且具備故障下的備份制動(dòng)能力.即在電氣系統(tǒng)失效時(shí)，如電源脫落，駕駛員仍能通過踩踏制動(dòng)踏板使汽車盡快停止.

（4）盡可能多地回收制動(dòng)能量.充分發(fā)揮電機(jī)的再生制動(dòng)能力，可以有效提高整車的能量利用效率，延長續(xù)駛里程或改善燃油經(jīng)濟(jì)性，尤其是在制動(dòng)頻繁的城市工況下.

2 新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

基于以上的設(shè)計(jì)原則，并考慮到成本因素，設(shè)計(jì)了一種新能源汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示.該系統(tǒng)的液壓制動(dòng)部分主要由制動(dòng)踏板及踏板位移傳感器、一體式制動(dòng)主缸總成（integrated master cylinder，IMC）、液壓控制單元（hydraulic control unit，HCU）和制動(dòng)輪缸4個(gè)模塊組成.

圖1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of hydraulic brake system

液壓控制單元的2個(gè)入口分別與一體式制動(dòng)主缸總成的2個(gè)出口連接，4個(gè)出口分別與4個(gè)輪缸相連，構(gòu)成4條獨(dú)立的支路，每條支路各有一個(gè)常開電磁閥7和一個(gè)常閉電磁閥8.2個(gè)支路共用一個(gè)低壓蓄能器9和回流液壓泵12.液壓泵的兩側(cè)各有一個(gè)單向閥10，2個(gè)液壓泵由同一個(gè)直流電機(jī)11驅(qū)動(dòng).

上電后，系統(tǒng)處于制動(dòng)準(zhǔn)備狀態(tài)，常開電磁閥2和7關(guān)閉，常閉電磁閥8繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài).預(yù)壓泵5從儲(chǔ)液室1中抽取制動(dòng)液至高壓蓄能器3，主缸前后腔維持高壓狀態(tài)，為以后的制動(dòng)動(dòng)作提供能量.

當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，電控單元ECU從踏板位移傳感器14的輸出信號(hào)中解釋出駕駛員的制動(dòng)意圖和制動(dòng)需求，根據(jù)制動(dòng)力分配邏輯計(jì)算出該機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的目標(biāo)摩擦制動(dòng)力，并通過控制常開閥和常閉閥達(dá)到控制輪缸壓力的目的.此時(shí)，踏板感覺模擬彈簧組為制動(dòng)踏板提供反向作用力，模擬傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的踏板感覺.由于液壓助力第二腔的壓力足夠高，因此液壓助力第二活塞并不會(huì)發(fā)生移動(dòng).在此狀態(tài)下，制動(dòng)主缸活塞產(chǎn)生了向左的位移，與儲(chǔ)液室隔離，并向HCU供油.當(dāng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)欲發(fā)生作用時(shí)，各輪缸目標(biāo)壓力的指令來自于再生制動(dòng)與防抱死制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，即使是駕駛員不踩下制動(dòng)踏板，仍能有效、迅速地對(duì)單個(gè)車輪施加制動(dòng)力.在壓力調(diào)節(jié)過程中，所需穩(wěn)定的高油壓可由電動(dòng)泵、高壓蓄能器和液壓傳感器組成的高壓油路系統(tǒng)保證，持續(xù)為左前輪（FL）、右前輪（FR）、左后輪（RL）、右后輪（RR）的制動(dòng)輪缸壓力調(diào)節(jié)提供高壓制動(dòng)液.高壓蓄能器的存在使得制動(dòng)主缸一直穩(wěn)定在高壓狀態(tài)，較傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)減少了高壓建立的過程，因此制動(dòng)輪缸壓力的響應(yīng)速度大大提升，有利于提高整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效能.

若電氣系統(tǒng)失效，常開電磁閥2和7開啟，高壓蓄能器3與儲(chǔ)液室1相通，壓力為零.制動(dòng)踏板14的推力經(jīng)由踏板杠桿效應(yīng)和液壓助力放大后，通過踏板感覺模擬彈簧組推動(dòng)主缸活塞，在制動(dòng)輪缸處形成停車所需的制動(dòng)壓力.

