純電動商用車氣壓駐車制動線控技術(shù)研究

李 春，王爾烈,，聶石啟，王洪亮，譚福倫，皮大偉

(1.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215026；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

1 引言

我國“十三五”新能源汽車試點(diǎn)專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃的目標(biāo)之一是，電動汽車智能化水平達(dá)到SAE 3級，即自動駕駛系統(tǒng)在一定行駛條件下可以完全控制車輛縱向和橫向駕駛?cè)蝿?wù)。線控化駐車制動(electronic parking brake,EPB)技術(shù)便是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)使用場合不同，當(dāng)前線控化駐車制動通?？煞譃?種實(shí)現(xiàn)形式，一種是機(jī)械式駐車制動線控技術(shù)，主要用于乘用車和輕型商用車；另一種是氣壓式駐車制動線控技術(shù)，用于采用氣制動系統(tǒng)的商用車駐車制動。在機(jī)械式駐車制動線控方面，德國的天合汽車(ZF TRW)、博世、大陸汽車，韓國的萬都，以及國內(nèi)的吉林大學(xué)等均已研發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品，以提高車輛的主動安全性、降低其駕駛操縱難度。為改善商用車的坡道起步性能并實(shí)現(xiàn)自動駐車，國外的Wabco和Knorr、國內(nèi)的南京理工大學(xué)和瑞立科密等均對氣壓式駐車制動線控技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)。

目前，乘用車領(lǐng)域機(jī)械式駐車制動線控技術(shù)的應(yīng)用已成普及之勢；與之相比，氣壓式駐車制動線控技術(shù)的發(fā)展還處于發(fā)展階段，絕大部分中、重型商用車依然采用手控駐車制動系統(tǒng)。對于現(xiàn)代商用車智能化發(fā)展趨勢而言，駐車制動系統(tǒng)線控化是其智能化發(fā)展的必由之徑。本文以某純電動商用車為試驗(yàn)平臺，結(jié)合起步工況和駐車操縱的工作特點(diǎn)，研發(fā)了氣壓式駐車制動線控技術(shù)，以電磁閥為執(zhí)行元件，制定相應(yīng)的駐車制動控制策略，開發(fā)了控制系統(tǒng)軟硬件，實(shí)現(xiàn)了某純電動商用車氣壓式駐車制動系統(tǒng)的智能化以線控制。

2 系統(tǒng)氣壓管路布置

試驗(yàn)車輛為某采用電動機(jī)中央驅(qū)動和氣壓制動系統(tǒng)的純電動商用車，車輛可自動換擋。車輛氣壓制動回路如圖1所示，后橋采用復(fù)合制動氣室，行車制動為充氣制動，放氣解除制動；駐車制動為放氣制動，充氣解除制動。其中，駐車制動系統(tǒng)是以壓縮氣體為工作媒介，以手閥為操控機(jī)構(gòu)，以復(fù)合制動氣室為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以差動式繼動閥為功率放大機(jī)構(gòu)的先導(dǎo)式二級閥控系統(tǒng)(見圖2)。行車制動采用快放閥來縮短解除時(shí)間。為保證車輛制動的可靠性，行車制動系統(tǒng)和駐車制動系統(tǒng)的氣壓回路相互獨(dú)立。

對于駐車制動系統(tǒng)而言，當(dāng)復(fù)合制動氣室的駐車制動氣室內(nèi)無壓縮氣體時(shí)，制動推桿在彈簧的作用下伸出，促動制動蹄壓緊在制動鼓上，車輛施加駐車制動；當(dāng)駐車制動氣室充滿壓縮氣體時(shí)(氣源額定氣壓為0.8 MPa)，彈簧在氣壓作用下壓縮、制動推桿收回，制動蹄張開，車輛駐車制動釋放。圖1中差動式繼動閥的2個(gè)控制口41、42分別接受腳閥和手閥的控制氣壓，并根據(jù)41、42口的壓力來決定輸出口2的壓力，從而保證行車制動和駐車制動的正確性，并避免行車制動及駐車制動同時(shí)施加時(shí)產(chǎn)生制動重疊。

