乘用車電子駐車制動系統駐坡計算研究

史亨波 隋清海 郝占武 張建斌 閆魯平

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：EPB 分級夾緊策略 駐坡計算

1 前言

乘用車駐車制動系統主要分為2 大類：傳統機械駐車和電子駐車。

傳統機械駐車又包含“手剎”和“腳剎”，是由手臂拉動駐車操縱桿或腳踩駐車踏板，再將駐車制動力傳遞到制動鉗或制動鼓上實現駐車的系統方案。這種駐車制動系統發展最早，但是存在一系列問題：駐車需要足夠的手拉力和腳踏力，這會使女性駕駛員因力量不足導致駐車力矩不足而產生溜車，新駕駛員缺乏經驗忘記駐車操作而產生溜車（特別是手動擋車輛），駐車操縱桿及拉索系統占用空間大，力傳遞效率低，不符合汽車電子化趨勢。傳統機械駐車已逐漸被市場淘汰，取而代之的是電子駐車制動系統[1]。

電子駐車制動系統（Electrical Park Brake,EPB），是汽車電子化發展的產物，只需駕駛員手動按下按鈕，便可實現靜態駐車和動態應急制動。

EPB 分為2 類：“拉索式EPB”和“電機集成式EPB”。拉索式EPB 將駐車操縱桿更換為駐車電機。駐車時，由電機動作拉動駐車拉索，將駐車制動力傳遞到制動鉗或制動鼓上實現駐車。拉索式EPB 因駐車制動力控制精度不足，且無法配合實現電控附加功能，在近幾年逐漸被淘汰。電機集成式EPB將制動鉗或制動鼓與駐車電機集成在一起，由液壓方式實現行車制動，由電機方式實現駐車制動，相比之下，電機集成式EPB 在輕量化、駐車效能及穩定性、制動電控功能控制（AUTO HOLD、駛離釋放、熄火自動夾緊、高溫或溜坡再夾緊等）、用戶體驗方面都具有較大的優勢，更加自動化、智能化，有效解決了傳統機械駐車的一系列問題，故其在乘用車型上應用越來越廣泛[2]。

按照制動器類型，電機集成式EPB 分為“制動鉗式”和“制動鼓式”。本文主要研究了制動鉗式電機集成EPB的駐坡計算方法，業內目前并沒有形成完整的計算方法體系，對駐坡能力評價也沒有統一的標準。基于此，從最大駐坡能力需求入手，結合模擬用戶使用工況路試溫度水平的研究，分析了不同溫度條件下對應的不同的駐坡要求。針對EPB 分級夾緊策略的特點，從正向研究為滿足駐坡要求的各級所需夾緊力計算思路，為設計合適大小的電機夾緊力提供參考[3]。

2 駐坡需求分析

2.1 法規要求

根據GB 21670中的5.2.3.1要求，乘用車駐車制動系應能使滿載車輛在坡度為20%的上、下坡道上保持靜止[4]。

法規項是對車輛的最基本要求，即無論在何種工況或何種條件下，滿載狀態的車輛必須能在20%的上、下坡道上不溜車[5]。

2.2 工程目標要求

通常大部分乘用車在滿足法規的基礎上，會提出更高的要求。在各項目的工程目標中，一般要求駐車制動系應能使滿載車輛在坡度為30%的上、下坡道上保持靜止，此要求僅需在常用工況或常用條件下滿足即可，極端工況可以不考慮。

2.3 不同溫度水平駐坡要求

2.3.1 綜述

根據2.1和2.2的研究，乘用車最大駐坡能力應該滿足20%還是30%的坡度，與其是否處于極端工況相關。車輛制動時的極端工況有很多，包括高溫、高壓、低真空度、低附著條件。其中，駐車制動性能強相關的極端條件為高溫，其直接影響到駐車時摩擦片的摩擦系數和溫度降低到環境溫度后的電子駐車夾緊力（以下簡稱為“夾緊力”）衰退水平。

