EPB電子駐車制動系統(tǒng)設計開發(fā)

韓厚祿

（奇瑞捷豹路虎汽車有限公司上海分公司）

隨著汽車電子技術的蓬勃發(fā)展，越來越多的電子技術應用到整車上。其中EPB（Electrical Parking Brake system）電子駐車制動系統(tǒng)是繼ABS、ESC等系統(tǒng)之后的新興的制動控制技術之一，適應了汽車智能化的技術發(fā)展趨勢。EPB電子駐車制動系統(tǒng)的應用可以使汽車內部空間的利用和中央通道、腳部空間的設計具有更大的靈活性；由于取消了傳統(tǒng)的機械駐車制動系統(tǒng)的手剎手柄、駐車腳踏板和拉索，簡化了裝配過程；提高了用戶的舒適性和安全性[1]。當前EPB電子駐車以其舒適性、線控性等優(yōu)勢，裝車比率大幅提升，已經(jīng)成為駐車制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。目前國內對于EPB電子駐車系統(tǒng)的研究，大部分都在研究EPB卡鉗夾緊力計算及法規(guī)符合性驗證，而對EPB系統(tǒng)的控制策略、系統(tǒng)功能及性能要求、整車試驗評價方法等方面內容的介紹文獻資料較少，對其進行研究具有重要意義。

1 EPB系統(tǒng)架構

1.1 結構式樣

根據(jù)EPB系統(tǒng)的ECU和執(zhí)行機構的結構形式差異，EPB系統(tǒng)主要有3種結構式樣，包括拉索式EPB系統(tǒng)、獨立式EPB系統(tǒng)及集成式EPB系統(tǒng)，簡單介紹如下：

1）拉索式EPB系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的機械手柄式、腳踏板式的駐車制動系統(tǒng)差別不大，主要是將原來機械式駐車手柄平衡塊等更換為EPB開關和拉索控制模塊，并且仍然保留了左右兩根駐車拉索，分別與后輪左右后IPB機械卡鉗連接。由于該系統(tǒng)存在拉索傳動效率低、夾緊力小、動態(tài)響應速度慢等缺點，搭載的車型較少，不符合今后的技術發(fā)展趨勢，已逐漸被市場淘汰。

2）獨立式EPB系統(tǒng)。該系統(tǒng)方案取消了駐車拉索，執(zhí)行機構為后輪的左右EPB電子卡鉗，EPB電機直接集成在后卡鉗上。系統(tǒng)采用一個單獨的ECU作為EPB系統(tǒng)的控制模塊，ECU通過信號控制EPB電子卡鉗的夾緊或釋放，從而實現(xiàn)車輛的駐車制動或解除的功能。

3）集成式EPB系統(tǒng)。相比獨立式EPB系統(tǒng)，集成式EPB系統(tǒng)取消了獨立的EPB ECU，將EPB系統(tǒng)軟件集成到ESC控制模塊內，整個系統(tǒng)的線束布置更加簡單，有效減少了系統(tǒng)零部件的數(shù)量、線束長度及系統(tǒng)復雜度，減小了系統(tǒng)的失效概率，通信更快更安全，同時ESC系統(tǒng)和EPB系統(tǒng)也可以更好地協(xié)作[2]。

當前集成式EPB系統(tǒng)的典型的技術方案，主要有博世的APB-Mi系列、大陸MK100 IPB系列、TRW的EBC 460i系列等各大系統(tǒng)為代表的ESCi模塊化產(chǎn)品（集成EPB控制模塊），已經(jīng)廣泛地搭載應用在國內外各大主機廠的量產(chǎn)車型上[3]。如圖1所示。

圖1 EPB電子駐車制動系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)組成

獨立式EPB系統(tǒng)主要由ESC控制模塊、EPB ECU、左右后EPB電子卡鉗、EPB開關、IGN點火開關等組成。通過CAN總線與EMS發(fā)動機控制模塊、TCU變速箱控制模塊、組合儀表、網(wǎng)關及診斷模塊DTC等進行信息通信。EPB系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 EPB系統(tǒng)組成及原理圖

1.2.1 EPB ECU控制器

EPB ECU控制器是獨立式EPB系統(tǒng)的核心控制模塊，它可以集成加速度傳感器，也可以從ESC控制模塊中獲取縱向和橫向加速度信號，2者之間通過CAN總線進行通信。EPB ECU由蓄電池直接供電，與EPB開關、Auto Hold開關、左右后EPB電子卡鉗等零部件通過硬線連接，與其它控制器通過CAN總線進行信息通信。圖3示出EPB ECU控制器的PIN腳定義的示意圖。