對于傳統(tǒng)手控駐車制動而言，差動式繼動閥控制口42的氣壓由手閥控制，不僅無法滿足智能駕駛的使用要求，同時(shí)由于手閥布置在駕駛室內(nèi)，存在控制氣管路長、系統(tǒng)響應(yīng)偏慢等問題。氣壓式駐車制動系統(tǒng)在管路布置上引入充氣電磁閥、放氣電磁閥和氣壓傳感器(如圖1紅色部分所示)，取代傳統(tǒng)手閥控制，實(shí)現(xiàn)駐車制動的安全智能控制。為使車輛在不同載荷、不同道路坡度下均能保證車輛平穩(wěn)起步，此時(shí)電磁閥采用脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)驅(qū)動來控制充氣壓力，實(shí)現(xiàn)駐車制動力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

圖1 氣動式駐車制動系統(tǒng)電-氣線路圖

圖2 氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)圖

3 線控駐車制動的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮整車特點(diǎn)，以及氣壓式線控駐車制動功能、性能和試驗(yàn)測試等的要求，按照模塊化設(shè)計(jì)思維，開發(fā)氣壓式駐車制動電子控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3所示。

1) CAN模塊支持CAN2.0A和2.0B，通過CAN總線讀取：驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和加速踏板信號，變速器的擋位信號，車輛的車速、電池SOC和制動踏板信號等。

2) 模擬電路處理氣壓測量信號。

3) 驅(qū)動電路將MCU的控制指令輸出，控制駐車制動系統(tǒng)電磁閥的動作。

4) 電源模塊為電控單元提供穩(wěn)定電壓并起保護(hù)作用。

5) 安全員的駐車制動意圖通過開關(guān)操控體現(xiàn)，開關(guān)分為手動和自動2種模式，開關(guān)動作通過開關(guān)電路處理后輸入MCU。

6) 電控單元內(nèi)部還集成了坡度測量、程序存儲、診斷存儲等功能模塊。電控系統(tǒng)的正常工作電壓為24 V，正常工作電流≤ 0.5 A，休眠狀態(tài)電流≤10 mA。

為滿足實(shí)車使用要求，并保證工作過程的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，電控系統(tǒng)還通過了高/低溫、振動等環(huán)境試驗(yàn)和輻射發(fā)射、瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射、輻射抗擾度等電磁性能試驗(yàn)的驗(yàn)證，符合我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 氣動式線控駐車制動系統(tǒng)的硬件架構(gòu)示意圖

3.2 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

與電子控制系統(tǒng)硬件相匹配，功能模塊化設(shè)計(jì)的氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 氣壓式線控駐車制動軟件結(jié)構(gòu)框圖

氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)通過CAN總線與車輛電控系統(tǒng)互聯(lián)，并與上位機(jī)采集與調(diào)試軟件相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和實(shí)車調(diào)試測試。內(nèi)部控制程序主要包括以下幾種功能模塊：

1) 測試功能。當(dāng)通過上位機(jī)采集界面向下位機(jī)發(fā)送測試指令時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入測試功能模塊，主要用于電磁閥等零部件功能的測試。

2) 休眠功能。若車輛處于熄火狀態(tài)，則電控系統(tǒng)進(jìn)入休眠功能模塊，減少系統(tǒng)能耗。

3) 標(biāo)定功能。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送參數(shù)標(biāo)定指令時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入控制參數(shù)的初始標(biāo)定功能模塊。

4) 安全員手動操控功能。ECU運(yùn)行過程中不斷檢測開關(guān)狀態(tài)，如果檢測到開關(guān)手動操作，系統(tǒng)進(jìn)入手動操控功能模塊，此時(shí)駐車及其釋放通過手動操控開關(guān)來完成。

5) 自動控制功能。若ECU運(yùn)行過程中無開關(guān)干預(yù)動作，則系統(tǒng)按照自動控制功能運(yùn)行，此時(shí)氣壓式駐車系統(tǒng)自動控制車輛駐車及釋放。

