某新能源商用車的EPB開發(fā)系統(tǒng)分析

何 果，韓彥瀟，李青章，趙威鋒

某新能源商用車的EPB開發(fā)系統(tǒng)分析

何 果，韓彥瀟，李青章，趙威鋒

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

電子駐車制動（EPB）是汽車線控制動技術(shù)的一種，無論是結(jié)構(gòu)還是功能都比傳統(tǒng)駐車制動系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。此項(xiàng)技術(shù)目前基本已經(jīng)成為乘用車型的標(biāo)配，但在4.5 t液壓制動的商用車型上應(yīng)用較少。基于此種現(xiàn)狀，文章對新能源液壓制動商用車的電子駐車制動系統(tǒng)開發(fā)過程進(jìn)行介紹，從功能安全、技術(shù)路線、數(shù)據(jù)校核、系統(tǒng)布置和控制策略五個維度詳細(xì)論述了電子駐車制動的開發(fā)過程，提供一種標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)流程，給相關(guān)從業(yè)人員帶來一些參考，以此更加利好電子駐車制動行業(yè)在商用車的發(fā)展。

電子駐車制動；功能安全；技術(shù)路線；控制策略；新能源商用車；系統(tǒng)分析

隨著汽車的產(chǎn)業(yè)升級，電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化進(jìn)程越來越快，電子駐車制動系統(tǒng)（Electronic Parking Brake, EPB）作為一項(xiàng)汽車底盤安全配置，被越來越多的駕駛者所認(rèn)可。EPB相對機(jī)械手剎，具有以下明顯優(yōu)勢：首先EPB對于駕駛者更加友好，不僅能在擁堵的城市道路解放因頻繁駐車帶來的煩惱，而且可以輔助駕駛者坡道平穩(wěn)起步，消除因溜坡帶來的安全隱患；其次EPB 與電動平臺具有更好的契合度，能與電控的剎車防抱死系統(tǒng)（Anti-lock Brake System, ABS）/車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Electronic Stability Controller, ESC）協(xié)同，實(shí)現(xiàn) EPB 的緊急制動、AutoHold 等功能；最后隨著車輛自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，EPB已經(jīng)具有線控駐車的執(zhí)行層，已經(jīng)可以擴(kuò)展全自動泊車輔助系統(tǒng)（Auto Parking Assist, APA）、代客泊車（Automated Valet Parking, AVP）等功能，使智能駕駛成為可能。以前由于EPB成本和技術(shù)成熟度原因，在商用車型上應(yīng)用較少，但是隨著EPB在乘用車的普遍配置，同時商用車駕駛?cè)藛T的年輕化和商用車行業(yè)的快速發(fā)展，EPB在商用車輛上也開始迅速發(fā)展。本文基于此種情況，以某N2類總質(zhì)量4.5 t采用液壓制動新能源商用車為例，該車型采用同軸式電驅(qū)動橋，駐車制動采用行、駐一體制動器，操縱系統(tǒng)采用EPB，對EPB開發(fā)過程的各個階段進(jìn)行介紹，從而給從業(yè)人員帶來一種新的開發(fā)思路。

1 功能安全

EPB作為一項(xiàng)底盤功能安全配置，其熄火自動駐車、坡道起步功能只是其基本配置，在實(shí)際的開發(fā)過程中要考慮到多項(xiàng)使用場景，例如：車輛移動時意外斷電、車輛維修等。面對不同使用場景需要設(shè)置對應(yīng)控制策略。

1.1 靜態(tài)駐車功能及判斷信號

靜態(tài)駐車功能指車輛點(diǎn)火信號打開，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，手動拉EPB開關(guān)，執(zhí)行駐車制動。判斷靜態(tài)駐車模式信號為ABS輪速有效性信號。

車輛熄火自動駐車功能指車輛靜止時，點(diǎn)火鑰匙轉(zhuǎn)至ACC位置后，自動執(zhí)行駐車制動（無需拉EPB開關(guān)）。判斷自動駐車模式信號：（1）ABS輪速有效性信號；（2）點(diǎn)火IGN+（Ignition）信號（包括硬線及控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）線上報(bào)文）。

外部請求接口命令功能指可以響應(yīng)其他控制模塊的駐車命令，實(shí)現(xiàn)AUTO HOLD或起停功能。

1.2 靜態(tài)釋放功能及判斷信號

靜態(tài)釋放功能指IGN ON時，踩下制動踏板，手動按EPB開關(guān)，釋放駐車制動。判斷靜態(tài)釋放模式信號：（1）制動踏板有效性信號；（2）IGN+信號（包括硬線及CAN線上報(bào)文）。