圖3 EPB ECU控制器PIN腳定義示意圖

1.2.2 ESC控制模塊

ESC控制模塊是獨立式EPB系統(tǒng)的關鍵控制模塊之一，它通過CAN總線向EPB系統(tǒng)提供車速信號、前后車輪輪速信號、縱向加速度信號、坡度信號及ESC系統(tǒng)狀態(tài)信號等。還可以與EPB系統(tǒng)聯(lián)動，提供自動停車、緊急制動等功能。在集成式EPB系統(tǒng)方案中，則將前文所述的EPB ECU的控制軟件、控制電路等集成到ESC控制模塊中，由ESC控制模塊負責ESC系統(tǒng)、EPB系統(tǒng)的運行。

1.2.3 EPB執(zhí)行機構

左右EPB電子卡鉗為EPB系統(tǒng)的執(zhí)行機構，主要由直流無刷電機、減速機構、機械卡鉗等部分構成。如圖4a、4b所示。EPB電機通電，通過減速機構帶動螺套與輸出軸螺桿轉動，推動螺套軸向移動，推動活塞壓緊摩擦片，最終實現(xiàn)夾緊動作。EPB ECU全程對電機的電流進行監(jiān)控，當電流升高到設定值后即達到所需夾緊力，切斷電流。當制動卡鉗釋放時，電機反向轉動帶動螺桿螺套回位，電流到達設定值后，夾緊力解除[4]。

其中，減速機構按照結構形式分類，包括皮帶傳動及兩級行星齒輪傳動機構、齒輪傳動及兩級行星齒輪傳動機構等，活塞頂出結構包括螺桿螺套及蝸輪蝸桿傳動形式等。

圖4c所示為EPB電子卡鉗的夾緊力及電流曲線。EPB系統(tǒng)開發(fā)時，對EPB電子卡鉗的夾緊力大小、EPB電機的驅動電流值大小、夾緊/釋放的作動時間等關鍵參數(shù)，需要基于系統(tǒng)性能的開發(fā)目標，進行匹配選型及計算校核，實施臺架性能試驗及實車標定驗證。

圖4 EPB電子卡鉗結構及性能曲線

1.3 EPB系統(tǒng)功能

根據(jù)不同的駕駛場景及應用工況，EPB系統(tǒng)除了可以提供常規(guī)的手動釋放、自動釋放及Auto hold自動駐車等靜態(tài)功能之外，還可以提供ESC聯(lián)動、后輪防抱死制動及降級制動等動態(tài)緊急制動功能，以及自動識別轉鼓檢測、自動調整間隙及系統(tǒng)診斷等輔助功能，極大地提高了駕駛舒適性，確保了車輛的行車及駐車安全。EPB系統(tǒng)功能如表1所示。

表1 EPB系統(tǒng)功能

2 EPB系統(tǒng)開發(fā)流程

EPB系統(tǒng)在設計開發(fā)時，各項功能需要考慮整車質量及前后軸荷分配、ESC系統(tǒng)及基礎制動系統(tǒng)參數(shù)選型、對手件設計輸入包括EPB開關、IGN點火開關、制動踏板、離合踏板、發(fā)動機控制模塊EMS、變速箱控制模塊TCU、組合儀表、網(wǎng)關和診斷接口等整車、電子電氣架構及系統(tǒng)零部件等設計狀態(tài)，進行系統(tǒng)開發(fā)。在新車型、新項目的EPB系統(tǒng)開發(fā)時，需要基于EPB系統(tǒng)的功能及性能要求、網(wǎng)絡架構、CAN通信矩陣、診斷規(guī)范、通信協(xié)議及系統(tǒng)性能要求等設計輸入，綜合考慮ESC系統(tǒng)的開發(fā)進度，制定合理的開發(fā)周期及時間計劃，開展EPB系統(tǒng)軟件開發(fā)測試，實施“2次高附1次低附”路面的實車標定及量產(chǎn)軟件的發(fā)布。EPB系統(tǒng)軟件在項目開發(fā)過程中，應按時間節(jié)點及項目實際進度，逐步開發(fā)、凍結及釋放不同版本的軟件。包括確認通信規(guī)范、網(wǎng)絡管理協(xié)議及診斷規(guī)范等，結合EPB電子卡鉗的臺架參數(shù)及HIL硬件在環(huán)仿真測試結果、EPB系統(tǒng)的實車標定結果等，逐步完善系統(tǒng)軟件的標定參數(shù)及程序，確保最終釋放的量產(chǎn)版軟件的質量可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。EPB系統(tǒng)軟件開發(fā)流程如圖5所示。