故駐車制動計算時，一般考慮以下2種工況：

(1) 制動器在高溫狀態即刻進行駐車操作，因為此時的摩擦片已衰退，摩擦系數較低，所以就需要更大的夾緊力來保證駐車需求；

(2) 制動器高溫駐車后冷卻到常溫，由于冷縮作用，最初施加的夾緊力降低，不足以繼續維持車輛靜止。

2.3.2 不同溫度水平研究

在計算前，需要明確不同的溫度水平，以及哪個溫度是駐坡計算的極端工況。在下文分析時，假設環境溫度為23 ℃。

（1）常溫狀態

GB 21670 中的5.1.4.1.1 中規定，乘用車制動開始前，在摩擦片內部或制動盤或制動鼓的制動摩擦面上測得的最熱的車軸的行車制動器的平均溫度應在65～100 ℃之間，故定義摩擦片溫度不大于100 ℃為常溫狀態[4]。

（2）高溫狀態

為了研究高溫狀態的溫度水平，對某乘用車進行了多種道路試驗并采集摩擦片溫度參數，這些試驗涉及到的工況包括：城市工況、郊區工況、山區工況、制動NVH長里程工況。

城市工況路試曲線見圖1，后摩擦片測得的最高溫度大約為200 ℃。

圖1 城市工況路試曲線

郊區工況路試曲線見圖2，后摩擦片測得的最高溫度大約為160 ℃。

圖2 郊區工況路試曲線

山區工況路試曲線見圖3，后摩擦片測得的最高溫度大約為150 ℃。

圖3 山區工況路試曲線

制動NVH長里程工況路試曲線見圖4，后摩擦片最高溫度為250 ℃左右。

圖4 制動NVH長里程工況路試曲線

根據各項路試試驗結果，摩擦片溫度最高的試驗為制動NVH 長里程工況，但因其制動頻次較高，超過用戶正常使用水平，故此溫度僅作為參考。剩下的3個工況均為模擬用戶正常行駛，并沒有刻意的增加制動次數，故其更接近用戶真實水平。其中溫度最高的為城市工況，郊區和山區工況因制動次數相對較少，故溫度偏低。

綜上所述，超過200 ℃定義為高溫狀態，100～200 ℃定義為中間狀態。

除此之外，行業內一般要求制動NVH 長里程試驗制動器最高溫度不能超過300 ℃，即在300 ℃以內需要保證一定的制動性能，故定義超過300 ℃屬于制動誤用工況，不考核EPB駐坡性能。

2.3.3 不同溫度水平的駐坡要求

根據上述研究，不同制動器溫度下乘用車的駐坡要求見表1。

表1 乘用車駐坡要求

3 駐坡夾緊力計算方法

3.1 綜述

根據2.3 的研究，駐坡計算時要分為常溫狀態及其他狀態2部分進行。

常溫狀態進行駐坡時，隨著溫度變化，摩擦片摩擦系數衰退較小，夾緊力變化較小，故常溫狀態可以直接代入名義摩擦系數及名義夾緊力進行計算[6]。

其他狀態包括中間狀態及高溫狀態，這2 種狀態駐坡時，需要考慮溫度升高導致摩擦片摩擦系數降低，以及經歷升溫及冷卻后，原施加的夾緊力因冷縮作用而變小，故這2種狀態的夾緊力計算需要提前確定不同溫度的摩擦系數和夾緊力衰退比[7]。

