新能源汽車制動系統(tǒng)解析(四)

◆文/江蘇 高惠民

(接2022年第5期)

三、豐田電動汽車ECB系統(tǒng)解析

線控制動的初級階段的電液制動( E l e c t r o n i c HydraulicBrake，EHB)系統(tǒng)中，最具有代表性之一的是日本愛得克斯公司的電子控制制動(Electronic Controlled Braking，ECB)系統(tǒng)。2001年愛得克斯開始將其ECB系統(tǒng)配備在豐田Estima混合動力汽車(僅在日本銷售)，2003年至2009年愛德克斯又分別將ECB的升級版ECBⅡ和ECB Ⅲ裝載到豐田混合動力車(HEV)Prius2代和3代，以及雷克薩斯混合動力車上，如今ECB又與豐田等品牌的純電動汽車(EV)配套，成為較成熟的線控電子控制制動系統(tǒng)。下面本文將通過ECB在豐田EV上的應用，全面剖解愛德克斯ECB技術(shù)。

1.ECB系統(tǒng)概述

ECB系統(tǒng)組成和安裝位置如圖28所示，它涉及的控制系統(tǒng)有：防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、電子制動力分配(EBD)、制動輔助、牽引力控制(TRC)、車輛穩(wěn)定性控制(VSC)、主動轉(zhuǎn)向輔助(ACA)、與電動轉(zhuǎn)向助力(EPS)協(xié)同控制、二次碰撞制動、上坡起步輔助控制和制動保持。ECB系統(tǒng)架構(gòu)如框圖29所示。

圖28 ECB系統(tǒng)組成和安裝位置

圖29 ECB系統(tǒng)架構(gòu)框圖

(1)電子控制制動系統(tǒng)使用傳感器檢測制動踏板踩下程度。防滑控制ECU根據(jù)此情況計算制動力，帶主缸的制動助力器總成、制動助力器泵總成和制動執(zhí)行器總成控制4個車。

(2)電子控制制動系統(tǒng)與EV系統(tǒng)協(xié)同控制以實現(xiàn)對制動液壓和再生制動的最佳控制。這樣可提高能量再生效率和燃油經(jīng)濟性。液壓制動與再生制動協(xié)同控制示意如圖30所示。

圖30 液壓制動與再生制動協(xié)同控制示意圖

(3)系統(tǒng)發(fā)生故障時，其使用非故障件繼續(xù)進行制動控制。同時，電控系統(tǒng)不工作時，通過踩下制動踏板在制動主缸內(nèi)產(chǎn)生的制動液壓作為備用機構(gòu)進行工作以確保制動力。

(4)ECB系統(tǒng)E/E架構(gòu)如框圖31所示。

圖31 ECB系統(tǒng)E/E架構(gòu)框圖

2.系統(tǒng)控制

(1)車輛穩(wěn)定性控制(VSC)

車輛穩(wěn)定性控制(VSC)是改善汽車行駛性能的一種控制系統(tǒng)，可大大降低交通事故并提高道路安全。它整合了防抱死制動(ABS)系統(tǒng)和牽引力控制(TRC)系統(tǒng)，有效提高防止汽車轉(zhuǎn)向時滑移、不穩(wěn)定和側(cè)向駛出車道的綜合控制能力。

使用汽車轉(zhuǎn)向盤修正汽車前進方向并沿路線行駛，對于駕駛員來說并非難事。將是否能按駕駛員意圖行駛的性質(zhì)用操縱性這一術(shù)語來表示；而所謂穩(wěn)定性是描述當車輛受到來自路面的力或側(cè)風等干擾時，行駛波動是否較少、能否迅速回到平衡狀態(tài)的用語。如圖32所示，汽車操縱穩(wěn)定性采用汽車基本運動的模型來研究。

