EPB 電子駐車制動系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

韓厚祿

（奇瑞捷豹路虎汽車有限公司上海分公司， 上海 200335）

1 前言

隨著汽車電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 越來越多的電子技術(shù)應(yīng)用到整車上。 其中， EPB 電子駐車制動系統(tǒng) （EPB，Electrical Parking Brake system） 是繼ABS、 ESC等系統(tǒng)之后的新興制動控制技術(shù)之一， 適應(yīng)于汽車智能化的發(fā)展趨勢。

相比傳統(tǒng)的機械手柄式/腳踏板式駐車制動系統(tǒng)， EPB電子駐車制動系統(tǒng)具有以下明顯的優(yōu)勢。

1） 提高了舒適性和安全性， 通過操縱EPB按鍵實現(xiàn)駐車夾緊或釋放， 避免由于人力操縱大小而導(dǎo)致駐車制動力不同的情況發(fā)生， 降低了駕駛員 （尤其是女性） 的操作強度。

2） 節(jié)省了布置空間， 取消了機械駐車手柄結(jié)構(gòu)， 為內(nèi)飾造型設(shè)計提供了更大的發(fā)揮空間。

3） 實現(xiàn)輕量化設(shè)計， 取消了機械手柄、 手柄護套、 駐車拉索、 拉索支架等零部件， 有效減少了零部件數(shù)量， 簡化了裝配工序。

4） 適應(yīng)智能化發(fā)展趨勢。 EPB系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品， 屬于線控制動的系統(tǒng)之一， 信號響應(yīng)速度快， 可支持實現(xiàn)自動泊車等ADAS功能。

整體而言， EPB電子駐車制動系統(tǒng)以其舒適性、 線控性等優(yōu)勢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械駐車制動系統(tǒng)， 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(nèi)對于EPB系統(tǒng)的研究， 大部分都在研究EPB系統(tǒng)中的EPB卡鉗的夾緊力計算校核及法規(guī)符合性。 而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是EPB系統(tǒng)的核心技術(shù)， 對其進行研究具有重要意義。

2 EPB系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)式樣

根據(jù)EPB系統(tǒng)的ECU和執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式差異， 可將EPB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3種式樣： 拉索式EPB系統(tǒng)、 獨立式EPB系統(tǒng)、 集成式EPB系統(tǒng)， 以下進行簡單介紹。

1） 拉索式EPB系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)的機械手柄/腳踏板式的駐車制動系統(tǒng)差別不大， 主要是將原來的駐車手柄或駐車腳踏板、 平衡塊等更換為EPB開關(guān)和拉索控制模塊， 但仍然保留了左右兩根駐車拉索， 分別與后輪左右IPB機械卡鉗連接。 駕駛員操縱EPB按鈕向拉索控制模塊發(fā)出指令， 通過拉索控制模塊內(nèi)部的電機及減速機構(gòu)帶動左右兩根拉索的張緊或釋放， 實現(xiàn)左右后IPB機械卡鉗的夾緊或釋放， 從而實現(xiàn)車輛的駐車制動或解除的功能。 由于該系統(tǒng)存在拉索傳動效率低、 夾緊力小、 動態(tài)響應(yīng)速度慢等缺點， 搭載的車型較少， 不符合今后的技術(shù)發(fā)展趨勢， 該技術(shù)方案逐漸被市場淘汰。

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(gòu)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。 獨立式EPB系統(tǒng)如圖1a所示。

圖1 EPB電子駐車制動系統(tǒng)示意圖

3） 集成式EPB系統(tǒng) （圖1b）。 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(nèi)， 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(fù)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。

當前集成式EPB系統(tǒng)的典型技術(shù)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)為代表的產(chǎn)品， 已經(jīng)廣泛地搭載應(yīng)用在國內(nèi)外各大主機廠的量產(chǎn)車型上。

2.2 系統(tǒng)組成

由圖1 可知， 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(guān)、 IGN點火開關(guān)等組成。 通過CAN總線與EMS發(fā)動機控制模塊、 TCU變速器控制模塊、 組合儀表、 網(wǎng)關(guān)Gateway、 診斷模塊DTC等進行信息通信。 系統(tǒng)組成及原理如圖2所示。

圖2 EPB系統(tǒng)組成及原理圖

2.2.1 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， 兩者之間通過CAN總線進行通信。EPB ECU由蓄電池直接供電， 與EPB電子卡鉗之間通過硬線連接， 與其它控制器通過CAN總線進行信息通信。 圖3所示為EPB ECU控制器的PIN腳定義圖。

圖3 EPB ECU控制器PIN腳定義

2.2.2 ESC控制模塊

ESC控制模塊是獨立式EPB系統(tǒng)的關(guān)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、 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。

