某電動汽車ebooster智能剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張歡歡

某電動汽車ebooster智能剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張歡歡

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 新能源乘用車公司新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

文章分析了電動汽車ebooster智能剎車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，基于公司某款純電動汽車，設(shè)計(jì)了以智能剎車系統(tǒng)為核心的行車制動系統(tǒng)方案，定義了整車制動性能目標(biāo)，定義了智能剎車系統(tǒng)的功能、性能目標(biāo)、功能安全及故障診斷策略，通過高附、低附標(biāo)定及整車制動性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了智能剎車系統(tǒng)的功能、性能等關(guān)鍵指標(biāo)。

電動汽車；制動系統(tǒng)；智能剎車系統(tǒng)

引言

近年來，隨著自動駕駛技術(shù)蓬勃發(fā)展，間接催生了相關(guān)零部件的火爆，其中的智能剎車系統(tǒng)，一般簡稱ibooster或ebooster（為表述方便，本文后續(xù)將“智能剎車系統(tǒng)”均簡稱為“ebooster”），是公認(rèn)的自動駕駛技術(shù)核心部件之一。ebooster是一種新型的乘用車制動系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初就完全考慮了自動駕駛需求，且具有降低油耗，節(jié)省電能，可實(shí)現(xiàn)制動能量回收最大化以及剎車柔性控制等優(yōu)勢，適用于傳統(tǒng)燃油車、混合動力汽車和純電動汽車，可適應(yīng)未來汽車電動化與自動化的發(fā)展趨勢[1]。特別是當(dāng)前純電動車，搭載智能剎車系統(tǒng)、具備L2及以上智能駕駛功能的產(chǎn)品正在積極進(jìn)入市場，創(chuàng)造嶄新的使用體驗(yàn)，大幅提升了產(chǎn)品的競爭力。因此，研究ebooster正逐漸成為各大主機(jī)企業(yè)和制動系統(tǒng)零部件企業(yè)的熱門課題。

1 ebooster的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

總體上，ebooster由制動主缸、電動助力器、踏板行程傳感器、制動液儲液罐、制動踏板安裝接口和前圍板安裝接口等組成，其中電動助力器包括助力電機(jī)和控制單元ECU。ebooster是當(dāng)前具備智能駕駛功能的電動車或燃油車制動系統(tǒng)的核心部件，如圖1所示。

1.2 工作原理

傳統(tǒng)燃油車在駕駛員踩下制動踏板后，制動踏板會利用機(jī)械力直接推動真空助力泵，再由真空助力泵推動制動主缸產(chǎn)生液壓制動力，推動制動卡鉗夾緊制動盤，從而制動。但新能源和混合動力車型沒有發(fā)動機(jī)，或者在純電動模式下，真空助力泵失去助力源，無法工作。那么，不需要真空助力泵、且能滿足智能駕駛緊急制動需求的制動系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[2]，這就是ebooster。ebooster的助力源是電機(jī)，其工作原理與當(dāng)前大多數(shù)純電動車使用的電動真空助力系統(tǒng)大致類似，見圖2所示。

1—前圍板安裝接口；2—電動助力器（助力電機(jī)+控制單元ECU）；3—制動主缸；4—制動液儲液罐；5—踏板行程傳感器；6—制動踏板安裝接口。

圖2 ebooster工作原理

當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，集成在ebooster上的踏板行程傳感器可采集到制動踏板有位移，輸出位移信號給電控單元ECU，驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生助力扭矩。因此駕駛員踩制動踏板實(shí)際是輸出制動需求，并未產(chǎn)生對主動主缸的機(jī)械推動力。助力電機(jī)產(chǎn)生的助力扭矩進(jìn)一步驅(qū)動蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，能使齒條總成產(chǎn)生放大十多倍的推力，從而驅(qū)動推桿，繼而推動制動主缸活塞前進(jìn)，在制動主缸及管路內(nèi)產(chǎn)生制動壓力[3]。ebooster產(chǎn)生的制動壓力性能見圖3曲線所示。

圖3 制動壓力曲線

制動壓力曲線由四段線段構(gòu)成：

線段①，空行程區(qū)，本質(zhì)就是防止駕駛員誤踩制動踏板。

線段②，制動力飛躍區(qū)，此區(qū)間制動踏板力開始制動。

線段③，制動力放大區(qū)，ebooster上集成的助力電機(jī)對制動踏板力按比例放大，產(chǎn)生大于駕駛員施加的制動踏板力幾倍或十?dāng)?shù)倍的助力。