圖32 汽車基本運動模型

在圖32所示的汽車運動力學模型中，是一個前輪可操縱轉(zhuǎn)向、后輪剛性連接于車身的車輛。設車輪不具有質(zhì)量并假定視為剛體的車身代表整車的質(zhì)量；設此車質(zhì)心為原點，車的前進方向為x軸，側(cè)向為y軸，垂向為z軸，并設想坐標系固定于車上；如果以此坐標系為基準，可將汽車的運動自由度作為空間的剛體運動而分為以下6個種類，如圖33所示。

圖33 汽車運動自由度示意圖

①x方向的平移，前后運動(IongitudinalMotion)。

②y方向的平移，左右運動(IateralMotion)。

③z方向的平移，上下運動(Up and DownMotion)。

④繞x軸旋轉(zhuǎn)運動(Rolling Motion)。

⑤繞y軸旋轉(zhuǎn)運動(Pitching Motion)。

⑥繞z軸旋轉(zhuǎn)運動(Yawing Motion)。

若仔細地觀察上述6個運動，又可考慮分為下述兩大類：其中①③⑤的運動是與轉(zhuǎn)向盤輸入無直接關(guān)系的運動，①的運動是由加速踏板和制動引起的驅(qū)動與制動產(chǎn)生的前后方向的車輛直線運動；③的運動是由于道路顛簸產(chǎn)生的車輛上下跳動，它直接關(guān)系到車輛行駛的舒適性；⑤的運動是伴隨道路顛簸引起的車輛俯仰。而②⑥的運動基本上都是由于車輛行駛時轉(zhuǎn)向盤輸入而產(chǎn)生的運動，②的運動是由于轉(zhuǎn)向做輸入而引起的車輛的側(cè)向運動；⑥的運動是由于轉(zhuǎn)向盤輸入而使車輛方向發(fā)生變化的橫擺運動：還有伴隨著②⑥的運動而產(chǎn)生④的側(cè)偏運動。因此，所謂操縱穩(wěn)定性研究對象的運動基本上可以說是由于轉(zhuǎn)向盤輸入而產(chǎn)生的②④⑥運動。

由于汽車行駛的真實工況十分復雜，如路面摩擦系數(shù)的變化，汽車的轉(zhuǎn)向、制動，汽車受到側(cè)向風干擾等，都可能引起汽車運動失穩(wěn)。汽車的轉(zhuǎn)向運動時，由方向盤上施加轉(zhuǎn)角以后使前輪產(chǎn)生側(cè)偏角和側(cè)向力，引起汽車橫擺運動；汽車的橫擺運動導致后輪也產(chǎn)生側(cè)偏角，進而產(chǎn)生側(cè)向力。前、后輪的側(cè)向力提供了汽車轉(zhuǎn)向的向心力。

汽車在穩(wěn)定行駛時，例如，高附著路面下轉(zhuǎn)向側(cè)向加速度較小時，輪胎側(cè)偏角較小，與輪胎側(cè)向力近似成線性關(guān)系，輪胎特性處于線性區(qū)內(nèi)。在這種情況下汽車的質(zhì)心側(cè)偏角也是很小的，接近于零，按照預期軌跡行駛。

當汽車發(fā)生失穩(wěn)的情況時，例如進行緊急轉(zhuǎn)彎時，離心力變大，輪胎處于非線性區(qū)，側(cè)偏角和輪胎產(chǎn)生的側(cè)向力不再成線性關(guān)系，側(cè)向力逐漸飽和，路面又不能提供足夠的附著力，導致汽車失去控制，不再按照預期軌跡行駛。當前軸側(cè)向力飽和時，汽車出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向特性，前軸發(fā)生側(cè)滑，車輛出現(xiàn)飄移現(xiàn)象，車輛實際的轉(zhuǎn)彎半徑比駕駛員預期的要大，汽車偏離預期軌跡；當后軸側(cè)向力飽和時，汽車出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向特性，后軸發(fā)生側(cè)滑，產(chǎn)生激轉(zhuǎn)、側(cè)翻、甩尾等危險工況。