3 關(guān)鍵參數(shù)的確定

為了便于安裝，主缸的體積不能過大，尤其是長度不能過長.更重要的是在電氣系統(tǒng)失效且主缸前腔、后腔至制動(dòng)輪缸的回路失效時(shí)，能夠?yàn)轳{駛員提供足夠的行程以在制動(dòng)輪缸處建立壓力.根據(jù)主缸前腔、后腔處于最大行程時(shí)各活塞的位移，同時(shí)考慮活塞的厚度，以保障活塞有足夠的導(dǎo)向能力，基于以上原則可基本確定主缸的長度.

選取某品牌防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的液壓控制單元，并對(duì)其進(jìn)行拆解，從而獲取開關(guān)閥、回流泵電機(jī)、回流泵及低壓蓄能器的關(guān)鍵參數(shù).其他的關(guān)鍵參數(shù)主要集中在高壓源、踏板感覺模擬彈簧組組件上.

3.1 高壓源

高壓源處需要確定的參數(shù)為電機(jī)功率、液壓泵的排量和高壓蓄能器的容積.由于不同車型選用的液壓制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)也不同，如制動(dòng)主缸、制動(dòng)輪缸，因此，此處僅給出計(jì)算公式.

高壓蓄能器選用標(biāo)準(zhǔn)高壓隔膜式蓄能器，在系統(tǒng)中用作輔助動(dòng)力源，并消除壓力脈動(dòng)，其公稱容積V0的計(jì)算方法如式（1）所示［9］.

式中：Vx為蓄能器的工作容積，此系統(tǒng)中選擇滿足一次緊急制動(dòng)所需的制動(dòng)液容積；p1為最低工作壓力；p0為充氣壓力；n為等溫或絕熱指數(shù)；p2為最高工作壓力.

電機(jī)為永磁直流電機(jī)，在系統(tǒng)中用于驅(qū)動(dòng)液壓泵，其功率計(jì)算方法如式（2）、式（3）所示：

式中：Pm為電機(jī)的額定功率；p為目標(biāo)工作壓力；q為目標(biāo)工作流量；ηm為電機(jī)的工作效率；ηh為液壓泵的工作效率；t為補(bǔ)充高壓蓄能器工作容積所需時(shí)間.

液壓泵通過抽取儲(chǔ)液室的制動(dòng)液在高壓蓄能器內(nèi)建立壓力，其排量D的計(jì)算方法如式（4）所示：

式中：nm為永磁直流電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速.

3.2 踏板感覺模擬彈簧組

踏板感覺模擬彈簧組為駕駛員提供良好的踏板感覺.根據(jù)駕駛員的主觀感受，選取最優(yōu)的踏板位移與踏板力關(guān)系曲線作為目標(biāo)曲線［10］.由于曲線明顯分為2段，且斜率差別較大，因此選用的2個(gè)彈簧剛度差異明顯.

主缸內(nèi)部空間狹小，要求彈簧自由長度短、線徑小、外徑小.為了便于2個(gè)彈簧的選型和自由組合，選取直列式組合彈簧的形式［11］，如圖2所示，圖中F為彈簧推力.在圖2a中，剛度關(guān)系如式（5）所示：

式中：K為組合彈簧組的剛度；k1為小剛度彈簧的剛度；k2為大剛度彈簧的剛度.在圖2b中，組合彈簧的剛度與大剛度彈簧的剛度相等.

在AMESim軟件中建立模型進(jìn)行仿真，可以看出設(shè)計(jì)的踏板感覺模擬彈簧組能夠?yàn)轳{駛員提供良好的踏板感覺，如圖3所示.

圖2 踏板感覺模擬彈簧組原理Fig.2 Principle of pedal-simulator spring

圖3 踏板感覺模擬彈簧組仿真結(jié)果Fig.3 Pedal-simulator spring simulation

4 系統(tǒng)控制邏輯

較傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)要協(xié)調(diào)再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)，在回收制動(dòng)能量的同時(shí)保證或改善整車的制動(dòng)效能.此系統(tǒng)中采集踏板位移傳感器、高壓源壓力傳感器的信號(hào)遵循系統(tǒng)控制邏輯通過控制9個(gè)開關(guān)電磁閥和2個(gè)直流電機(jī)達(dá)到上述目的.

