電動汽車制動真空助力系統(tǒng)真空度值可信度故障檢測方法研究

祝浩 徐家良 隋建鵬

摘要：針對真空度傳感器電壓偏移后對于電動汽車制動安全和電動真空泵工作耐久性的重大影響，本文在分析真空助力器結(jié)構(gòu)和工作原理基礎(chǔ)上，提出可以通過制動前后真空助力器里真空度變化量來判斷真空度傳感器電壓是否存在偏移，并且從原理上推導(dǎo)了當(dāng)真空度傳感器電壓發(fā)生偏移后，與傳感器電壓未發(fā)生偏移時對比，制動前后真空度變化量偏差與制動踏板角度無關(guān)，只與制動前初始真空度有關(guān)，最后進(jìn)行了實車數(shù)據(jù)采集和建模驗證，結(jié)果表明本方法可有效的檢測出傳感器電壓偏移導(dǎo)致的可信度故障。

關(guān)鍵詞：電動汽車;制動助力系統(tǒng);真空度傳感器;可信度診斷

中圖分類號：u463.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0017-09

祝浩

畢業(yè)于西安交通大學(xué)動力機械及工程專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于一汽集團新能源開發(fā)院，任副高級工程師，主要負(fù)責(zé)新能源整車控制系統(tǒng)開發(fā)業(yè)務(wù)。主要研究方向為混合動力發(fā)動機起停機控制，整車驅(qū)動模式切換控制、整車動態(tài)能量管理等算法開發(fā)等。

1前言

對于電動汽車的制動助力系統(tǒng)，目前普遍的觀點是博世iBooster在性能上有更好的綜合表現(xiàn)，但是由于iBooster系統(tǒng)價格較高，制動真空助力器加ESP的方案仍會應(yīng)用一段時間。對于制動真空助力器而言，由VCU采集真空助力系統(tǒng)里的真空度，然后以此控制電動真空泵工作，從而將助力系統(tǒng)里的真空度維持在一定范圍內(nèi)。因此VCu能否采集到真空助力系統(tǒng)里真實的真空度值，從而正確的控制電動真空泵工作以保證其耐久性，同時保證真空助力系統(tǒng)中的真空度在設(shè)計范圍內(nèi)以保證行車安全，作用重大。

目前VCU采集真空助力系統(tǒng)真空度的方法是，真空度傳感器安裝于真空助力系統(tǒng)管路上，將真空度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，并通過線束將此電壓值傳輸至VCU，VCU通過AD采樣獲取此電壓值，然后根據(jù)傳感器的真空度一電壓特性關(guān)系，將此電壓值再轉(zhuǎn)換為真空度值并用于相關(guān)的計算和控制。

當(dāng)前，VCU為確保收到的真空度傳感器電壓值的合理性，對其電壓值進(jìn)行了診斷，但診斷策略基本上是基于“電壓值已經(jīng)超出正常工作電壓的上下限值”的原則，即傳感器和信號輸出線束是否已對電源短路或?qū)Φ囟搪坊蚴情_路，當(dāng)發(fā)生對地短路時，VCU采集到的傳感器輸出電壓接近0V;當(dāng)發(fā)生對電源短路或開路時，VCU采集到的傳感器輸出電壓接近5 V（傳感器供電電壓）;但是車輛實際運行過程中，在傳感器輸出電壓因為故障到達(dá)上限值前，存在一個“過渡”狀態(tài)，例如線束絕緣性能下降或接插件電氣連接處導(dǎo)電性能下降產(chǎn)生壓降，此時傳感器雖然能夠正確的將真空度轉(zhuǎn)換為電壓，但是VCU采集到的傳感器電壓并不等于傳感器輸出電壓;或是傳感器發(fā)生老化偏移或部分損壞，此時傳感器的輸出電壓就已不能真實的反映系統(tǒng)真空度。在上述情況下，VCU采集的傳感器電壓依然在上述上下限值范圍內(nèi)，因而診斷不出開路/短路故障，但是VCU根據(jù)采集到的傳感器電壓值計算得到的真空度已經(jīng)不能真實的反應(yīng)系統(tǒng)真空度，即發(fā)生可信度故障。

而對傳感器在常用電壓范圍內(nèi)的可信度診斷，主要是通過其他傳感器值或模型計算值來估計本傳感器的值，如果估計值和傳感器實測值發(fā)生較大偏差，則認(rèn)為發(fā)生可信度故障。但是對于制動真空助力系統(tǒng)而言，系統(tǒng)上再布置一個真空度傳感器會造成成本上升，而通過對真空助力系統(tǒng)建模來獲取真空度模型值存在建模和參數(shù)化困難的問題，較難實施。現(xiàn)有其他公開文獻(xiàn)中未曾有針對此問題的進(jìn)一步研究。