VSC系統(tǒng)作為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，當車輛在轉(zhuǎn)向、制動或打滑時，通過對制動力和驅(qū)動力的控制，針對每個車輪采取制動，精確控制車輪滑移率，就能最好的實現(xiàn)汽車在各種行駛工況下，甚至允許在物理極限范圍內(nèi)，保證汽車在車道內(nèi)穩(wěn)定行駛。

圖34所示的兩種情況下，輪胎會超過其橫向附著力限制。車輛處于以下所示任一情況時，VSC通過控制電動機(電動汽車)輸出功率和各車輪的制動力來幫助維持車輛穩(wěn)定性。

圖34 汽車車輪打滑的運動軌跡

為判定車輛狀況，傳感器檢測轉(zhuǎn)向角、車速、車輛橫擺率和車輛縱、側(cè)向加速度，然后由防滑控制ECU進行計算。

通過目標橫擺率和車輛實際橫擺率之間的差值判定車輛是否發(fā)生轉(zhuǎn)向不足。車輛的實際橫擺率小于應當產(chǎn)生的目標橫擺率(目標橫擺率由車速和轉(zhuǎn)向角判定)，表示車輛正在以大于目標行駛軌跡的角度轉(zhuǎn)向。從而，防滑控制ECU判定有較大的轉(zhuǎn)向不足趨勢，如圖35所示。

圖35 汽車轉(zhuǎn)向不足的運動軌跡

車輛是否處于后輪打滑狀態(tài)通過車輛打滑角度值和車輛打滑角速度(車輛打滑角度隨時間的變化)決定。車輛的打滑角度和打滑角速度均比較大時，防滑控制ECU確定車輛后輪打滑的趨勢較大，如圖36所示。

圖36 防滑控制ECU確定車輛后輪打滑的趨勢

防滑控制ECU判定車輛轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度時，會減小電動機輸出功率并對前輪或后輪施加制動以控制車輛的橫擺力矩。VSC功能的基本工作原理如下。然而，控制方法根據(jù)車輛特性和駕駛條件的不同而不同。

防滑控制ECU判定有較大的轉(zhuǎn)向不足趨勢時，根據(jù)趨勢的程度采取對策。防滑控制ECU控制電動機輸出功率，并對轉(zhuǎn)向時內(nèi)側(cè)的前輪和后輪施加制動，以幫助抑制轉(zhuǎn)向不足趨勢。如圖37所示。

圖37 抑制轉(zhuǎn)向不足趨勢示意圖

防滑控制ECU判定有較大的轉(zhuǎn)向過度趨勢時，根據(jù)趨勢的程度采取對策。對轉(zhuǎn)向時外側(cè)的前輪和后輪施加制動，并在車輛上產(chǎn)生向外的慣性力矩以抑制轉(zhuǎn)向過度趨勢。除了通過制動力降低車速外，還能確保良好的車輛穩(wěn)定性，如圖38所示。

圖38 抑制轉(zhuǎn)向過度趨勢示意圖

⑵帶電動轉(zhuǎn)向(EPS)協(xié)同控制

①轉(zhuǎn)向協(xié)同控制集成了制動系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制以實現(xiàn)卓越的車輛穩(wěn)定性和平穩(wěn)控制。

②在組合摩擦道路上加速或制動時，或者車輛轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度時，轉(zhuǎn)向協(xié)同控制根據(jù)情況操作各系統(tǒng)并控制轉(zhuǎn)向輔助扭矩以促使駕駛員進行校正轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)E/E架構(gòu)如圖39所示。

圖39 帶電動轉(zhuǎn)向(EPS)協(xié)同控制系統(tǒng)E/E架構(gòu)