線段④，踏板驅(qū)動區(qū)，此時需要駕駛員踩較大的踏板力機(jī)械放大制動。

同時，為了滿足不同駕駛員不同的駕駛習(xí)慣與要求，這個標(biāo)準(zhǔn)制動壓力曲線可以通過標(biāo)定與調(diào)節(jié)，調(diào)整為下方的運(yùn)動模式曲線或上方的舒適模式曲線[1]，甚至多數(shù)電動車同時標(biāo)定出上述多種制動壓力曲線，可由駕駛員自行選擇。

2 某電動車行車制動系統(tǒng)方案

2.1 行車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能目標(biāo)

本文研究的純電動車是一款標(biāo)準(zhǔn)A級轎車，最高車速150 km/h，百公里加速時間7.6 s。綜合工況續(xù)駛里程530 km，具有高性能、長續(xù)航的特點(diǎn)。車輛具備智能駕駛L2級及以上功能所需的ebooster等電動底盤系統(tǒng)，行車制動系統(tǒng)性能優(yōu)秀，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

1—左前制動器；2—ebooster；3—ESC控制器；4—右前制動器；5—EPB控制器；6—制動管路；7—右后制動器帶EPB卡鉗總成；8—后輪速傳感器；9—左后制動器帶EPB卡鉗總成；10—制動踏板總成。

整車制動性能目標(biāo)見表1。

表1 本文研究的某純電動車整車行車制動性能目標(biāo)

序號性能項(xiàng)目單位目標(biāo)值 1常溫制動50 km/h初速度制動距離m≤13 2修正后MFDDm/s2≥9.0 3踏板力N≤500 4穩(wěn)定性 未超出2.5 m通道寬 580 km/h初速度制動距離m≤27.5 6修正后MFDDm/s2≥9.5 7踏板力N500±50 8穩(wěn)定性 未超出2.5 m通道寬 9100 km/h初速度制動距離m≤45 10修正后MFDDm/s2≥9.5 11踏板力N≤500 12穩(wěn)定性 未超出2.5 m通道寬 13120 km/h初速度制動距離m≤63 14修正后MFDDm/s2≥9.5 15踏板力N≤500 16穩(wěn)定性 未超出2.5 m通道寬 17熱衰退-熱態(tài)性能100 km/h初速度制動距離m≤45 18修正后MFDDm/s2≥9.5 19踏板力N≤500 20穩(wěn)定性 未超出2.5 m通道寬 21熱衰退-恢復(fù)性能100 km/h初速度制動距離m≤45 22修正后MFDDm/s2≥9.5 23踏板力N≤500 24穩(wěn)定性 未超出2.5 m通道寬

2.2 ebooster功能定義

本文研究的ebooster系統(tǒng)功能主要有三個方面，一是基礎(chǔ)功能，二是制動能量回收功能，三是AVH功能。具體詳述如下：

2.2.1基礎(chǔ)功能

（1）負(fù)載匹配功能。受車輛制動管路，基礎(chǔ)負(fù)載一致性、安裝等因素影響，導(dǎo)致不同車輛的制動系統(tǒng)壓力與體積關(guān)系特性（PV特性）偏差較大，為保證不同車輛的制動平順性及踏板感均滿足要求，ebooster需對當(dāng)前車輛的負(fù)載進(jìn)行匹配。

（2）售后加液排氣功能。為提高售后車輛加液排氣效率，ebooster需要識別加液排氣工況，放開靜態(tài)限位，并在加液排氣完成后負(fù)載匹配。

（3）壓力協(xié)調(diào)功能。當(dāng)車輛觸發(fā)ABS功能時，為保證實(shí)際制動主缸壓力在合理范圍內(nèi)，同時優(yōu)化緩解ABS觸發(fā)時制動踏板抖動情況，ebooster需要在ABS觸發(fā)期間調(diào)節(jié)制動主缸壓力，使主缸壓力維持在合理范圍內(nèi)。