本文依然通過模型值與實測值比較的方法來判斷真空度傳感器電壓值是否正確，在分析真空助力器結(jié)構(gòu)和工作過程基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)踩制動過程中系統(tǒng)真空度變化量在不需要獲取真空助力器結(jié)構(gòu)參數(shù)的的情況下便可以被準(zhǔn)確穩(wěn)定的估算，將此估算值作為模型值，然后與傳感器輸出電壓的實測值比對，便可判斷出VCU采集的傳感器電壓是否異常。

2真空助力器工作原理分析

2.1真空助力器結(jié)構(gòu)及工作原理分析

圖1為電動汽車制動真空助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，電動汽車依靠電動真空泵來提供唯一真空源，真空儲氣罐為真空儲存裝置，電動真空泵與真空儲氣罐之間有單向閥，真空度傳感器安裝于真空助力器上，用于測量真空助力器真空腔里的真空度，整車控制器通過真空度傳感器采集的真空腔的真空度，控制電動真空泵工作，將真空助力器真空腔的真空度控制在一定范圍內(nèi)。

圖2為真空助力器結(jié)構(gòu)示意圖，在駕駛員踩制動和松制動過程中，真空助力器工作分為四個狀態(tài)：

（1）自由狀態(tài)：在制動踏板不踩下時，真空助力器保持平衡狀態(tài)，空氣閥關(guān)閉，真空閥打開，真空腔和工作腔連通;

（2）制動踏板持續(xù)踩下狀態(tài)：真空閥關(guān)閉，真空腔和工作腔隔離，隨著制動踏板的繼續(xù)踩下，空氣閥打開，駕駛室里的空氣通過過濾器進(jìn)入到工作腔中，工作腔壓力上升，并與真空腔產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生一定的制動助力，在隔膜向左移動時真空腔里的空氣被壓縮，真空腔壓力上升;

（3）制動踏板角度保持不變狀態(tài)：在工作腔和真空腔之間的隔膜向左變形時，與隔膜相連的真空閥座也向左移動，使得空氣閥再次被關(guān)閉，工作腔壓力不再升高，真空助力器里各部件保持位置和力平衡狀態(tài);

（4）制動踏板持續(xù)松開狀態(tài)：空氣閥依然保持關(guān)閉狀態(tài)，真空閥打開，工作腔里的部分空氣進(jìn)入到真空腔里，使得真空腔真空度降低，工作腔與真空腔的壓差逐漸變小，助力逐步消失;當(dāng)真空腔的真空度低于真空度控制的下限時，整車控制器控制電動真空泵工作，當(dāng)真空腔的真空度達(dá)到真空度控制的上限時，整車控制器控制電動真空泵停止工作。

2.2制動過程中真空度變化量分析

對制動過程中的真空助力器各部件運動關(guān)系分析可知，制動過程的初始階段，真空閥先關(guān)閉，真空腔和工作腔隔離，隨著制動過程中助力的產(chǎn)生，隔膜向左凸起變形，真空腔容積變小，真空腔里的空氣被壓縮，真空腔壓力上升，真空腔壓力上升的程度只與真空腔被壓縮程度有關(guān)，由于隔膜與制動踏板連接，因此可以通過制動踏板轉(zhuǎn)動角度來衡量真空腔被壓縮程度。

因此，當(dāng)VCU采集的真空度值正確時，在一定的初始真空腔真空度下，制動過程中制動踏板轉(zhuǎn)動角度一定時，真空腔壓力變化便是定值，可以將這個值作為標(biāo)準(zhǔn)值;當(dāng)VCU采集到的真空度傳感器電壓值異常時，同一工況下（相同的初始真空腔真空度，相同的制動主缸壓力）通過真空度傳感器實際采集到的制動前后真空度變化值與標(biāo)準(zhǔn)真空度變化值存在偏差，通過偏差大小便可識別出VCU采集的真空度傳感器電壓異常的程度。

由于VCU采集的真空度傳感器電壓異常包括傳感器輸出電壓異常和線束傳輸異常，為便于分析，將線束傳輸異常導(dǎo)致的電壓變化也轉(zhuǎn)移至傳感器輸出端，即假定VCU收到的電壓異常只由傳感器輸出電壓異常導(dǎo)致，因此只分析傳感器輸出電壓異常即可，即對于某一個真實的真空度，傳感器的特性發(fā)生偏移，輸出電壓較正常值發(fā)生了一定的改變。