③組合摩擦道路上的加速控制(圖40)，在組合摩擦道路上加速時(如左側(cè)車輪在瀝青上，右側(cè)車輪在雪上時)，車輛容易向摩擦較小的一側(cè)偏轉(zhuǎn)。除常規(guī)TRC系統(tǒng)控制外，轉(zhuǎn)向協(xié)同控制控制轉(zhuǎn)向輔助扭矩以促使駕駛員進行校正轉(zhuǎn)向以抵消左右車輪驅(qū)動力差所產(chǎn)生的橫擺力矩。

圖40 組合摩擦道路上的加速控制

④組合摩擦道路上的制動控制(圖41)，在組合摩擦道路上進行制動時(如左側(cè)車輪在瀝青路面上，右側(cè)車輪在積雪路面上時)，車輛容易向摩擦較大的一側(cè)偏轉(zhuǎn)。除常規(guī)ABS系統(tǒng)控制外，轉(zhuǎn)向協(xié)同控制控制轉(zhuǎn)向輔助扭矩以促使駕駛員進行校正轉(zhuǎn)向以抵消左右車輪制動力差所產(chǎn)生的橫擺力矩。

圖41 組合摩擦道路上的制動控制

⑤車輛轉(zhuǎn)向過度時的控制(圖42)，為確定車輛是否轉(zhuǎn)向過度，車輛根據(jù)轉(zhuǎn)向角和車速對比目標橫擺率和實際橫擺率的打滑角度。如果判定車輛轉(zhuǎn)向過度，則車輛主要控制外側(cè)車輪的制動力以產(chǎn)生朝向轉(zhuǎn)彎外側(cè)的力矩，從而使過度轉(zhuǎn)向降至最低。此外，轉(zhuǎn)向協(xié)同控制控制轉(zhuǎn)向輔助扭矩以促使駕駛員進行校正轉(zhuǎn)向。

圖42 車輛轉(zhuǎn)向過度時的控制

⑥車輛轉(zhuǎn)向不足時的控制(圖43)，為確定車輛是否轉(zhuǎn)向不足，車輛根據(jù)轉(zhuǎn)向角和車速對比目標橫擺率和實際橫擺率。如果判定車輛轉(zhuǎn)向不足，則車輛限制驅(qū)動力并控制各車輪的制動力以產(chǎn)生對準車輛及其目標路徑的力矩，從而使轉(zhuǎn)向不足降度轉(zhuǎn)動方向盤。

圖43 車輛轉(zhuǎn)向不足時的控制

⑶再生制動協(xié)同控制

①駕駛員踩下制動踏板時，防滑控制ECU根據(jù)制動調(diào)節(jié)器壓力和制動踏板行程計算所需總制動力。

②計算所需總制動力后，防滑控制ECU將再生制動力請求發(fā)送至EV控制ECU。EV控制ECU回復實際再生制動量(再生制動控制值)。

③EV控制ECU使用電動機產(chǎn)生負扭矩(減速力)，從而執(zhí)行再生制動。

④防滑控制ECU控制制動執(zhí)行器電磁閥并產(chǎn)生輪缸壓力。產(chǎn)生的壓力是從所需總制動力中減去實際再生制動控制值后剩余的值。

⑤制動控制在圖44所示的不同車速下將制動力分配至液壓制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)。

圖44 不同車速下液壓制動與再生制動的分配

⑥再生制動協(xié)同控制E/E架構(gòu)框如圖45所示。

圖45 再生制動協(xié)同控制E/E架構(gòu)框圖

3.ECB系統(tǒng)零部件功能與構(gòu)造

ECB系統(tǒng)零部件功能如圖46所示。

圖46 ECB系統(tǒng)零部件功能說明

(1)輪速傳感器

①采用主動式轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器包含傳感器集成電路。

②磁鐵型傳感器轉(zhuǎn)子由排列成圓形的N、S磁極構(gòu)成，與輪轂軸承內(nèi)座圈集成為一體。

③主動式轉(zhuǎn)速傳感器使用傳感器集成電路檢測傳感器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化，傳感器將檢測信息作為數(shù)字脈沖(車速信號)輸出至防滑控制ECU。