2.2.3 EPB執(zhí)行機構(gòu)

左右EPB電子卡鉗為EPB系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)， 主要由直流無刷電機、 減速機構(gòu)、 機械卡鉗等部分構(gòu)成。 如圖4a、 圖4b所示。 EPB電機通電后運轉(zhuǎn)， 帶動皮帶輪旋轉(zhuǎn)， 通過減速機構(gòu)的行星齒輪傳動后， 齒輪箱輸出軸與螺桿連接， 帶動螺套轉(zhuǎn)動， 從而推動活塞壓緊內(nèi)側(cè)摩擦片， 實現(xiàn)卡鉗的夾緊動作。 在卡鉗夾緊后電流隨著壓力繼續(xù)增大而升高。EPB ECU全程對電機的電流進行監(jiān)控， 當電流升高到設(shè)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(zhuǎn)動帶動螺桿螺套回位， 電流到達設(shè)定值后， 夾緊力解除。 減速機構(gòu)按照結(jié)構(gòu)形式分類， 主流的包括皮帶傳動及兩級行星齒輪傳動機構(gòu)、 齒輪傳動、 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(qū)動電流值、 夾緊/釋放的作動時間等關(guān)鍵參數(shù)， 需要基于系統(tǒng)性能開發(fā)目標， 進行匹配選型及計算校核， 結(jié)合EPB電子卡鉗的臺架性能試驗驗證結(jié)果， 通過實車進行標定和驗證。

圖4 EPB電子卡鉗結(jié)構(gòu)及性能曲線

2.3 EPB系統(tǒng)功能

根據(jù)不同的駕駛場景及應(yīng)用工況， EPB系統(tǒng)除了可以提供常規(guī)的靜態(tài)手動釋放、 自動釋放、 AUTO HOLD自動駐車等功能之外， 還可以提供ESC聯(lián)動、 后輪防抱死制動、降級制動等動態(tài)緊急制動功能， 以及自動識別轉(zhuǎn)鼓檢測、自動調(diào)整間隙等輔助功能， 極大地提高了駕駛舒適性， 確保車輛的行車及駐車安全。 整理的具體系統(tǒng)功能說明見表1。

表1 EPB系統(tǒng)功能

典型功能的應(yīng)用場景介紹如下。

1） 手動釋放/手動駐車

EPB的基礎(chǔ)功能完全取代傳統(tǒng)手動駐車制動系統(tǒng)， 實現(xiàn)駐車系統(tǒng)的靜態(tài)夾緊和釋放。 因此， EPB系統(tǒng)的駐車功能需要滿足相應(yīng)的法規(guī)要求， 具體要求見表2。

表2 駐車制動系統(tǒng)法規(guī)

目前各大廠家的EPB電子卡鉗產(chǎn)品， 在額定電壓、 額定電流負載下提供的夾緊力可達20kN甚至更大， 可以滿足M1類車輛在30%坡道上實現(xiàn)靜態(tài)駐車的要求。

2） 自動釋放

自動釋放功能是EPB系統(tǒng)提供的舒適性功能之一， 駕駛員可以在不事先松開EPB開關(guān)的情況下直接起步， 這一點在坡道起步時尤其顯得有幫助。 車輛在靜態(tài)駐車時，EPB系統(tǒng)可以自動識別車輛停駐的坡度， 監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速及扭矩、 駕駛員安全帶及車門狀態(tài)、 擋位狀態(tài)等信號， 當動力總成發(fā)出的驅(qū)動力足夠時， 系統(tǒng)發(fā)出指令釋放EPB電子卡鉗， 避免溜車并舒適地起步駛離， 保證車輛起步安全。

3） AUTO HOLD自動駐車

AUTO HOLD自動駐車是與ESC系統(tǒng)聯(lián)動的功能， 駕駛員操作AUTO HOLD開關(guān)， 車輛制動停車后， ESC系統(tǒng)對4個卡鉗輪缸施壓一定的油壓確保車輛駐車， 當ESC系統(tǒng)油壓制動的時間超過設(shè)定時間時 （一般為3min）， 或者該功能介入期間駕駛員松開安全帶、 打開車門、 發(fā)動機熄火， 此時ESC系統(tǒng)的油壓制動退出， 由EPB電子卡鉗接管實施夾緊， 確保車輛駐車。 該功能適用于長時間等紅燈、 擁堵工況下長時間等待時駐車停車的駕駛場景。 該功能與EPB自動夾緊、 Start-Stop自動啟停、 HHC坡道輔助起步等功能之間有聯(lián)動及協(xié)作關(guān)系。