起步自動釋放功能指車輛上電狀態(tài)，擋位在前進(jìn)或后退擋，駕駛員在座位上，車輛起步時，自動松開駐車制動，并根據(jù)坡度大小進(jìn)行智能調(diào)整，以防溜坡。判斷起步自動釋放模式信號：（1）電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速信號和扭矩信號及有效性信號；（2）油門踏板、擋位及駕駛員側(cè)門開關(guān)信號及有效性信號。

失效釋放功能指車輛在制動踏板和油門信號都失效情況下，EPB駐車狀態(tài)，長按EPB釋放開關(guān)5 s，駐車釋放。判斷失效釋放模式信號：（1）制動踏板、油門信號及有效性信號；（2）IGN+信號(包括硬線及CAN線上報(bào)文)。

維修釋放功能指車輛在靜止時，EPB進(jìn)入完全釋放狀態(tài)，長按EPB釋放開關(guān)10 s～15 s，松開EPB開關(guān)，3 s內(nèi)按下EPB開關(guān)，EPB執(zhí)行釋放到底動作，用于制動系統(tǒng)更換維修。判斷維修釋放模式信號為ABS輪速有效性信號。

1.3 動態(tài)駐車功能及判斷信號

動態(tài)駐車功能指在車輛行進(jìn)中，拉住EPB開關(guān)不放，EPB可以通過駐車制動進(jìn)行減速，且具有后輪防抱死的功能，使車輛保持穩(wěn)定的減速，高附路面減速度大于0.2。判斷動態(tài)駐車模式信號：（1）ABS輪速有效性信號；（2）ABS工作狀態(tài)有效性信號；（3）點(diǎn)亮后尾燈請求信號。

1.4 自動駐車關(guān)閉功能及判斷信號

自動駐車關(guān)閉功能按下EPB開關(guān)保持3 s內(nèi)熄火，可以臨時關(guān)閉自動駐車功能。判斷自動駐車關(guān)閉信號為IGN+信號（包括硬線及CAN線上報(bào)文）。

2 技術(shù)路線

目前市場上主流的EPB系統(tǒng)分為拉索式電子駐車制動系統(tǒng)和集成式電子駐車制動系統(tǒng)。

2.1 拉索式電子駐車系統(tǒng)

拉索式電子駐車制動系統(tǒng)屬于手剎制動的改進(jìn)版，使用電機(jī)轉(zhuǎn)動代替人力操縱駐車手柄，利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制駐車?yán)餍谐痰淖兓?，從而進(jìn)行駐車和釋放，其整體機(jī)構(gòu)則與手剎基本相同。如圖1所示。

當(dāng)車輛駐車時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過雙級齒輪減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行駐車力矩的增加，再通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動，從而拉動駐車?yán)?。?dāng)絲杠上的拉力傳感器達(dá)到設(shè)定的閥值時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，車輛保持駐車。如果此時整車出現(xiàn)意外斷電情況，因絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，則會保持當(dāng)前駐車狀態(tài)。

圖1 拉索式EPB結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)駐車釋放時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，通過減速齒輪和絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動駐車?yán)麽尫牛?dāng)達(dá)到設(shè)定的釋放拉索行程時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

2.2 集成式電子駐車系統(tǒng)

集成式電子駐車制動系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母和制動器[5]。如圖2所示。

1—制動電機(jī)；2—減速增力機(jī)構(gòu)；3—絲杠螺母機(jī)構(gòu)的滑動絲杠；4—絲杠螺母機(jī)構(gòu)的螺母；5—制動活塞；6—摩擦塊；7—摩擦盤；8—制動卡鉗。

駐車制動時，電機(jī)輸出力矩傳遞到減速機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)則將傳導(dǎo)的力驅(qū)動絲杠螺母機(jī)構(gòu)的心軸旋轉(zhuǎn)，推動壓力螺母直線運(yùn)動，從而作用到制動活塞上，制動活塞再推動右制動蹄片擠壓制動盤，達(dá)到駐車制動效果。

2.3 EPB結(jié)構(gòu)與適用車型對比

集成式電子駐車制動器與行車制動器集成，因?yàn)椴贾每臻g影響，目前駐車電機(jī)的輸出力基本最大達(dá)到3 kN，多應(yīng)用于乘用車，以及3.5 t以下皮卡和商務(wù)車型。而拉索式電子駐車制動系統(tǒng)布置基本不受空間影響，一般可滿足4.5 t至7 t的車輛駐車需求。本車型因?yàn)榭傎|(zhì)量達(dá)到4.5 t，考慮駐車的安全需求，采用拉索式電子駐車系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)校核