在常規(guī)制動(dòng)工況下，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，達(dá)到目標(biāo)制動(dòng)減速度后保持制動(dòng)踏板位置不變.當(dāng)駕駛員達(dá)到減速或停車目的后，松開制動(dòng)踏板，完成整個(gè)制動(dòng)過程，如圖4所示.不同制動(dòng)工況間的區(qū)別主要體現(xiàn)在上升階段時(shí)間長短和保持階段期望制動(dòng)力的大小上.制動(dòng)越緊急，制動(dòng)強(qiáng)度越大，則上升階段時(shí)間越短，保持階段期望制動(dòng)力越大.

圖4 常規(guī)制動(dòng)過程Fig.4 Regular braking process

4.1 制動(dòng)力分配邏輯

在非緊急制動(dòng)工況下，在保證制動(dòng)安全的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能多地利用再生制動(dòng)力，以回收更多的制動(dòng)能量，相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力分配策略如圖5所示.

圖5 非緊急制動(dòng)工況下的制動(dòng)力分配策略Fig.5 Braking force distribution strategy under urgent braking condition

AB段：駕駛員踩下制動(dòng)踏板的速度快、時(shí)間短，期望制動(dòng)力變化梯度大.在該段時(shí)間內(nèi)汽車的制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到目標(biāo)值，需要識(shí)別駕駛員的制動(dòng)意圖.從安全和便于控制的角度出發(fā)，此段采用純液壓制動(dòng).前后軸制動(dòng)力的比值為β／（1－β），再生制動(dòng)力為零，其中β為傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配系數(shù).

BC段：駕駛員保持制動(dòng)踏板的位置，以滿足其制動(dòng)需求.此段以一定的幅度逐步減小后軸液壓制動(dòng)力和前軸液壓制動(dòng)力，同時(shí)以較大的幅度增加再生制動(dòng)力，直至等制動(dòng)強(qiáng)度線與ECE法規(guī)線（Economic Commission for Europe）的交點(diǎn)C，從而最大程度地回收制動(dòng)能量.

CD段：駕駛員松開制動(dòng)踏板的過程使得期望制動(dòng)力減小，此時(shí)通過優(yōu)先減小再生制動(dòng)力為零進(jìn)一步減小前軸液壓制動(dòng)力的方法使前后軸制動(dòng)力分配到達(dá)點(diǎn)D′，此時(shí)前后軸均為液壓制動(dòng)力，比值為β／（1－β），再生制動(dòng)力為零.然后，同步減小液壓制動(dòng)力直至零.

具體的仿真結(jié)果如圖6所示.

4.2 制動(dòng)輪缸壓力精確控制方法

由前面的分析可以看出，在整個(gè)制動(dòng)過程中前后軸的液壓制動(dòng)力隨著再生制動(dòng)力的變化而不斷變化，以保持平穩(wěn)的制動(dòng)減速度.因此需要精確控制制動(dòng)輪缸的壓力以達(dá)到此目的.

圖6 制動(dòng)力分配邏輯Fig.6 Braking force distribution logic

出于控制成本的考慮，系統(tǒng)中僅高壓源處有1個(gè)壓力傳感器，4個(gè)制動(dòng)輪缸處并不配備壓力傳感器.掌握高速開關(guān)閥的工作特性和主缸穩(wěn)定的高壓均有利于實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制制動(dòng)輪缸壓力.制動(dòng)輪缸壓力的變化規(guī)律如式（6）所示，從該式可以看出開關(guān)閥兩端的壓差和控制信號(hào)的占空比是2個(gè)最重要的影響因素.所建立的增、減壓速率與這二者之間的關(guān)系如圖7所示.用輪缸壓力p（k）和目標(biāo)壓力p（k＋1）

作為輸入量，用線性插值的方法查詢?cè)鰤罕砘驕p壓表得到本次壓力調(diào)節(jié)常開閥和常閉閥各自所需控制信號(hào)占空比Dc.

圖7 增、減壓三維圖Fig.7 Three-dimensional data graph for pressure increasing and decreasing process

式中：ΔpI為增壓速率；ΔpD為減壓速率；p（k）為k時(shí)刻制動(dòng)輪缸壓力；T為控制信號(hào)周期；C1為增壓時(shí)的閥口系數(shù)；C2為減壓時(shí)的閥口系數(shù)；p1為主缸壓力；p2為低壓蓄能器壓力.