圖5 EPB系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

實車標定時，可以基于EPB系統(tǒng)軟件開發(fā)的成熟度，結合HIL臺架仿真各項功能及模擬特定失效的臺架測試結果，分別在夏季標定階段及冬季標定階段，驗證實車在高附路面、模擬低附路面（夏季）、低附路面（冬季積雪路面、冰面等）、對開路面及對接路面的動態(tài)制動功能，驗證夏季高溫及冬季冰雪路面條件下的平地及坡道輔助起步、EPB系統(tǒng)各項功能表現(xiàn)等，標定并優(yōu)化EPB系統(tǒng)的控制參數(shù)，驗證系統(tǒng)控制邏輯，模擬通信信號、網(wǎng)絡故障等在失效工況下的實車表現(xiàn)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全可靠，并且性能表現(xiàn)滿足設計要求。

3 EPB系統(tǒng)性能評價及驗收

EPB系統(tǒng)開發(fā)時，在實車標定的性能評價、驗收階段，主要從系統(tǒng)的功能和性能2個方面進行試驗評價及驗收。其中，功能檢查時，需要判斷表1所示的各項功能的控制邏輯的設定及動作是否符合邏輯定義。EPB系統(tǒng)的性能驗收時，結合前文描述，介紹其中的關鍵幾項功能的性能指標要求。

3.1 靜態(tài)坡道駐車性能評價

EPB系統(tǒng)的靜態(tài)駐坡能力，涉及到的強制性法規(guī)主要有GB 7258—2012《機動車運行安全條件》、GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術要求及試驗方法》、GB 21670—2008《乘用車制動系統(tǒng)技術要求及試驗方法的要求》中對于駐車制動系統(tǒng)的要求[5-7]，文章在此不再贅述。

在標定試驗及驗收評價時，按法規(guī)要求及設計開發(fā)要求，分別在10%坡度、20%坡度、30%坡度或車輛可實現(xiàn)的最大駐車坡度的坡度，路面為干瀝青路面或混凝土路面，將車頭分別設置在上坡、下坡方向，車輛配重為滿載狀態(tài)下，制動系統(tǒng)分別為冷態(tài)及熱態(tài)時，驗證系統(tǒng)提供的坡道駐車能力。

制動系統(tǒng)在冷態(tài)條件下，踩下制動踏板，車輛保持靜止，擋位設為N檔，拉起EPB開關，松開制動踏板。要求停駐時間≥5 min。

制動系統(tǒng)在熱態(tài)條件下評價駐坡性能時，需要駕駛員對車輛進行制動磨合，當制動盤溫度達到300℃以上時，與冷態(tài)時的評價方法相同，分別在不同坡度的路面上進行駐坡能力的評價，要求停駐時間≥5 min。

3.2 自動釋放性能評價

自動釋放的性能要求如表2所示。

表2 自動釋放性能要求

3.3 動態(tài)緊急制動性能評價

對于EPB系統(tǒng)的動態(tài)緊急制動功能，試驗評價時的性能要求如表3所示。

表3 自動釋放性能要求

4 結論

EPB電子駐車制動系統(tǒng)由于在舒適性、集成化、線控化等方面相比傳統(tǒng)的機械式駐車制動系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，當前在不同級別及價位的乘用車及輕型商用車產(chǎn)品上已經(jīng)廣泛搭載應用，是線控底盤駐車制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和主流方向。該系統(tǒng)屬于車輛主動安全系統(tǒng)之一，在新項目新車型開發(fā)時也屬于需要實施標定匹配的關鍵系統(tǒng)。文章結合項目經(jīng)驗，闡述了EPB系統(tǒng)的結構類型、系統(tǒng)零部件構成、系統(tǒng)各子功能的工作原理、性能要求等，介紹了EPB系統(tǒng)軟件的開發(fā)流程及實車標定時的評價方法等，對于新車型的EPB系統(tǒng)設計開發(fā)，特別是對EPB系統(tǒng)的各項子功能的功能要求、性能評價等方面，具有一定的指導意義。