車輛在坡道上駐車時，需要滿載狀態(tài)的車輛能在設(shè)計(jì)要求的最大坡度上平穩(wěn)駐車。通常根據(jù)整車參數(shù)，我們可以得到此車型在上下坡時所能達(dá)到的極限坡度，所謂極限坡度指整車在一定坡度上駐車時，即使駐車制動力繼續(xù)增加，車輛依然無法在此坡道上駐車。然后根據(jù)整車設(shè)計(jì)開發(fā)要求，校核車輛在滿載狀態(tài)下能否在設(shè)計(jì)的最大坡度上平穩(wěn)駐車。

式（1）為車輛所能達(dá)到的極限上坡坡度計(jì)算公式；式（2）為車輛所能達(dá)到的極限下坡坡度計(jì)算公式[1]。

式中，為坡道角度；為車輛軸距；r為后軸質(zhì)量；為車輛總質(zhì)量；為車輛質(zhì)心高度；為附著系數(shù)。

以某車型計(jì)算為例，表1為車輛整車參數(shù)，表2為車輛所能在上下坡道時駐車的極限坡度。

表1 整車及制動器參數(shù)

整車參數(shù) 整車空載質(zhì)量/kg3 000空載后軸質(zhì)量/kg1 450 整車滿載質(zhì)量/kg4 495滿載后軸質(zhì)量/kg2 545 空載質(zhì)心高度/mm750滿載質(zhì)心高度/mm900 整車軸距/mm3 365附著系數(shù)0.8 輪胎半徑/mm377制動器杠桿比4 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)杠桿比1.38制動器半徑/mm155 制動器效能4.1系統(tǒng)效率0.7 制動器數(shù)量2

表2 整車空滿載上、下坡極限坡度

項(xiàng)目空載滿載 上坡極限坡度/%4758 下坡極限坡度/%3337

整車在滿載狀態(tài)設(shè)計(jì)的最大坡度為30%，小于車輛的極限坡度，因此，校核在各個坡度下EPB的電機(jī)輸出力，能否滿足要求。具體如表3所示。

表3 整車滿載狀態(tài)在不同坡道需求的EPB電機(jī)力

坡度/%角度/°駐車力矩/NmEPB電機(jī)力/N 10.00 5.71 1 652.48 336.48 18.00 10.21 2 942.02 599.05 20.00 11.32 3 256.95 663.17 30.00 16.71 4 772.05 971.68

整車在滿載狀態(tài)設(shè)計(jì)的最大坡度為30%，其EPB電機(jī)需求輸出力為971 N，而本車型采用的EPB電機(jī)輸出力達(dá)到1 400 N，完全滿足車型的開發(fā)需求。

4 駐車系統(tǒng)布置

駐車制動系統(tǒng)的布置不僅影響駐車的可靠性，同時影響駐車系統(tǒng)拉索的效率和EPB電機(jī)輸出力的有效性，從而影響整車駐車效果。

該車型采用輪邊駐車制動器，通過主副拉索將左右駐車制動器連接起來，再通過杠桿機(jī)構(gòu)，將主拉索與EPB電機(jī)推桿相連。如圖3所示。

圖3 EPB系統(tǒng)布置圖

EPB輸出拉索與杠桿機(jī)構(gòu)連接臂呈垂直狀態(tài)時，EPB的電機(jī)輸出力將全部轉(zhuǎn)化為主拉索的拉力。當(dāng)EPB輸出拉索與杠桿機(jī)構(gòu)連接臂呈現(xiàn)一個夾角時，只有部分拉索拉力會轉(zhuǎn)化為有效輸出力。

有效=?sin（3）

根據(jù)計(jì)算，夾角與垂直狀態(tài)偏差5°時，有效輸出力損失0.38%；偏差10°時，有效輸出力損失1.52%。因此，杠桿臂與拉索的夾角應(yīng)保持在(90±5)°以內(nèi)。

在駐車制動過程中，EPB初始運(yùn)動行程為駐車制動器的空行程，隨著制動蹄片與制動鼓接觸，拉索拉力開始變的越來越大，直至車輛完全駐車，拉索拉力達(dá)到最大。因此，設(shè)置在拉索的終止位置，杠桿臂與拉索的夾角應(yīng)保持在(90±5)°以內(nèi)。

在拉索與固定支架的連接處，拉索是通過兩個固定螺母與支架緊固連接，在極端情況下，存在螺栓松動、拉索脫落的風(fēng)險(xiǎn)，一旦拉索脫落，整車駐車系統(tǒng)將失去駐車能力。通過在拉索與支架的連接處設(shè)置倒L形卡槽，即使拉索緊固螺母松動，但因?yàn)椴捎么丝ú劢Y(jié)構(gòu)，駐車?yán)饕廊徊荒苊摮?，大大增加駐車系統(tǒng)的安全性。如圖4、圖5所示。