名義摩擦系數、高溫摩擦系數和夾緊力衰退比一般可以通過EPB 臺架試驗確定。如果不具備試驗條件，可以通過歷史開發經驗預估。

3.2 計算前準備

在臺架上測得不同條件下制動器電機的夾緊力F和對應的夾緊力矩T，用于計算相應的摩擦片摩擦系數u和夾緊力衰退比Φ，參考表2。

表2 EPB臺架試驗結果

摩擦系數u按式(1)進行確定。

式中：

u—摩擦系數；

T—夾緊力矩；

F—夾緊力；

r—后制動器有效制動半徑。

夾緊力衰退比Φ按式(2)進行確定。

式中：

Φt—經歷高溫冷卻后夾緊力衰退比，t為相應的溫度；

Finit—高溫狀態施加的夾緊力；

Ffinal—制動器由高溫冷卻到40 ℃時的剩余夾緊力。

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3.3 坡度換算

坡度，又稱為坡比，是坡面的垂直高度h和水平方向的距離s的比值，用i表示。坡度值要先換算成角度值，才能用于夾緊力計算。因坡度是EPB依據縱向加速度傳感器信號計算而得，存在一定誤差，故在計算時，一般在目標坡度基礎上增加3%的公差。

用于夾緊力計算的坡角按式(3)進行換算。

式中：

A——坡角；

i——坡度。

3.4 夾緊力計算公式

在計算夾緊力時，需要考慮車輛滿載狀態及一定的安全系數，一般在滿載重量基礎上增加100 kg用于計算。

某車輛在坡度i上所需夾緊力F按式(4)進行確定[8]。

式中：

u—摩擦系數；

r—后制動器有效制動半徑；

G—車輛滿載質量；

g—重力加速度；

i—坡度；

R—車輪滾動半徑。

3.5 夾緊力策略

乘用車EPB一般采用分級夾緊的策略，由于電壓的波動及其他因素影響，實際夾緊力還會存在一定的公差，故計算名義夾緊力時需要考慮此公差。

以某車型為例，其EPB名義夾緊力分為3級夾緊，公差為±1 500 N，見表3。

表3 某車型夾緊力策略

根據2.3.3 的研究，不同溫度區間，EPB 需要滿足的最大坡度要求不同，故在分析F1、F2和F3的過程中，要分不同的溫度區間進行確定。

(1)F1:不大于300 ℃范圍內，應使滿載車輛在8%坡道駐坡；

(2)F2:不大于300 ℃范圍內，應使滿載車輛在17%坡道駐坡；

(3)F3:在40 ℃～200 ℃范圍內，應使滿載車輛在30%坡道駐坡；在200 ℃～300 ℃范圍內，應使滿載車輛在20%坡道駐坡。

在上述策略基礎上，EPB還會增加機械再夾緊策略，增加的夾緊力簡稱為“再夾緊力”。根據PBC軟件是否有溫度模型，再夾緊操作可以分為溫度觸發和坡度觸發2種情況。

VDA 305-100中3.1.1規定：除非OEM另有規定，EPB應滿足進行100 000個負載循環（夾緊和釋放）外加2 500個再夾緊過程的要求，所以，建議再夾緊次數不超過2 500次[9]。

3.6 針對無溫度模型的系統計算夾緊力

此種系統的PBC 軟件無法準確判斷駐車時刻制動器溫度水平，而會根據坡度大小判斷是否需要施加再夾緊力。

例如，某車型的機械再夾緊觸發條件為坡度達到17%，再夾緊力為7 000 N，觸發時間設定為EPB 駐車操作后5 min 左右施加，夾緊力策略見表3，則各級名義夾緊力計算如下：

(1)F1：考慮到溫度越高，摩擦系數衰退越大，冷卻到常溫后夾緊力衰退越大，故僅需計算300 ℃的夾緊力，考慮以下2種情況。

(a)高溫即刻駐車夾緊力F即刻，按(4)式計算，代入表2中300 ℃的摩擦系數u300，坡度i=8%；

(b)使高溫冷卻后仍能足夠駐坡的初始夾緊力F冷卻前，按(5)式計算：

式中：

u—表2中300 ℃冷卻到40 ℃后的摩擦系數；

F冷卻前—夾緊力；

r—后制動器有效制動半徑；

G—車輛滿載質量；

g—重力加速度；

i—坡度，此處為8%；

R—車輪滾動半徑；

Φ—表2中300 ℃冷卻到40 ℃的夾緊力衰退比。

F即刻和F冷卻前取最大值，再加公差1 500 N，即為推薦的最小F1。

(2)F2：參考F1，坡度大小由8%更改為17%，按照同樣的思路計算推薦的最小F2。

(3)F3：根據3.5的研究，考慮以下2種情況。

(a)200 ℃在30%坡度駐車：按(4)式計算200 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-200，代入表2 中的u200，i=30%；按(4)式計算200 ℃冷卻到40 ℃后所需夾緊力F200→40，代入表2中u200→40，i=30%；

