電子駐車制動系統(tǒng)熱盤再夾模型研究*

劉長運

(萬向錢潮股份有限公司技術中心 杭州 311215)

0 引 言

電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)是將傳統(tǒng)手動駐車制動系統(tǒng)電子化、智能化的產(chǎn)品，可以節(jié)省駕駛室空間，使駕駛員駐車過程變得更便捷.而且，由于單片機系統(tǒng)和控制軟件的加入，使EPB系統(tǒng)可以擴展出多種自動功能.同時，EPB系統(tǒng)也可在行車液壓制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，提供滿足制動減速度和行駛穩(wěn)定性要求的動態(tài)緊急制動功能.因此，EPB系統(tǒng)比傳統(tǒng)手動駐車制動系統(tǒng)具有革命性的進步，是駐車制動系統(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轎車上Lancia[1]，2007年第一個國產(chǎn)化的EPB項目在中國SOP.截止到2009年，TRW公司EPB系統(tǒng)的銷量己經(jīng)突破了1 000萬套，占據(jù)了全球一半的市場份額，至2014年TRW EPB產(chǎn)品總銷售量達到5 000萬套， 2014年全年的銷售量己經(jīng)達到1 280萬套，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)量過億的供應商.在國內(nèi)，不但EPB逐漸成為主流乘用車的重要配置，而且自主品牌制動系統(tǒng)供應商也早已開始EPB的研發(fā)，不少企業(yè)的EPB已經(jīng)批量化上市，逐漸成為主流供應商之一.

EPB除了具備手動駐車/解駐、自動駐車/解駐、動態(tài)緊急制動、Autohold(停車自動保持功能，需要與ESC系統(tǒng)配合實現(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再夾和熱盤再夾兩種，其中滾動再夾需要ABS/ESC系統(tǒng)配合，實時監(jiān)測輪速傳感器脈沖信號，當檢測到輪速脈沖計數(shù)值發(fā)生變化后，識別為車輪出現(xiàn)滾動，從而再次夾緊制動盤至目標夾緊力，防止溜車距離過大.

熱盤再夾同滾動再夾相比較的優(yōu)點是：熄火并且駐車完成后不需要ABS/ESC系統(tǒng)提供信號，ABS/ESC控制器可進入低功耗休眠狀態(tài)，也可以根據(jù)需要縮短EPB控制器熄火后進入低功耗休眠狀態(tài)的延遲時間；另外滾動再夾是在車輛溜車后才能觸發(fā)，只能防止溜車距離過大，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的安全性更高.考慮到目前整車面臨的用電設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，達到一定的參數(shù)計算精度并保證功能的可靠性.

熱盤再夾的基本工作原理為：車輛進行了連續(xù)制動后，制動盤溫度較高，EPB完成駐車后，會依據(jù)內(nèi)部的溫度估算模型對制動盤溫度進行估算，因為卡鉗與制動盤熱變形，從高溫狀態(tài)冷卻到后，會對駐車制動夾緊力產(chǎn)生一定的影響，所以在一定時間后，EPB控制器將進行再夾緊動作，重新將駐車制動力補償?shù)剿枰闹?，避免發(fā)生車輛溜車.

基于現(xiàn)有EPB系統(tǒng)的成本和相關傳感器的發(fā)展，通過直接監(jiān)測電子卡鉗的夾緊力或者溫度來實現(xiàn)熱盤再夾功能還不現(xiàn)實.這就需要針對EPB配套的車型，對制動盤的溫度和夾緊力進行建模，并在系統(tǒng)中實時估算夾緊力衰減情況，使用估算的夾緊力和當前坡道上所需夾緊力進行比較，確定是否需要觸發(fā)系統(tǒng)的熱盤再夾功能.