圖4 拉索與杠桿臂簡圖

圖5 固定支架倒L行簡圖

5 控制策略

EPB根據(jù)使用功能，分為駐車和釋放兩種狀態(tài)。根據(jù)使用場景則分為靜態(tài)駐車、坡度輔助起步、動態(tài)駐車、AUTOHOLD和車輛緊急制動。

5.1 駐車與釋放判斷邏輯

車輛駐車，一般是車輛保持長久的靜止?fàn)顟B(tài)。而駐車釋放，是車輛從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)。因此，車輛駐車時，操縱EPB開關(guān)即可。而為了防止駐車誤釋放，一般駐車釋放時，不僅要操縱EPB開關(guān)，同時要伴隨著有效的剎車信號或油門信號，EPB才會釋放駐車。

EPB在駐車時采用拉力作為判斷信號，在釋放時采用行程做判斷信號，其主要原因在于，車輛駐車時，整車需要達(dá)到一定的駐車力矩才能滿足駐車需求，使用拉索拉力作為判斷信號，可以直接施加相應(yīng)的駐車力矩。而駐車釋放時，因?yàn)殡S著制動器的磨損，拉索行程會變得越來越長，如果采用駐車力矩作為釋放判斷信號，容易造成駐車釋放不到位，而采用固定行程作為判斷信號，則每次釋放同樣的行程，同車輛初始狀態(tài)保持一致。

5.2 靜態(tài)駐車

靜態(tài)模式不僅包含車速為零的情況，同時包含低速的情況。通常會設(shè)計(jì)一個速度閾值，閾值速度之下的情況屬于靜態(tài)模式。閾值通常設(shè)置在安全車速以內(nèi)，一般≤5 km/h，即在這個速度以內(nèi)車輪抱死，車輛也不會產(chǎn)生危險(xiǎn)狀況。

靜態(tài)制動的過程是，按下EPB開關(guān)，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)的車速信號判斷工作模式，若是車速低于5 km/h，執(zhí)行器以常規(guī)方式制動，電機(jī)正轉(zhuǎn)至所需力矩時，按鈕燈和儀表盤指示燈燈亮起，表示已正常駐車。坡道駐車時，會根據(jù)角度傳感器提供的信號值計(jì)算出當(dāng)前坡道角度，從而施加相應(yīng)的力矩。

5.3 坡道輔助功能

坡道輔助起步功能在于，車輛需要起步時，只需踩下油門踏板，EPB系統(tǒng)經(jīng)過分析計(jì)算，當(dāng)電機(jī)的起步力矩達(dá)到設(shè)定的駐車力矩時，即自動解除駐車制動。

車輛在進(jìn)行EPB坡道起步功能標(biāo)定時，選取從小到大不同的坡度如：0%坡度，10%坡度，20%坡度，標(biāo)定此坡度下需求的駐車力矩和起步力矩，當(dāng)起步力矩達(dá)到設(shè)定的駐車力矩，無需駕駛員操作EPB按鈕，EPB則釋放駐車。其他坡度采用插值法，即可實(shí)現(xiàn)從最小坡度到最大坡度功能的完善[3]。

5.4 動態(tài)模式

駕駛員按下EPB開關(guān)后，若車速高于7 km/h而低于30 km/h，則會按照動態(tài)模式進(jìn)行處理，如果車速高于30 km/h，則會按照緊急制動控制策略處理。EPB在動態(tài)模式下，如果駕駛員沒有踩下制動踏板，只拉起EPB開關(guān)，則EPB系統(tǒng)判斷駕駛員并沒有駐車意圖，只是誤操作。如果車輛需要動態(tài)制動時，則需要踩下制動踏板，同時常拉EPB開關(guān)，此時EPB電機(jī)會采取輪速信號，在保證2.2 m/s2制動減速度的情況下，同時還要保證車輪不能抱死，此時EPB電機(jī)需要不斷的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，即不斷的駐車和釋放。

5.5 AUTO HOLD

自動駐車（AUTO HOLD）是電子駐車系統(tǒng)的衍生功能，其極大提高了車輛的操縱舒適性和操縱方便性，尤其是針對城市工況的擁堵馬路。其控制關(guān)鍵在于對駕駛員的駕駛意圖能夠準(zhǔn)確判斷，通過坡度傳感器由控制器給出準(zhǔn)確的駐車力，在起步時，駐車控制單元通過油門踏板傳感器等提供的信息通過計(jì)算，當(dāng)驅(qū)動力大于行駛阻力時自動釋放駐車制動，從而使汽車能夠平穩(wěn)起步。AUTO HOLD在觸發(fā)時必須同時滿足以下兩個條件：（1）擋位為空擋；（2）車速為靜態(tài)模式。