但是，制動(dòng)間隙的存在使變化規(guī)律呈現(xiàn)出非線性，非線性區(qū)間內(nèi)的壓力變化隨機(jī)性較大，難以進(jìn)行控制，但從確定點(diǎn)到另一確定點(diǎn)（如壓力從5×105Pa到9×105Pa）的調(diào)節(jié)容易實(shí)現(xiàn).即當(dāng)壓力調(diào)節(jié)進(jìn)入到非線性區(qū)間時(shí)，目標(biāo)壓力p（k＋1）設(shè)定為固定值，為下一時(shí)刻的控制提供穩(wěn)定的初始?jí)毫?，稱之為階梯法.

因此，當(dāng)增壓時(shí)制動(dòng)間隙未消除或減壓時(shí)制動(dòng)間隙再出現(xiàn)時(shí)采用階梯法；當(dāng)制動(dòng)間隙不存在時(shí)，依據(jù)圖7所示的增、減壓數(shù)表插值即可.控制效果如圖8所示，可以看出數(shù)表插值法和階梯法并行的分段壓力估算算法能夠準(zhǔn)確地控制輪缸制動(dòng)壓力.

圖8 制動(dòng)輪缸壓力控制仿真Fig.8 Simulation of brake pressure control

4.3 再生制動(dòng)與防抱死制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

在緊急制動(dòng)工況下，車輪抱死的可能性大大增加，應(yīng)優(yōu)先保證整車的制動(dòng)安全.如果車輪在駕駛員踩下制動(dòng)踏板的過程中觸發(fā)防抱死控制系統(tǒng)，由于此時(shí)僅有液壓制動(dòng)力參與制動(dòng)，因此只需要按照傳統(tǒng)邏輯門限值控制策略即可避免車輪抱死.

如果在駕駛員保持制動(dòng)踏板的過程中觸發(fā)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，則需要協(xié)調(diào)再生制動(dòng)力與液壓制動(dòng)力之間的關(guān)系.由于再生制動(dòng)的參與會(huì)影響到原有的防抱死控制邏輯，因此為保證系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和安全性，減少對(duì)估計(jì)變量的依賴性，當(dāng)車輪觸發(fā)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)邏輯門限值控制策略進(jìn)行改進(jìn)，以較大的梯度迅速減小再生制動(dòng)力至零.

由于傳統(tǒng)邏輯門限值控制策略［12－13］在第1次減壓和第2次保壓2個(gè)階段時(shí)間較長，因此可利用這段時(shí)間減小再生制動(dòng)力至零.當(dāng)處于減壓階段時(shí)，減小再生制動(dòng)力同時(shí)保持液壓制動(dòng)力不變，保證此階段的效果；當(dāng)處于保壓階段時(shí)，在減小再生制動(dòng)力的同時(shí)以相同的幅度增大該車輪的液壓制動(dòng)力，保證此階段的控制效果；再生制動(dòng)力減為零后，所有的制動(dòng)力矩均為液壓制動(dòng)力，防抱死控制邏輯與傳統(tǒng)的邏輯門限值控制邏輯相同，如圖9所示.此控制邏輯最大的優(yōu)點(diǎn)在于不改變汽車原有策略的邏輯門限值而極大地減少匹配工作量.

圖9 再生制動(dòng)與防抱死制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略Fig.9 Coordination control strategy between regenerative braking and anti-lock braking

制動(dòng)系統(tǒng)從電液復(fù)合制動(dòng)狀態(tài)過渡到純液壓的防抱死制動(dòng)狀態(tài)如圖10所示.由于仿真過程中，再生制動(dòng)力在減壓階段（150ms左右）已經(jīng)減小至零，但仍未滿足控制需求，因此液壓制動(dòng)力將被繼續(xù)減小，與圖9中的情況略有不同，但也恰恰說明了有可能遇到了另外一種情況.

圖10 電液復(fù)合制動(dòng)至防抱死制動(dòng)的過渡過程Fig.10 Transient process from electro-hydraulic braking to anti-lock braking

5 結(jié)論

從產(chǎn)業(yè)化的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用車型廣泛的基于一體式制動(dòng)主缸總成的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng).出于簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、提高性能可靠性和工程性的目的，根據(jù)新能源汽車對(duì)電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的性能要求和相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù).同時(shí)開發(fā)了制動(dòng)力分配邏輯、制動(dòng)輪缸壓力精確控制方法及再生制動(dòng)與防抱死制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，支撐系統(tǒng)具備完整的功能.通過仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性.

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