分析過程如下：

對于制動前后真空腔真空度變化量的計算，通用推導(dǎo)過程如下：

從公式（1）可以看出，當(dāng)真空度傳感器輸出電壓正確時，制動前后真空度變化量只與制動前初真空度以及制動壓縮程度k有關(guān)，k為制動前后真空腔體積比，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，k也等于制動前后真空腔絕對壓力比，k可以用制動前后制動踏板角度來表示。

3數(shù)據(jù)采集與驗證

3.1傳感器特性偏移實現(xiàn)

由于當(dāng)前車輛狀況下無法實現(xiàn)傳感器電壓的真實偏移，因此只能通過軟件來模擬實現(xiàn)，實現(xiàn)過程如下：

VCU通過傳感器電壓查“電壓一真空度”表得到真空度后，再查“真空度一電壓”逆特性表，得到一個新的傳感器電壓，便模擬實現(xiàn)了傳感器電壓偏移后輸出電壓的改變，然后用這個新的傳感器電壓，再查“電壓一真空度”表，其中兩次查取的“電壓一真空度”特性表為正確的傳感器特性表，通過修改“真空度一電壓”逆特性表來模擬傳感器電壓特性不同程度偏移時同樣真空度但輸出電壓發(fā)生改變的情況，如圖4和圖5所示：

3.2制動前后真空度損失量一致性驗證

在一汽紅旗E-HS3車上進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集驗證，試驗用制動真空助力系統(tǒng)真空度傳感器和制動踏板角度傳感器主要參數(shù)表1所示：

VCU通過軟件保證每次踩制動前制動系統(tǒng)真-空度均為70 kPa，實施踩制動操作，得到以不同的踩制動踏板速度達(dá)到同一制動踏板角度時制動前后真空度變化量;在每次制動時，當(dāng)VCU收到制動踏板角度大于0度時，VCU開始計時，就能得到達(dá)到任何制動踏板角度所耗時間。其中，制動踏板角度和車速由ABS系統(tǒng)采集并通過CAN通信發(fā)送至VCU，制動前后真空度變化量由VCU通過真空度傳感器采集計算得到。為抑制傳感器采樣的隨機干擾，除了在硬件采樣電路上進(jìn)行相應(yīng)處理外，在軟件處理上，ABS與VCU系統(tǒng)對通過高頻AD采樣采集得到的傳感器電壓，通過一定周期平均值濾波的方法來消除采樣中的噪聲干擾。

對于紅旗E-HS3車輛，當(dāng)制動踏板完全踩下時，制動踏板角度約為30度，因此選取制動踏板轉(zhuǎn)動10度，15度，20K三個值表示駕駛員輕度制動，中度制動和重度制動下的制動踏板踩下角度，并以此三個制動踏板角度值作為試驗對比點。對于踩制動的速度，日常駕駛中一般情況下制動時，制動踏板踩下的速度約為10度/秒，因此選擇20度/秒作為緊急制動下的踩制動速度，選擇5度/秒作為緩慢制動下的踩制動速度。

圖6是在車輛靜止情況下，以不同的踩制動踏板速度達(dá)到10°的制動踏板角度時，制動前后真空腔真空度變化量的分布情況（87組數(shù)據(jù)），橫軸為制動耗時，單位秒，縱軸為制動前后真空度變化量，單位kPa;對于本組數(shù)據(jù)，制動持續(xù)時間-與制動前后真空度變化量的相關(guān)系數(shù)為0.495，二者相關(guān)性較弱;制動前后的真空度變化量均值為3.775kPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.067 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.017。

圖7是在車輛靜止情況下，以不同的踩制動踏板速度達(dá)到15°的制動踏板角度時，制動前后真空腔真空度變化量的分布情況（97組數(shù)據(jù)）。對于本組數(shù)據(jù)，制動持續(xù)時間與制動前后真空度變化量的相關(guān)系數(shù)為0.483，二者相關(guān)性較弱;制動前后的真空度變化量均值為6.39kPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.077 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.012。