1 熱盤計算模型

1.1 溫度計算

1.1.1熱盤計算過程

EPB的熱盤再夾過程，需要的處理步驟包括：①根據(jù)車輛行駛過程參數(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]計算制動盤的實時溫度；②駐車開始時，根據(jù)夾緊力需求模型和當前坡度信號，結合控制策略計算所需夾緊力，并換算為所需夾緊電流；③駐車完成后，根據(jù)夾緊力模型和實際關斷電流，計算實際初始夾緊力，記錄當前夾緊力和制動盤溫度值；④根據(jù)溫降模型計算駐車完成后的實時溫度，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算當前的實時夾緊力；⑤將衰減后的夾緊力和夾緊力需求進行比較，前者小于后者時，觸發(fā)EPB再夾緊動作，如當前制動盤估算溫度仍然高于門限，則再次記錄當前夾緊力和制動盤溫度值，并進入下一次再夾緊計算過程[12-15].

1.1.2溫升計算

車輛制動過程中，制動系統(tǒng)制動器通過摩擦產(chǎn)生摩擦力使車輛減速停車，整車動能通過摩擦片與制動盤摩擦轉(zhuǎn)化為熱量，熱量被制動盤吸收，制動盤溫度上升.溫升過程相關的變量包括車速 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，見表1.

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

表2 CAN總線上的加速度信號

溫升時的斜率dθr/dt是車輛速度、制動減速度的函數(shù)，計算公式為

(1)

式中：mv為整車質(zhì)量；a為制動時的車輛減速度；KF為前后軸的制動力分配系數(shù)；λd為制動盤參數(shù)相關的系數(shù)，計算公式為

λd=Kd/cd·md

(2)

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

β(v)=(KL-v)·v/KL

(3)

其中：v為車輛速度；KL為車輛速度關聯(lián)溫升修正系數(shù).

1.1.3溫降模型

制動盤溫降過程考慮傳導和輻射過程，溫降斜率計算公式為

[Kθ·(θ-θe)+K4θ4·(θ4-θ4e)]

(4)

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

1.2 夾緊力計算

1.2.1夾緊力衰減

夾緊力衰減特性與制動器材料的熱膨脹系數(shù)、剛度等有關，分析相對較復雜.但是，在臺架上，可以方便地針對使用的制動器的夾緊力衰減特性曲線進行測試.夾緊力衰減使用實測模型，采用有理擬合公式計算夾緊力衰減值ΔFc，計算公式為

ΔFc=f(ΔTd)/g(ΔTd)

(5)

分子多項式：

f(ΔTd)=p1ΔT2d+p2ΔTd+p3

(6)

分母多項式：

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計算公式為

Fr=MB/4μRe

(8)

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

Mc=mvgresinα

(10)

式中：g為重力加速度；re為輪胎滾動半徑；α為路面坡度.

1.2.3駐車完成時的夾緊力

駐車完成時的夾緊力Flast的計算公式為

Flast=kclt·(Icut-Iidle)

(11)

式中：kclt為執(zhí)行機構電流到夾緊力的轉(zhuǎn)換系數(shù)，與電機扭矩常數(shù)、齒輪箱減速傳動比、絲杠行程以及整個執(zhí)行機構的傳動效率等參數(shù)相關；Icut為夾緊過程的關斷電流；Iidle為空轉(zhuǎn)電流，二者在駐車過程中通過電流傳感器和電流放大電路采集，分別定義見圖1.

圖1 駐車過程中的電流曲線

由圖1可知，空轉(zhuǎn)電流(Iidle)為曲線中間電機穩(wěn)定空載轉(zhuǎn)動時間段內(nèi)的平均電流，關斷電流(Icut)為電機停止時刻前一個采樣周期的電流值.

2 實測數(shù)據(jù)

2.1 溫度數(shù)據(jù)

2.1.1溫升數(shù)據(jù)

制動盤的升溫數(shù)據(jù)曲線見圖2，測試工況：初始速度100 km/h；制動減速度0.7g.圖中θcal為計算溫度，θreal為實測溫度.此過程為實車測試，受車輛實際控制減速度、風速等條件影響，與理論計算曲線有所差別.最大偏差不超過15 ℃，且偏差隨降溫過程時間有增大趨勢，但理論計算的溫度偏大于實際溫度，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 制動盤的升溫曲線

2.1.2溫降數(shù)據(jù)

制動盤的降溫數(shù)據(jù)曲線見圖3，測試工況：室內(nèi)臺架測試，無風，環(huán)境溫度約25 ℃.圖中θcal為計算溫度，θreal為實測溫度.測試條件較理想，曲線中實際溫度與理論曲線相近，偏差隨降溫過程時間有增大趨勢(降到環(huán)境溫度附近時，誤差不會再累積)，但最大偏差不超過5 ℃，且理論計算值偏小于實際值，同樣有利于容易觸發(fā)熱盤再夾.實車運行環(huán)境中，考慮風速等條件影響會直接導致降溫加快，但這些條件無法獲得.因此，可在再夾緊觸發(fā)門限、駐車時的夾緊電流等參數(shù)上適當增加安全系數(shù).

