新能源汽車制動系統解析(二)

◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

當駕駛員松開制動踏板后，真空助力器進入到回程階段。從曲線來看，去程和回程的助力曲線不重合，相同的踏板力，回程曲線對應的制動主缸壓力要大于去程曲線對應的制動主缸壓力，這種現象稱為真空助力器的遲滯現象。制動液壓系統的遲滯和橡膠反饋盤的遲滯導致了這種現象的發生。同時，在去程和回程，由于零部件的運動方向發生了改變，摩擦力隨著運動方向的改變而發生變化，同樣也影響了遲滯。

回程曲線中，當主缸壓力為0，沒有輸出力時，制動踏板力卻不為0，該值被稱為釋放力。釋放力的存在主要與各種彈簧的預緊力有關，與跳增值類似，一般要求釋放力要大于30N。

(3)橡膠反饋盤變形狀態

在助力過程中，橡膠反饋盤受到駕駛員踏板輸入推桿的推力和伺服助力，定義輸入推桿與橡膠反饋盤接觸部分(內環面)為主面，伺服助力閥體與橡膠反饋盤接觸部分(外環面)為副面，如圖8所示。

輸入力和伺服助力之間的大小關系將會影響橡膠反饋盤的變形形態，橡膠反饋盤在工作過程中可能會出現如圖9所示三種不同的狀態：輸入力和伺服力相同，主面和副面的變形量相同，呈現自然狀態；伺服力大于輸入力時，副面位移超前主面位移，橡膠反饋盤呈現主面凸起狀態；輸入力大于伺服力時，主面位移超前副面位移，橡膠反饋盤呈現主面下凹狀態。

影響輸出力大小的，不僅有輸入力，還有橡膠反饋盤主、副面的面積和位移差。在一個確定的機構中，橡膠反饋盤的主、副面的面積是一定的，改變輸出力的大小，本質是要改變助力過程中主、副面位移差的變化，若助力過程中保持位移差不變，則線性助力段助力比保持一定，只是位移差越大的情況下輸出力越大。對于電子機械制動助力器而言，我們無法通過控制駕駛員的輸入力而控制橡膠反饋盤主面的位移，只能通過改變電機的伺服力矩來控制副面的位移，從而控制助力過程中主、副面位移差的變化，最終實現變助力特性。

(4)機電伺服制動助力器(iBooster)特性曲線

由于駕駛員早已經習慣真空助力器的制動踏板感覺，因此,根據真空助力器的助力曲線指導機電伺服制動助力器(iBooster)特性曲線的設計。理想的變助力特性曲線如圖10所示。

圖10中間曲線給出了常規型制動踏板感覺的去回程完整的助力特性曲線，并且將其作為助力器的基礎助力特性曲線。由于舒適型和運動型去回程之間的遲滯現象和常規型的大致相同，同時為了繪圖清晰，舒適型和運動型制動踏板感覺只給出去程助力曲線。

對于舒適型制動踏板感覺，駕駛員追求的是制動過程較為平順，制動踏板感覺較“輕”，不需要較大的踏板力就可以實現汽車減速直至停車，反應在助力特性曲線上，跳增值較大，線性助力段的助力也比較大；而對于選擇運動型制動踏板感覺而言，駕駛員在汽車制動過程中操作較為“粗暴”，踩下制動踏板的深度較大，制動踏板力更大，為了保證汽車制動過程的穩定性和安全性，制動踏板感覺應該較“沉”助力曲線具有較小的跳增值和較小的助力比。對比三種不同制動踏板感覺模式下的助力特性曲線，駕駛員踩下相同的制動踏板深度和相同的制動踏板力，舒適型助力特性曲線的主缸液壓力最大，而運動型助力特性曲線的主缸液壓力最小，常規型助力特性曲線的主缸液壓力處于中間狀態。對于這些助力特性曲線，iBooster都可以通過軟件來設定。為滿足整車廠平臺差異化的要求，同一類型的iBooster可配置于同一整車平臺的不同車型，以實現不同的踏板感。因此，主機廠可以通過快速地編制iBooster助力性能曲線程序。較容易地對其同平臺車型選配不同的駕駛模式。從而駕駛員可根據喜好選擇不同的制動踏板感。總結iBooster助力特性曲線各個特征階段的特點、影響因素及調節措施如表4所示。