（4）轉(zhuǎn)轂?zāi)Ｊ阶R別功能。當(dāng)車輛安裝在轉(zhuǎn)轂上開展試驗(yàn)時，由于前輪在轉(zhuǎn)轂上旋轉(zhuǎn)，后輪固定不動，導(dǎo)致報出ABS故障，使得整車無法能量回收。因此，ebooster、ABS、整車控制器均需要識別此工況，允許此時車輛能量回收。

（5）推桿零位匹配功能。由于整車裝配差異及制動踏板機(jī)械件差異，會導(dǎo)致車輛裝配后制動踏板零位對應(yīng)的傳感器占比存在偏差，為保證下線車輛制動踏板開度信號一致性，需針對下線車輛匹配推桿零位。

（6）故障代碼及軟硬件版本號網(wǎng)絡(luò)上報功能。為了方便車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)讀取ebooster故障代碼及其軟硬件版本號，需ebooster具備網(wǎng)絡(luò)上報功能。其中針對故障碼，只發(fā)最新的故障碼，不發(fā)歷史故障；上報故障等級最高的故障碼。

2.2.2制動能量回收功能

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)踏板解耦系統(tǒng)與協(xié)調(diào)式回饋策略的制動能量回收功能，即串聯(lián)式制動能量回收。根據(jù)制動踏板開度等解析駕駛員制動意圖，基于駕駛員制動需求協(xié)調(diào)分配電回饋制動和液壓制動，且在驅(qū)動電機(jī)能力、車輛穩(wěn)定性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制等條件允許下最大可能的分配給電回饋制動。電動車同時滿足以下條件才可以使能串聯(lián)制動能量回收，具體如下：

（1）整車處于ready狀態(tài)；

（2）整車擋位為前進(jìn)擋；

（3）駕駛員踩下制動踏板；

（4）未發(fā)生禁止能量回收的相關(guān)故障；

（5）未發(fā)生ABS觸發(fā)等影響車輛穩(wěn)定性的工況。

2.2.3 AVH駐車控制

（1）AVH駐車控制。ebooster收到整車控制器發(fā)出的AVH請求后，判斷可否使能AVH功能。如可使能，則進(jìn)入駐車階段。駐車控制模式有車輛剎停工況、大電機(jī)駐車后NBS接管兩種。

（2）AVH釋放控制。當(dāng)進(jìn)入AVH后，駕駛員踩下加速踏板、拉起EPB、駐車超時、駕駛員離開、下電、關(guān)閉AVH

開關(guān)后，ebooster需要退出AVH功能。釋放控制模式有泄壓、夾緊EPB后AVH釋放、AVH超時釋放、請求接管四種。

2.3 ebooster功能安全及故障定義

整車上電初始化后，ebooster自檢無任何故障且與整車控制器通訊正常，熄滅制動系統(tǒng)故障燈。整車控制器接收到ebooster上報的故障后，實(shí)施相應(yīng)的功能安全策略。ebooster系統(tǒng)故障定義為7級。具體見表2。

表2 ebooster功能安全及故障定義

故障等級故障說明ebooster助力模式整車功能安全策略 制動系統(tǒng)故障燈整車故障燈整車限速/(km/h) 無故障完整識別&實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖正常助力。滅滅 故障等級1完整識別&實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖（網(wǎng)絡(luò)故障BUSOFF）正常助力。滅滅 故障等級2完整識別&部分實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖（NBS溫度大于120℃且＜131℃）限制助力（隨電壓和溫度變化而降低最大助力，減速度＞0.3g)。紅燈滅50 故障等級3模糊識別&實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖(位移傳感器雙路故障或傳動機(jī)構(gòu)嚴(yán)重震顫）默認(rèn)助力（若駕駛員踩下制動踏板，車速大于30 kph時，默認(rèn)制動0.3g；車速小于30 kph時，默認(rèn)制動0.15g）。紅燈紅燈50 故障等級4無法識別駕駛員意圖（位移傳感器雙路故障且制動開關(guān)信號異常）限速助力（若駕駛員踩下制動踏板，車速大于30 kph時，默認(rèn)制動0.3g；車速小于30 kph時，默認(rèn)制動0.15g）。紅燈紅燈15 故障等級5完整識別&無法實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖（控制器內(nèi)部電路故障或制動強(qiáng)度嚴(yán)重異常）①無法助力。②正常發(fā)出回收扭矩請求。紅燈紅燈15 故障等級6無法完整識別&無法實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖（控制器內(nèi)部電路故障或制動強(qiáng)度嚴(yán)重異常且位移傳感器雙路故障）①無法助力。②若駕駛員踩下制動踏板，由VCU提供備份扭矩制動。紅燈紅燈15 故障等級7無法完整識別&無法實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖（控制器內(nèi)部電路故障或制動強(qiáng)度嚴(yán)重異常且位移傳感器雙路故障且制動開關(guān)信號異常）①無法助力。②若駕駛員踩下制動踏板，由VCU提供備份扭矩制動。紅燈紅燈15

