汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)的電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)與安全提升

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）07-0135-0：

ElectricBrive Technology and Safety Enhancement of Automotive Electronic Braking Syst

Gong Mingmao

（SichuanTechnologyandBusinessUniversity，Electronic InformationEngineeringCollge，Chengdu，China

【Abstract】The introduction of electricdrive technology in the braking system has improved thecontrolaccuracy andenergyutilizationrate，but italsofaces chalenges such ascooperativecontroland safety guaranteeunder extreme working conditions.Thisarticlediscusses thecorearchitectureand safetyredundancy designof theelectricdrive technology in the automotive electronic braking system，andproposesredundancyschemessuchas dual-core heterogeneous ECU and three-channelsensor links.Experiments verify thatits fault recognition ratereaches 99.7% in the environment of ，and the fault-tolerant handover time is ? 5.2ms.Theimproved PID algorithm wasdeveloped toreduce the pressure control error of the ABS solenoid valve to ±0.15MPa .Theanalysis of the research resultsis conducive to theupgrading of the electric drive technologyof the electronicbraking system of electric vehicles.

【Keywords】 automotive electronic braking system；electric drive technology；safety；sensor fusion

0 引言

汽車制動(dòng)系統(tǒng)作為保障車輛安全的核心部件，直接關(guān)系到駕駛平穩(wěn)性與車內(nèi)人員安全。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，電力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)技術(shù)憑借其能量回收特性備受關(guān)注，該技術(shù)可在車輛減速過程中將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)高效性與節(jié)能性的統(tǒng)一。然而，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：其一，電機(jī)動(dòng)力調(diào)節(jié)需與機(jī)械制動(dòng)力度精準(zhǔn)同步，以避免制動(dòng)過程中的頓挫與不穩(wěn)定；其二，電池充放電受溫度、使用習(xí)慣等因素影響，導(dǎo)致能量回收效率波動(dòng)，亟需穩(wěn)定的控制策略；其三，在雨天、結(jié)冰路面或緊急制動(dòng)等極端工況下，系統(tǒng)需快速精確調(diào)節(jié)各車輪制動(dòng)力，防止車輛打滑失控。

基于此，本文致力于探索構(gòu)建高可靠、高效率的電子制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)，旨在提升系統(tǒng)安全性的同時(shí)優(yōu)化能量回收效果，推動(dòng)汽車行業(yè)向環(huán)保、智能化

方向發(fā)展。

1汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1電子控制制動(dòng)系統(tǒng)的基本組成

電子控制制動(dòng)系統(tǒng)主要由橋控調(diào)節(jié)器、電控單元ECU、ABS電磁閥、制動(dòng)信號(hào)傳感器和比例繼動(dòng)閥5大核心部件構(gòu)成。

1）橋控調(diào)節(jié)器接收ECU指令，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整車輛前后、左右車輪的制動(dòng)力分配，確保車輛在轉(zhuǎn)彎、打滑等復(fù)雜工況下的制動(dòng)平衡。

2）ECU通過采集4個(gè)車輪轉(zhuǎn)速、車輛整體速度及制動(dòng)踏板行程等數(shù)據(jù)，依據(jù)預(yù)設(shè)控制規(guī)則生成制動(dòng)指令。

3）ABS電磁閥作為防抱死功能的核心執(zhí)行部件，在緊急制動(dòng)時(shí)，通過線圈通電驅(qū)動(dòng)活塞快速調(diào)節(jié)制動(dòng)油管壓力，防止輪胎抱死。

4）制動(dòng)信號(hào)傳感器包含踏板位移傳感器與壓力傳感器，分別檢測駕駛員制動(dòng)意圖的深度與力度，為精準(zhǔn)制動(dòng)控制提供依據(jù)

5）比例繼動(dòng)閥則負(fù)責(zé)將ECU輸出的低壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高壓氣體或液體壓力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的精準(zhǔn)線性控制。系統(tǒng)各部件通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，ECU實(shí)時(shí)監(jiān)測制動(dòng)效果并與預(yù)期目標(biāo)對(duì)比，從而提升行車安全性。

1.2 電機(jī)與電子控制單元的協(xié)同機(jī)制

汽車電機(jī)依據(jù)制動(dòng)需求呈現(xiàn)主動(dòng)增壓、壓力保持、快速泄壓3種驅(qū)動(dòng)模式，其響應(yīng)速度直接決定制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。ECU通過調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）信號(hào)占空比，精確控制電機(jī)繞組電流強(qiáng)度與方向，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)扭矩的線性輸出。在車輛運(yùn)行過程中，ECU持續(xù)監(jiān)測電機(jī)溫度、繞組阻抗等參數(shù)，借助動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法消除環(huán)境因素導(dǎo)致的輸出偏差，維持制動(dòng)力穩(wěn)定。此外，ECU通過接收電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、反電動(dòng)勢等傳感器反饋信息，實(shí)時(shí)識(shí)別機(jī)械卡滯、電壓波動(dòng)等異常工況，并觸發(fā)冗余控制策略。在緊急制動(dòng)場景下，ECU可跳過常規(guī)控制邏輯，直接調(diào)用預(yù)存的最大扭矩輸出模式。電機(jī)與ECU的深度協(xié)同，顯著提升了制動(dòng)系統(tǒng)在安全性、響應(yīng)速度與能效方面的綜合性能2]。

2汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

2.1 電控單元冗余設(shè)計(jì)與故障診斷

在硬件層面，ECU采用雙核異構(gòu)架構(gòu)，主核負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)制動(dòng)控制算法，輔核同步校驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性。當(dāng)主核失效時(shí)，輔核可在 5ms 內(nèi)完成控制權(quán)接管，確保制動(dòng)指令的連續(xù)輸出。傳感器鏈路采用三重冗余設(shè)計(jì)，輪速、壓力、溫度等傳感器均配置獨(dú)立三通道采集模塊，單通道故障不影響整體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。軟件方面，控制算法運(yùn)行于虛擬化雙系統(tǒng)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)負(fù)責(zé)制動(dòng)壓力計(jì)算。

電源系統(tǒng)集成雙路獨(dú)立供電，主電源異常時(shí)，超級(jí)電容可在 1ms 內(nèi)無縫切換，維持系統(tǒng)最低功耗運(yùn)行。為驗(yàn)證冗余設(shè)計(jì)的有效性，開展故障注入試驗(yàn)并記錄關(guān)鍵性能參數(shù)，具體如表1所示。

試驗(yàn)?zāi)M了核間通信中斷、傳感器信號(hào)漂移等硬件故障，以及進(jìn)程死鎖、內(nèi)存溢出等軟件異常情況。結(jié)果顯示，雙核架構(gòu)在主核人為宕機(jī)后，輔核在 5.2ms 內(nèi)完成接管，故障識(shí)別率達(dá) 99.7% ，制動(dòng)壓力波動(dòng)小于 0.5MPa ；三通道傳感器鏈路在單通道失效時(shí)，通過多數(shù)表決算法將數(shù)據(jù)偏差控制在 2% 以內(nèi)，恢復(fù)時(shí)間僅需 3.8ms ；雙模通信總線在CAN-FD鏈路斷開后，備用網(wǎng)絡(luò) 3ms 內(nèi)完成切換，通信負(fù)荷始終保持在 70% 以下；主電源電壓降至6V時(shí)，超級(jí)電容迅速介入，電壓波動(dòng)控制在 ±0.2V 以內(nèi)，關(guān)鍵功能持續(xù)運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，在 -40～125^°C 極端溫度環(huán)境下，系統(tǒng)故障處理能力達(dá) 99.7% ，平均穩(wěn)定工作時(shí)間延長至 15000h ，峰值功耗不超過6W，有效保障了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性與穩(wěn)定性]。

2.2 ABS電磁閥響應(yīng)與壓力控制優(yōu)化

為提升ABS電磁閥響應(yīng)速度，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用低慣量電磁鐵芯與輕量化閥體設(shè)計(jì)，將銜鐵運(yùn)動(dòng)行程縮短至 0.3mm 以內(nèi)，并在閥芯端面加工微型導(dǎo)流槽，利用流體動(dòng)力學(xué)原理降低液壓油流動(dòng)阻力，使閥門全開/全閉時(shí)間控制在 5ms 以內(nèi)。控制策略上引入預(yù)激磁技術(shù)，在制動(dòng)信號(hào)預(yù)測階段提前向線圈施加弱電流，消除電磁鐵初始磁化延遲，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)響應(yīng)。

壓力控制精度通過改進(jìn)型PID算法實(shí)現(xiàn)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中： e（t） ——設(shè)定壓力與實(shí)際壓力差值； β 抗飽和補(bǔ)償系數(shù)。算法在傳統(tǒng)PID基礎(chǔ)上增加非線性補(bǔ)償項(xiàng)，根據(jù)制動(dòng)壓力變化率動(dòng)態(tài)調(diào)整 K_p 、 K_i 、 K_d 系數(shù)，具體規(guī)則為：壓力上升階段，增大 K_p 提升響應(yīng)速度，抑制 K_i 防止積分飽和；壓力保持階段，強(qiáng)化 K_d 抑制高頻振蕩，啟動(dòng)死區(qū)補(bǔ)償；壓力釋放階段，重置積分項(xiàng)，避免殘余壓力累積。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測閥芯位移與液壓梯度自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，將壓力誤差穩(wěn)定控制在 ±0.15MPa 以內(nèi)，較傳統(tǒng)算法精度提升40% 。該優(yōu)化使ABS系統(tǒng)在緊急制動(dòng)工況下，能夠?qū)⑤喬セ瑒?dòng)比例精準(zhǔn)控制在 10%～30% 的最佳區(qū)間，實(shí)現(xiàn)“半滑半抓地”狀態(tài)。