圖8是在車輛靜止情況下，以不同的踩制動踏板速度達(dá)到20。的制動踏板角度時，制動前后真空腔真空度變化量的分布情況（94組數(shù)據(jù)）。對于本組數(shù)據(jù)，制動持續(xù)時間與制動前后真空度變化量的相關(guān)系數(shù)為0.661，二者相關(guān)性較弱;制動前后的真空度變化量均值為8.579kPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.13 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.015。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為，在車輛靜止情況下制動前后真空度變化量與制動時間關(guān)系可以忽略，只與制動踏板角度有關(guān)。

同時，基于上述車輛靜止情況下制動踏板角度為10度、15度、20度下的真空度變化量均值，擬合得到在制動前70kPa的制動系統(tǒng)真空度下，制動前后真空度變化量與制動踏板角度的關(guān)系曲線，如圖9所示：

基于圖9擬合擬合，在10度制動踏板角度下，制動踏板角度精度對真空度變化量的影響為2.54%，真空度傳感器精度對真空度變化量的影響為3.97%，綜合影響最壞情況為6.51%;在20度制動踏板角度下，制動踏板角度精度對真空度變化量的影響為1.12%，真空度傳感器精度對真空度變化量的影響為1.75%，綜合影響最壞情況為2.87%;根據(jù)圖3理論分析結(jié)果，當(dāng)傳感器電壓偏差大于10%和小于-5%的情況，傳感器精度對真空度偏差識別的影響都可以忽略。

同時在行車過程中，在不同車速下，保持制動前真空腔真空度為-70kPa，進(jìn)行了不同速度和角度的踩制動操作。圖10和圖11是達(dá)到10度制動踏板角度時，制動前后真空度變化量與車速和踩制動速度的分布情況（87組數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)中，真空度變化量與車速的相關(guān)系數(shù)為0.21，真空度變化量與制動持續(xù)時間的相關(guān)系數(shù)為0.53，真空度變化量與車速和制動持續(xù)時間的相關(guān)性均較弱;數(shù)據(jù)中，不同制動持續(xù)時間和車速下，制動前后的真空度變化量均值為3.77kPa，標(biāo)準(zhǔn)差為O.078kPa，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.02。

綜合上述數(shù)據(jù)，印證了第二章節(jié)的推論，即在同一制動初始真空腔真空度下，當(dāng)保持制動終了時的制動踏板角度不變時，制動前后的真空腔真空度變化量與制動踏板踩下速度和車速關(guān)系可以忽略，只與制動踏板角度有關(guān)。

3.3真空度特性偏差驗證

環(huán)境大氣壓力99.8kPa，車輛原地靜止，通過修改“真空度一電壓”逆特性表來模擬傳感器特性偏大10%、傳感器特性偏小10%的情況，在制動前真空腔真空度為-70kPaT，進(jìn)行了不同角度的踩制動操作，并且與傳感器特性未偏移時，在同等數(shù)值的制動前真空度下制動前后真空度變化量進(jìn)行了對比。

對于制動前真實的真空度70kPa，將傳感器特性放大10%后，軟件計算得到的真空度變?yōu)橐?3kPa，以-63kPa真空度為起點，進(jìn)行了若干次不同角度的踩制動操作;同時，在傳感器特性正確的情況下，同樣以63kPa真空度為起點，進(jìn)行了若干次制動踏板不同角度的制動，數(shù)據(jù)對比如圖12所示：

基于擬合結(jié)果計算得到傳感器特性偏差+10%時，在制動前真實的真空度為-70kPa下，制動前后真空度變化量與傳感器特性正確時真空度變化量的偏差ε的關(guān)系，如圖13所示。

對于圖13中數(shù)據(jù)，在踏板角度小于7%時，基于實測數(shù)據(jù)計算的偏差小于30%，這是因為在輕踩制動小剎車踏板角度下，制動前后真空度變化量較小，真空助力器零部件偏差對結(jié)果影響較大;在制動踏板角度大于8%后，基于實測數(shù)據(jù)計算的偏差在-27%到-21.5%之間，與理論值一25%接近，已經(jīng)足夠用于相關(guān)診斷。

變化量偏差

同樣對于制動前真實的真空度-70kPa，將傳感器特性縮小10%后，軟件計算得到的真空度變?yōu)?77kPa，以-77kPa真空度為起點，進(jìn)行了若干次不同踏板角度的制動;同時，在傳感器特性正確的情況下，同樣以-77kPa真空度為起點，進(jìn)行了若干次不同踏板角度的制動，數(shù)據(jù)對比如圖14所示：