3 ebooster性能標(biāo)定

一般的，配置ebooster系統(tǒng)的整車，需開展兩輪高附和一輪低附性能標(biāo)定，其中第二輪高附為性能驗(yàn)證。每輪標(biāo)定均依據(jù)定義的ebooster系統(tǒng)功能，在高、低附路面上，按照使用工況，調(diào)節(jié)ebooster電控單元、整車控制系統(tǒng)等相關(guān)控制器的軟件，以達(dá)成最優(yōu)的ebooster系統(tǒng)性能。

3.1 高附性能標(biāo)定

高附主要標(biāo)定ebooster的靜態(tài)及動態(tài)踏板感、ABS工作過程中的制動主缸壓力協(xié)調(diào)性能、不同工況下能量回收提供的最大減速度值及減速穩(wěn)定性、各工況下的AVH性能、故障注入后的整車表現(xiàn)、整車摩擦片及極限摩擦片在顛簸路上的踏板感魯棒性等。具體標(biāo)定內(nèi)容及性能目標(biāo)見表3。

3.2 低附性能標(biāo)定

低附主要標(biāo)定ebooster在冰雪等低附路面上的踏板感、特殊工況及失效后的安全性、AVH性能等。具體標(biāo)定內(nèi)容及性能目標(biāo)見表3。

4 整車制動性能試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 常規(guī)制動試驗(yàn)

完成標(biāo)定后的整車，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，基本符合整車制動性能目標(biāo)，ebooster標(biāo)定有效。

4.2 制動踏板感試驗(yàn)

完成標(biāo)定后的整車，踏板力與減速度、踏板行程與減速度試驗(yàn)結(jié)果見圖6、圖7，符合整車制動性能要求，ebooster標(biāo)定有效。

圖6 本文研究的電動車踏板力—減速度曲線

圖7 本文研究的電動車制動踏板行程—減速度曲線

表3 高附性能標(biāo)定

性能項(xiàng)目標(biāo)定工況標(biāo)定內(nèi)容 踏板感靜態(tài)踏板感車輛靜態(tài)踏板感、靜態(tài)踏板力。 動態(tài)踏板感①標(biāo)定車輛動態(tài)踏板感。②標(biāo)定減速度及時跟隨駕駛員意圖。 制動主缸壓力協(xié)調(diào)低附著路面觸發(fā)ABS①消除各工況下ABS觸發(fā)過程中的車輛抖動。②標(biāo)定車輛穩(wěn)定性。③標(biāo)定制動主缸壓力特性。 對接路面觸發(fā)ABS 對開路面觸發(fā)ABS 壞路觸發(fā)ABS 減速帶觸發(fā)ABS 砂石路面觸發(fā)ABS 能量回收滑行后制動標(biāo)定滑行回收過渡到制動能量回收過程中車輛減速度。 驅(qū)動后制動標(biāo)定驅(qū)動扭矩過渡到制動扭矩過程中車輛減速度。 能量回收中換擋標(biāo)定換擋過程中，車輛減速度。 能量回收退出標(biāo)定制動扭矩退出過程中車輛減速度。 AVH平地踩停駐車起步消除踩停進(jìn)入AVH過程的異響，起步拖滯和異響。 坡道踩停駐車起步消除踩停進(jìn)入AVH過程的異響和溜車，起步溜車、拖滯和異響。 坡道滑停駐車起步消除滑停進(jìn)入AVH過程的異響、溜車，起步溜車、拖滯和異響。 功能安全與故障ebooster無法助力標(biāo)定ebooster供電斷開時或控制器失效后的車輛制動能力。 Ebooster降助力標(biāo)定ebooster位移傳感器故障或其他部件故障后降級助力時的車輛制動力。 魯棒性長時間顛簸驗(yàn)證正常狀態(tài)下的摩擦片，長時間劇烈顛簸后的制動效能是否衰退。 極限摩擦片長時間顛簸驗(yàn)證極限狀態(tài)下的摩擦片，長時間劇烈顛簸后的制動效能是否衰退。