3汽車電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)與安全性協(xié)同優(yōu)化

3.1電力驅(qū)動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的能量協(xié)同分配

電力驅(qū)動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的能量協(xié)同分配依賴智能化算法實(shí)現(xiàn)高效配合。在常規(guī)制動(dòng)場景下，優(yōu)先啟用電力制動(dòng)模式，通過電機(jī)反拖發(fā)電將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)至電池，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)保持低功耗待機(jī)；當(dāng)電池電量接近飽和或電機(jī)回收功率達(dá)到上限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提升機(jī)械制動(dòng)介入比例，通過電子液壓單元精確控制制動(dòng)片壓力，補(bǔ)足剩余制動(dòng)力需求。兩種制動(dòng)模式采用獨(dú)立供電與控制鏈路，當(dāng)檢測到電機(jī)溫度異?；螂姵剡^載時(shí)，系統(tǒng)立即切換至機(jī)械制動(dòng)主導(dǎo)，避免制動(dòng)力驟降4；若機(jī)械制動(dòng)出現(xiàn)響應(yīng)延遲或壓力泄漏，電力制動(dòng)則增強(qiáng)扭矩輸出，補(bǔ)償制動(dòng)力缺口。該協(xié)同策略不僅保障了極端工況下的制動(dòng)安全，還通過提升能量回收率延長了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。

3.2傳感器與電機(jī)控制的融合反饋

傳感器數(shù)據(jù)與電機(jī)控制的實(shí)時(shí)融合反饋關(guān)鍵在于高速信息交互與動(dòng)態(tài)調(diào)整。系統(tǒng)通過十余個(gè)傳感器持續(xù)采集車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)高速傳輸線路匯聚至中央控制單元5。在此過程中，系統(tǒng)首先進(jìn)行時(shí)間同步與噪聲濾波處理，生成實(shí)時(shí)車輛狀態(tài)信息?；谠撔畔?，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算所需制動(dòng)力量并轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制指令。當(dāng)實(shí)際制動(dòng)力與目標(biāo)值偏差較小時(shí)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)程序進(jìn)行微調(diào)；若偏差超出安全閾值，則啟動(dòng)故障診斷程序。依托高速數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了緊急制動(dòng)時(shí)的快速減速、防抱死控制及最大化能量回收。

3.3 系統(tǒng)級(jí)安全保障與故障應(yīng)對(duì)機(jī)制

電動(dòng)汽車的核心部件均需要設(shè)置并行工作系統(tǒng)，當(dāng)主要功能單元出現(xiàn)異常時(shí)，備用系統(tǒng)可立即接管工作。其中，動(dòng)力電池組被劃分為多個(gè)相互隔離的子單元，某個(gè)子單元發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷該區(qū)域電路，避免故障擴(kuò)散。汽車的轉(zhuǎn)向與制動(dòng)系統(tǒng)除了可以采用電子控制方式，其還能通過直接機(jī)械連接來實(shí)現(xiàn)操控，這樣即使電子控制系統(tǒng)完全失效，駕駛員也能操控方向盤和制動(dòng)踏板來維持穩(wěn)定行駛。而當(dāng)檢測到參數(shù)超過安全閾值時(shí)，如電機(jī)溫度異常升高，系統(tǒng)將自動(dòng)降低輸出功率，同時(shí)提升冷卻強(qiáng)度。如果發(fā)生信號(hào)傳輸中斷，則立即限制最高車速，關(guān)閉非核心用電器并在儀表區(qū)域點(diǎn)亮警示標(biāo)識(shí)。所有故障事件均生成加密日志存入車載存儲(chǔ)器，從而為維修人員提供精準(zhǔn)的診斷依據(jù)。電動(dòng)汽車的安全防護(hù)與故障應(yīng)對(duì)依賴于三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的緊密配合，系統(tǒng)會(huì)始終關(guān)注車輛核心部件的實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)，根據(jù)問題的嚴(yán)重程度采取不同強(qiáng)度的處理措施，并通過定期檢測與更新來預(yù)防問題發(fā)生。這種多層次的保護(hù)模式使車輛在各種復(fù)雜環(huán)境下都能穩(wěn)定運(yùn)行。整個(gè)防護(hù)體系不是固定不變的，它會(huì)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中積累的經(jīng)驗(yàn)持續(xù)改進(jìn)監(jiān)控方法，優(yōu)化應(yīng)對(duì)策略。通過不斷學(xué)習(xí)新的故障模式，系統(tǒng)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別能力逐漸提升，從而在確保安全的前提下使車輛的各項(xiàng)性能保持協(xié)調(diào)運(yùn)作。

4結(jié)束語

本研究圍繞汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)中電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)與安全性協(xié)同優(yōu)化展開，雙系統(tǒng)冗余架構(gòu)與壓力梯度過渡算法有效消除了電力-機(jī)械制動(dòng)模式切換時(shí)的頓挫問題，閉環(huán)控制算法顯著降低了電池過載、傳感器失效等場景下的安全風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)研究可進(jìn)一步探索深度學(xué)習(xí)等智能化算法在動(dòng)態(tài)制動(dòng)力預(yù)測中的應(yīng)用，推動(dòng)電力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)技術(shù)向更高水平發(fā)展。

注：本文為2024年度校級(jí)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目（應(yīng)用型品牌專業(yè)）“電子信息工程”（YYXZY2024001）的研究成果。

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（編輯林子衿）