基于擬合結(jié)果計算得到傳感器特性偏差一10%時，制動前后真空度變化量與傳感器特性正確時真空度變化量的偏差ε的關(guān)系，如圖15所示：

變化量偏差

從圖15中數(shù)據(jù)得到，當(dāng)剎車踏板角度大于8%時，制動前后的真空度變化量偏差ε在-42.7%到-43.7%之間，雖與理論計算值50%有一定的偏差，但已經(jīng)足夠用于相關(guān)診斷。

因此，可以在傳感器特性正常時，在不同的制動初值真空度下實施不同踏板角度的制動后，采集制動前后真空腔真空度變化量，即△Pmoa值，如表2所示。在車輛運行過程中，每次駕駛員實施制動后，將通過傳感器輸出電壓計算得到的制動前后真空度變化量△snsr與APmod比較，根據(jù)二者偏差是否超過門限，便可判斷傳感器特性是否發(fā)生偏移。

4建模與實車功能驗證

4.1軟件建模

根據(jù)上述分析，在每次踩制動前，如果真空腔壓力已經(jīng)穩(wěn)定，則采集一次制動前真空腔真空度，并在制動過程中實時計算制動前后的真空腔壓力變化量，并與理論真空腔壓力變化量比較，如果偏差超過門限，則可信度故障計數(shù)加1，當(dāng)故障計數(shù)器值超過設(shè)定門限后，則認(rèn)為VCU采集的真空度傳感器電壓存在可信度故障，圖16為控制系統(tǒng)模型算法原理圖。

4.2偏差門限值的設(shè)定

當(dāng)VCU采集的真空度傳感器電壓偏大時，即真實的真空度偏小，則會導(dǎo)致助力變小，影響制動安全性與制動腳感，需要結(jié)合制動部門根據(jù)制動安全性及制動腳感等因素綜合提出的可接收的真空度變化范圍，來制定允許的真空度傳感器偏差上限值，本文將偏差限值設(shè)為15%;

VCU采集的真空度傳感器電壓偏小時，即真實的真空度偏大，雖然會導(dǎo)致制動腳感更好，但會導(dǎo)致電動真空泵超負(fù)荷工作，因此需要結(jié)合電動真空泵的耐久性指標(biāo)提出電動真空泵可工作的真空度最大值，然后根據(jù)此最大值確定真空度傳感器特性偏差的下限值，本文將偏差設(shè)為-10%。

4.3軟件功能驗證

手動將軟件中的真空度傳感器特性（輸入為傳感器輸出電壓，輸出為該電壓對應(yīng)的真空度值）放大10%和縮小-10%，以模擬傳感器輸出電壓發(fā)生偏移，然后進(jìn)行正常時行車過程，行車過程中，當(dāng)滿足檢測工況條件時，軟件很好的識別到了傳感器特性偏移故障，證明本檢測方法及檢測策略是正確的，可用來進(jìn)行真空度傳感器特性偏移導(dǎo)致的可信度故障的檢測。

5結(jié)束語

對于裝備制動真空助力器的電動車而言，電動真空泵作為唯一的真空來源，其是否能夠正確工作完全取決于VCU基于收到的真空度傳感器電壓計算的系統(tǒng)真空度值，因此需要對VCU采集的真空度傳感器電壓進(jìn)行可信度診斷，以確保VCU采集的真空度傳感器電壓能夠真實的反映系統(tǒng)真空度。本文從制動真空助力器結(jié)構(gòu)入手，從理論上分析推導(dǎo)了當(dāng)真空度傳感器電壓出現(xiàn)可信度故障后，通過異常的傳感器電壓計算得到的制動前后真空度損失量，與通過制動初始時異常的真空度值通過模型計算得到的真空度損失量存在偏差，同時經(jīng)過建模分析和實車數(shù)據(jù)采集驗證，得到如下結(jié)論：

1、在同一個制動初始真空度下，不同的車速下，以不同的制動速度達(dá)到同一個制動踏板角度，制動過程前后的真空度變化量與踩制動速度和車速無關(guān)，只與制動初始的真空度以及制動踏板角度有關(guān)。

2、當(dāng)真空度傳感器特性出現(xiàn)偏移后，通過偏移后的傳感器輸出值計算得到的制動前后真空度變化量，與通過制動前的真空度值通過查標(biāo)準(zhǔn)真空度變化量表得到的真空度變化量存在偏差，且這個偏差只與大氣壓力以及制動前真空度值，以及傳感器電壓偏移程度有關(guān);在同一大氣壓力與傳感器與當(dāng)前偏移程度下，這個偏差只與制動前真空度值有關(guān)。