表4 低附性能標(biāo)定

性能項(xiàng)目標(biāo)定工況標(biāo)定內(nèi)容 常規(guī)踏板感靜態(tài)踏板感-慢踩標(biāo)定靜態(tài)下的踏板感要求 靜態(tài)踏板感-快踩標(biāo)定不同速度快速踩下制動踏板的助力特性 動態(tài)踏板感-純液標(biāo)定踏板行程與減速度對應(yīng)關(guān)系 動態(tài)踏板感-純電標(biāo)定純電制動時的踏板感與純液一致 動態(tài)踏板感-電液協(xié)調(diào)標(biāo)定電液混合制動時，踏板感與純液制動時一致 動態(tài)踏板感-輸入調(diào)節(jié)標(biāo)定制動減速度與踏板位移的線性關(guān)系 能量回收踏板感滑行后制動能量回收的踏板感消除制動踏板抖動和車輛的減速度抖動 驅(qū)動后制動能量回收的踏板感 能量回收中換擋的踏板感 能量回收退出的踏板感 能量回收介入的踏板感 能量回收中ABS介入的踏板感 不同SOC下，能量回收能力不同的踏板感驗(yàn)證滑行能量回收能力差異對踏板感的影響 觸發(fā)ABS時踏板感低附著路面觸發(fā)ABS時踏板感①消除ABS觸發(fā)過程中抖動②標(biāo)定車輛穩(wěn)定性③標(biāo)定制動主缸液壓特性 對接路面觸發(fā)ABS時踏板感 對開路面觸發(fā)ABS時踏板感 高附著路面觸發(fā)ABS時踏板感 特殊工況連續(xù)點(diǎn)踩消除車輛抖動 階梯制動消除車輛抖動 功能安全與故障ebooster無法助力標(biāo)定ebooster供電斷開時或控制器失效后的車輛制動能力 ebooster降級助力標(biāo)定ebooster位移傳感器故障或其他部件故障后降級助力時的車輛制動力 NVH車輛靜態(tài)，以不同速度踩制動驗(yàn)證ebooster震動噪音表現(xiàn) 車輛動態(tài)，以不同速度踩制動 執(zhí)行外部制動請求 AVH功能邏輯驗(yàn)證駐坡性能，起步 建壓觸發(fā)AVH驗(yàn)證駐坡性能，起步

5 總結(jié)

本文分析了電動汽車ebooster智能剎車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，基于公司某款純電動汽車，設(shè)計(jì)了以智能剎車系統(tǒng)為核心的行車制動系統(tǒng)方案，定義了整車制動性能目標(biāo)，定義了智能剎車系統(tǒng)的功能、性能目標(biāo)、功能安全及故障診斷策略，通過高附、低附性能標(biāo)定及整車制動性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了智能剎車系統(tǒng)的功能、性能等關(guān)鍵指標(biāo)，供業(yè)內(nèi)參考。

[1] 徐世賢.智能剎車系統(tǒng):CN201261395Y[P].2009.

[2] 陳超.基于iBooster和ESC的純電動車制動能量回收控制研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2020.

[3] 杜莎.博世iBooster助推汽車電氣化與自動駕駛發(fā)展[J].汽車與配件,2017(23):42-43.

Design and Research of an Electric Vehicle's ebooster Intelligent Braking System

ZHANG Huanhuan

（New Energy Vehicle Academy, New Energy Vehicle Group, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, the structure and working principles of the intelligent braking system, abbreviated as ebooster, are analyzed. Based on an electric vehicle, an intelligent braking system is designed as the core of the driving braking system. The function and performance targets, the function safety and the fault diagnosis strategies are defined. In the end, the key indexes of the intelligent brake system are verified by the high attached and low attached calibration as well as the vehicle braking performance tests.

Electric vehicle;Brake system;Intelligent braking system

A

1671-7988(2021)22-32-06

U471.15

A

1671-7988(2021)22-32-06

CLC NO.: U471.15

張歡歡（1983—），女，現(xiàn)任江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 新能源乘用車公司新能源汽車研究院副院長，負(fù)責(zé)整車系統(tǒng)集成及純電動車平臺產(chǎn)品開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.008