AUTO HOLD功能有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是通過EPB的電機(jī)制動，一種是通知ESC模塊進(jìn)行液壓制動。前者的優(yōu)點(diǎn)在于控制邏輯簡單，但缺點(diǎn)在于制動的作用時間稍長，噪音稍大，頻繁使用可能降低電機(jī)壽命。而ESC模塊通過電機(jī)加壓和關(guān)閉閥的制動時間通常在100 ms以內(nèi)，釋放制動力時只需打開相應(yīng)的閥減壓，閥的開閉時間在100 ms以內(nèi)。因此，AUTO HOLD功能基本都是通過ESC模塊協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)[4]。

5.6 緊急制動控制策略

緊急制動是指車輛在行車制動失效情況下，EPB提供制動力使車輛停下的功能。因?yàn)槟壳败囕v上行車制動都是采用雙回路制動，因此，完全失效的概率極低。緊急制動在一般情況下不會觸發(fā)，只是作為行車制動的補(bǔ)充功能。當(dāng)車速高于30 km/h時，駕駛員需要踩下制動踏板，并且常拉EPB開關(guān)，EPB則會以最大的輸出力矩進(jìn)行駐車。因?yàn)榇藭rEPB電機(jī)以最大負(fù)荷工作，可能會造成EPB執(zhí)行器不可恢復(fù)的損傷，從而影響系統(tǒng)的壽命甚至損壞，所以EPB緊急觸發(fā)的的頻率應(yīng)該是極低的，同時所需要的觸發(fā)條件也是嚴(yán)格的。

EPB依據(jù)以下條件判斷當(dāng)前狀況是否采取緊急制動：（1）車速大于30 km/h；（2）制動踏板達(dá)到最大行程；（3）油門踏板行程為零；（4）EPB按鈕一直按下。只有同時滿足四個條件時，EPB則進(jìn)行緊急制動控制，一旦EPB開關(guān)放下，則駐車功能停止。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對4.5 t新能源液制動商用車EPB功能的標(biāo)定，靜態(tài)駐車、釋放，動態(tài)駐車和自動駐車功能都滿足了設(shè)定的功能要求。對于坡度起步功能標(biāo)定結(jié)果，如圖6所示。EPB標(biāo)定了平地，5%坡度，10%坡度，15%坡度，20%坡度，30%坡度下的駐車力矩和驅(qū)動力矩，當(dāng)驅(qū)動力矩大于駐車力矩，EPB自動釋放，整車平穩(wěn)起步。對于其他的坡度，利用插值法可計(jì)算所有坡度下整車需要的駐車力矩和起步驅(qū)動力矩。

圖6 各坡度下整車駐車力矩和驅(qū)動力矩

7 結(jié)論

通過對新能源液制動商用車EPB系統(tǒng)開發(fā)過程各個方面的詳細(xì)分析，從EPB功能安全的完善，到具體的零部件布置細(xì)節(jié)研究和數(shù)據(jù)校核，從而切實(shí)論述了EPB系統(tǒng)開發(fā)過程的各個環(huán)節(jié)，給相關(guān)從業(yè)人員提供一種EPB開發(fā)系統(tǒng)思路。

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Analysis on the EPB Development System of a New Energy Commercial Vehicle

HE Guo, HAN Yanxiao, LI Qingzhang, ZHAO Weifeng

( Anhui Jianghuai Automobile Company Limited, Hefei 230631, China )

Electrical park brake (EPB) is a kind of vehicle brake-by-wire technology, which has obvious advantages over traditional parking brake systems in terms of structure and function. This technology has basically become the standard configuration of passenger vehicles, but it is rarely used in commercial vehicles with 4.5t hydraulic brakes.Based on this situation, this article introduces the electrical park brake system development process of new energy hydraulic brake commercial vehicles, and discusses the electrical park brake development process in detail from five dimensions: functional safety, technical route, data verification, system layout and control strategy, so as to provide a standardized development process to bring some references to relevant practitioners, and be more beneficial to the development of the electrical park brake industry in commercial vehicles.

Electronic parking brake; Functional safety; Technical route; Control strategy;New energy commercial vehicle; System analysis

U463.5

B

1671-7988(2022)21-196-06

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1671-7988(2022)21-196-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.037

何果（1989—），男，工程師，研究方向?yàn)榈妆P制動系統(tǒng)，E-mail:heguo1130@163.com。