4） 動態(tài)功能 （包括ESC聯(lián)動、 EPB后輪防抱死制動、降級制動）

動態(tài)功能一般指動態(tài)緊急制動功能， 在車輛行駛過程中， 車速達5km/h以上時， 駕駛員持續(xù)拉起EPB開關(guān) （如時間為2s以上）， 則EPB ECU監(jiān)測車輛狀態(tài)， 通過CAN總線持續(xù)向ESC系統(tǒng)發(fā)出制動請求， 此時由ESC系統(tǒng)對4個車輪端的卡鉗施加油壓進行制動， 直至車輛減速停車。 該功能與傳統(tǒng)的機械駐車制動系統(tǒng)制動只能將駐車制動力施加在后輪上不同， 動態(tài)制動時通過ESC系統(tǒng)可以提供較大的制動減速度， 同時確保后輪不會發(fā)生抱死現(xiàn)象。

當ESC系統(tǒng)失效， 則由EPB電子卡鉗對后輪實施動態(tài)制動， 調(diào)整制動力， 防止后輪抱死。

當ESC系統(tǒng)失效， 且部分輪速信號失效時， 則EPB系統(tǒng)通過施加設(shè)定的恒定大小的夾緊力實施后輪制動， 確保車輛減速停車。

5） 轉(zhuǎn)鼓檢測

車輛處于靜止停車狀態(tài)， EPB系統(tǒng)檢測車輛狀態(tài)， 依據(jù)前后輪速、 發(fā)動機點火、 制動踏板踩下等信號， 識別出當前狀態(tài)為轉(zhuǎn)鼓檢測狀態(tài)。 駕駛員拉起EPB開關(guān)， 則由EPB系統(tǒng)響應(yīng)開關(guān)動作， 發(fā)出指令分段逐步增加EPB電子卡鉗的夾緊力。

結(jié)合前文描述， 將EPB系統(tǒng)各個功能相關(guān)的輸入及輸出信號整理見表3。

表3 EPB系統(tǒng)相關(guān)信號

3 EPB系統(tǒng)開發(fā)流程

EPB系統(tǒng)各項功能需要考慮整車質(zhì)量及前后軸荷分配、ESC系統(tǒng)及基礎(chǔ)制動系統(tǒng)參數(shù)選型、 對手件設(shè)計輸入包括EPB開關(guān)、 IGN點火開關(guān)、 制動踏板、 離合踏板、 發(fā)動機控制模塊EMS、 變速器控制模塊TCU、 組合儀表、 網(wǎng)關(guān)、 診斷接口等， 進行系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

因此， 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(luò)架構(gòu)、 CAN通信矩陣、診斷規(guī)范、 通信協(xié)議、 系統(tǒng)性能要求等設(shè)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 “兩次高附一次低附”路面的實車標定及量產(chǎn)軟件的發(fā)布。

EPB系統(tǒng)軟件開發(fā)時， 應(yīng)按時間節(jié)點及項目實際進度，逐步開發(fā)、 凍結(jié)、 釋放不同版本的軟件。 包括確認通信規(guī)范、 網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議、 診斷規(guī)范等， 結(jié)合EPB電子卡鉗的臺架參數(shù)、 HIL硬件在環(huán)仿真測試結(jié)果、 EPB系統(tǒng)的實車標定結(jié)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)版軟件的品質(zhì)可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。 軟件開發(fā)過程如圖5所示。

圖5 EPB系統(tǒng)軟件開發(fā)過程

實車標定時， 可以基于EPB系統(tǒng)軟件開發(fā)的成熟度，結(jié)合HIL臺架仿真各項功能及失效模擬的臺架測試結(jié)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、 對接路面的動態(tài)制動功能， 驗證夏季高溫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，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(luò)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、 性能表現(xiàn)滿足設(shè)計要求。

4 EPB系統(tǒng)性能驗收及評價

EPB系統(tǒng)開發(fā)時， 在實車標定及性能驗收階段， 主要從系統(tǒng)的功能和性能兩個方面進行試驗評價及驗收。 其中，功能檢查時， 主要確認前文表1的各項功能的控制邏輯的設(shè)定及動作是否符合定義， 本文不再贅述。 系統(tǒng)性能要求總結(jié)如下。

4.1 靜態(tài)坡道駐車性能評價

分別在10%坡度、 20%坡度、 30%坡度或車輛可實現(xiàn)的最大駐車坡度的路面條件下， 將車頭分別設(shè)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)條件下的駐坡能力評價見表4。 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， 按照表4的方法， 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≥5min。

表4 坡道駐車性能要求

4.2 自動釋放性能評價

自動釋放的性能要求見表5。

表5 自動釋放性能要求

4.3 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見表6。

表6 自動釋放性能要求

5 結(jié)束語

本文闡述了EPB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型、 系統(tǒng)零部件構(gòu)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試驗評價方法等， 對于新車型的EPB系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)， 特別是對EPB系統(tǒng)的各項子功能要求、 性能評價等方面， 具有一定的指導(dǎo)意義。