(b)300 ℃在20%坡度駐車：按(4)式計算300 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-300，代入表2 中的u300，i=20%；按(4)式計算300 ℃冷卻到40 ℃后所需夾緊力F300→40，代入表2中u300→40，i=20%；

先將F即刻-200和F即刻-300取最大值Fmax，因存在再夾緊力7 000 N，可以補充高溫冷卻后駐車需求，故F3需滿足：

3.7 針對有溫度模型的系統計算夾緊力

此種系統的PBC軟件中有較為準確的溫度模型，包括升溫模型和散熱模型。

升溫模型的原理是基于駐車時刻的主缸壓力信號的大小，計算當前摩擦系數，進而判斷制動器正處于的溫度水平。散熱模型的原理是基于模型內的散熱系數，模擬制動器在整車靜止狀態的降溫曲線。

當制動器溫度超過預設的門限值，PBC軟件觸發高溫再夾緊功能。高溫再夾緊邏輯一般為監測溫度降低情況，每降低一定數值，便施加一次再夾緊力，使當前總夾緊力達到駐車時刻的水平。可以施加多次，直到溫度降低到門限值以下后自動退出。

例如，某車型的高溫再夾緊觸發條件為制動器溫度達到200 ℃以上，總共可以施加3次，每降低50 ℃便施加一次，夾緊力策略見表3，則各級名義夾緊力計算如下：

(1)F1：根據3.5的研究，考慮以下2種情況。

(a)200 ℃在8%坡度駐車：按(4)式計算200 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-200，代入表2中u200，i=8%；按(4)式計算200 ℃冷卻到40 ℃后所需夾緊力F200→40，代入表2中u200→40，i=8%；

(b)300 ℃在8%坡度駐車：按(4)式計算300 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-300，代入表2中u300，i=8%。

先將F即刻-200和F即刻-300取最大值Fmax，因存在200 ℃以上的高溫再夾緊動作，可以補充高溫（如300 ℃）冷卻后駐車需求，故F1僅需滿足：

(2)F2：參考F1，坡度大小由8%更改為17%，按照同樣的思路計算推薦的最小F2。

(3)F3：根據3.5的研究，考慮以下2種情況。

(a)200 ℃在30%坡度駐車：按(4)式計算200 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-200，代入表2 中u200，i=30%；按(4)式計算200 ℃冷卻到40 ℃后所需夾緊力F200→40，代入表2中u200→40，i=30%；

(b)300 ℃在20%坡度駐車：按(4)式計算300 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-300，代入表2中u300，i=20%。

先將F即刻-200和F即刻-300取最大值Fmax，因存在200 ℃以上的高溫再夾緊動作，可以補充高溫（如300 ℃）冷卻后駐車需求，故F3僅需滿足：

4 結束語

研究了制動鉗式電機集成EPB在不同溫度條件、不同坡度上的所需最小夾緊力計算思路。基于部分參數假設的前提下，從正向討論如何設計EPB的夾緊力策略。實際應用中遇到的情況可能會比本文設定的場景復雜很多，建議把握好設計原則。

在計算夾緊力時，不僅要考慮不能溜坡，還要保證夾緊力不能設計過大，不然會引起夾緊或釋放時間過長，從而導致EPB 工作噪音水平惡化。此外，過大的夾緊力還會引起AUTO HOLD、EPB 駛離釋放時的平順性變差，造成車輛聳動及強烈拖拽感的問題[10]。

基于平臺化和模塊化需求，EPB生產廠的駐車電機只有一種或多種，夾緊力策略一般是固定的，在這種情況下，可以參考本計算規范的思路進行逆向校驗，設計合理的夾緊力策略。