6) 應(yīng)急制動功能。若行車過程中，安全員發(fā)現(xiàn)臨時(shí)突發(fā)情況無法保證車速的安全可控，此時(shí)通過操控開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入人工接管應(yīng)急制動功能模塊，提高行車安全性。

7) 故障診斷功能。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不斷檢測軟硬件工作情況，實(shí)現(xiàn)故障診斷與存儲，并在故障模式下進(jìn)行安全降級，以保證車輛“跛行回家”。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)在實(shí)車運(yùn)行過程中的狀態(tài)，同時(shí)，便于參數(shù)標(biāo)定、系統(tǒng)調(diào)試、控制改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲和分析等，基于VB語言設(shè)計(jì)開發(fā)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)采集、 存儲框圖和數(shù)據(jù)分析接口曲線

4 試驗(yàn)

針對所開發(fā)的氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)，在完成零部件測試與臺架測試之后，進(jìn)行某純電動商用車搭載道路試驗(yàn)，試驗(yàn)主要參照GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行。

氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)充氣電磁閥、放氣電磁閥和氣壓傳感器在車輛底盤的安裝布置如圖6所示。電控單元、安全員操縱開關(guān)和CAN數(shù)據(jù)通訊采集如圖7所示。

圖6 氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)底盤安裝布置圖

圖7 氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)實(shí)車安裝與測試圖

圖8為滿載工況坡道(道路坡道8°)手動駐車/起步自動釋放多次試驗(yàn)結(jié)果曲線。由圖8可見，氣壓式線控駐車制動系統(tǒng)能正確迅速響應(yīng)安全員的手動駐車指令，將車輛可靠停穩(wěn)；通過對車輛狀態(tài)信息的綜合判定，能正確實(shí)現(xiàn)車輛的起步意圖而無需安全員操作，且車輛起步平穩(wěn)，無溜車或前沖現(xiàn)象(見圖8( a)中的車速曲線)。可見，氣壓式駐車制動系統(tǒng)線控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了駐車制動智能化控制，為整車智能化提供支撐，同時(shí)還改善了車輛坡道起步時(shí)的平穩(wěn)性。

圖8 滿載和1擋時(shí)車輛坡道停車和啟動試驗(yàn)結(jié)果曲線

圖9是在水平路面、滿載工況下的模擬駕駛員/安全員忘記駐車的自動駐車控制試驗(yàn)曲線。停車后，變速器掛入空擋(圖9(a))，車輛安全員未進(jìn)行駐車操作，在105.2 s時(shí)刻將點(diǎn)火鑰匙由ON→OFF(圖9(d))，駐車閥即工作(圖9 (c))，駐車氣壓隨之下降，在105.8 s時(shí)刻氣壓降為0(圖9(b))，即實(shí)現(xiàn)駐車，點(diǎn)火鑰匙重新上電后，系統(tǒng)顯示駐車狀態(tài)(圖9(c))?？梢?，氣壓式駐車制動系統(tǒng)線控技術(shù)工作響應(yīng)邏輯正確、工作響應(yīng)時(shí)機(jī)準(zhǔn)確，能夠有效消除停車時(shí)忘記駐車的安全隱患，提升了整車安全性。

圖9 車輛自動停車試驗(yàn)曲線(安全員在不停車的情況下拔出鑰匙)

5 結(jié)論

1) 在對某純電動商用車氣壓制動系統(tǒng)工作特性研究的基礎(chǔ)上，完成了氣壓式駐車制動系統(tǒng)線控化設(shè)計(jì)，開發(fā)了氣壓式線控駐車制動的軟硬件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；

2) 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，氣壓式駐車制動線控技術(shù)能夠良好實(shí)現(xiàn)該純電動商用車駐車制動系統(tǒng)的自動控制，能夠提升車輛安全性，滿足商用車智能化發(fā)展的技術(shù)需求。