圖3 制動盤的降溫曲線

由圖2～3可知，典型工況下，計算得到的制動盤溫度與實測溫接近，由于計算當前時間溫度需要以上一個執(zhí)行周期計算結果為基礎，隨溫升或溫降過程時間延長，誤差會有逐漸累積趨勢.通常的車輛使用場景下，制動盤溫度上升且完成駐車后，駐車狀態(tài)會持續(xù)5 min以上，此時制動盤溫度已接近環(huán)境溫度，溫度計算誤差不會繼續(xù)累積到下一次操作.而在車輛持續(xù)行駛過程中，若持續(xù)制動，制動盤溫度上升也會存在最高溫度導致不能正常駕駛；反之，則制動盤溫度在大部分時間內(nèi)時接近環(huán)境溫度.總之，制動盤溫度計算誤差的累積不會持續(xù)過長時間.EPB系統(tǒng)的熱盤再夾功能對制動盤溫度計算精度的要求，與系統(tǒng)設計有關.在電子卡鉗結構設計時，會按照中大力情況下，動作次數(shù)可超過10萬次的壽命來進行.針對熱盤再夾功能，可以傾向于容易觸發(fā)再夾緊且夾緊時的電流適當增大，從而適當放寬對溫度計算精度的要求.這樣可以保證EPB系統(tǒng)熱盤再夾功能在防止溜車性能上，滿足設計要求.

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盤溫度下降的衰減曲線見圖4，測試工況同降溫數(shù)據(jù)測試工況.圖中Fcal為計算夾緊力，F(xiàn)real為實測夾緊力.如前所述，夾緊力衰減模型由實測數(shù)據(jù)擬合得到，同一測試條件下，與實際值接近，最大偏差不超過0.25 kN.

圖4 制動盤降溫過程中夾緊力衰減曲線

2.2.2制動力矩

在EPB駐車夾緊力需求模型中，Mc的計算是比較確定的，也不便測試.本文主要驗證制動力矩MB，制動力矩與夾緊力的關系曲線見圖5，測試工況：室內(nèi)臺架測試，環(huán)境溫度約25 ℃.圖中Tcal為計算制動力矩，Treal為實測制動力矩，制動力矩與夾緊力之間為簡單線性關系，制動力矩計算值和實測值最大偏差不超過55 N·m.

圖5 夾緊力與駐車力矩曲線

2.2.3駐車完成時的夾緊力

EPB系統(tǒng)駐車完成時夾緊力與駐車關斷電流的關系見圖6，測試工況：室內(nèi)臺架測試，環(huán)境溫度約25 ℃.圖中Fcal為計算夾緊力，F(xiàn)real為實測夾緊力，夾緊力和夾緊電流之間為簡單線性關系，夾緊力計算值和實測值最大偏差不超過0.65 kN.

圖6 夾緊電流與夾緊力關系曲線

由圖4～6可知，夾緊力的計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相符.同時從理論上分析，夾緊力的相關計算不存在誤差隨時間累積問題，受到其它不確定因素(如外界溫度、風速)等的影響也不明顯.相對溫度計算，夾緊力的計算偏差較小.

3 結 論

1) 制動盤溫度模型，計算結果符合典型工況下的制動盤溫度變化，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際車輛使用場景過程中可控，另一方面累積誤差和不確定誤差可以通過減小再夾門限、增大夾緊電流進行處理.

2) 駐車夾緊力、駐車制動力矩模型，以及制動盤溫度降低時的夾緊力衰減模型，計算結果符合典型工況下的實測結果.

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