4.iBooster與ESP組合制動系統的應用

iBooster完善了博世模塊化制動系統組合，使相應的制動系統能夠根據所有車輛配置和客戶要求進行量身定制。無論車輛大小和驅動技術如何，也不管車輛配備輔助功能的程度如何，都可選擇標準的ESP與其組合(混合動力或電動汽車可與ESP hev組合)提供最佳的成本優化解決方案。

iBooster二代產品配備了ESP hev完成制動能量回收，ESP hev結構原理如圖11所示。其內部結構與傳統的ESP類似，只是在控制后軸回路的電磁閥中采用了PCR閥和SV閥。在100%再生制動期間，PCR和SV閥將會打開，以便將制動液引導回制動液儲液罐，各個制動輪缸上沒有作用液壓。制動踏板感將由iBooster伺服力進行補償。

如圖12所示，iBooster與ESP組合制動系統架構分為電機再生制動系統和液壓制動系統。電機再生制動系統的功能主要在車輛減速過程中，驅動電機轉化為發電機將汽車的部分動能轉化為電能儲存于電池中，同時電機產生反向作用力矩通過傳動系統傳遞到車輪提供制動力矩。液壓制動系統主要制動主缸、制動輪缸、iBooster電子機械助力器、ESP液壓調節單元組成，目的是控制流入制動輪缸的制動液流量，從而控制液壓制動力。最終，電機再生制動力與液壓制動力共同作用于車輪，為車輛提供制動力。電機再生制動與液壓制動系統的控制器，包括了整車控制器、制動控制器、電機控制器、ESP液壓單元控制器以及電池管理系統，各控制器的信息交互通過局域網絡CAN進行傳輸。這些控制單元可以分為上層控制和下層控制兩個部分，如圖13所示。上層控制主要為對整車控制器、ESP液壓單元控制器、iBooster控制器、電機控制器進行控制。下層控制主要是控制制動系統的執行機構，包括電機、ESP液壓單元以及對整車的控制。

(1)再生制動

傳統的真空助力器的液壓變化只能在一定的范圍內被控制，即跳增值區域，該區域內的制動力矩可以被能量回收系統撤銷而不被駕駛員感覺到。對于制動液壓超過跳增值的區域，能量回收系統的作用力引起制動液壓的變化會被駕駛員感知而影響踏板感。因此在控制策略上只能實現小于0.2g減速度的再生制動能量回收。

iBooster與ESP系統組合使用時可實現最高達0.3g減速度的再生制動能量回收。這是由于iBooster能夠根據ESP制動液壓條件，通過軟件控制隨時調節iBooster的助力器伺服力。以此來保證在再生制動協調控制過程中的良好制動踏板感覺。實現制動踏板力與制動液壓力完全解耦，與之iBooster動作可不受車輛減速度影響而調整踏板感，并在整個制動范圍內傳遞一致的踏板感。如此高的制動能量回收水平使電動車輛的續航里程增加高達20%。用iBooster進行再生制動能量協調控制作用力的平衡關系如圖14所示。

電機再生制動力分配控制邏輯如圖15所示。有些情況下系統是不進行再生制動能量回收的。首先要判斷車輛的運行狀況，在制動時，當車速過小時，進行能量回收沒有意義，則只進行液壓制動；當車速較大時，判斷其是否是緊急制動模式，緊急制動不進行能量回收，只采用液壓制動。其他情況下，基于制動力分配算法，進入再生制動控制。

(2)ESP工作模式

ESP液壓控制單元在制動系統中的作用就是對制動輪缸液壓力進行動態調節，在再生制動力的基礎上保證前后輪對液壓制動力的需求。同時在制動過程中執行車輛防側滑功能，保證車輛制動安全。

ESP液壓系統工作模式有常規液壓制動模式、前軸回饋制動模式(前輪驅動車輛)、防側滑制動模式。主要控制過程就是對制動輪缸的增壓、減壓和保壓。

①常規液壓制動模式

在ESP常規液壓制動模式中制動液流動如圖16所示。此時所有電磁閥開關保持在默認狀態，主缸制動通過旁通閥、增壓閥進入制動輪缸，工作方式與傳統液壓制動相同。

②前軸再生制動模式

如上節所述，再生制動能量回收過程中ESP液壓制動與電機制動具有耦合的過程的，在這一過程中，電機再生制動力是一個動態調節的過程，因此ESP液壓制動力也應該隨著電機再生制動力的變化進行動態調節。當再生制動力能滿足前軸制動需求時，原來流入前輪輪缸的制動液通過增壓閥、減壓閥流入蓄能器，實現前軸制動輪缸沒有液壓制動力的需求。如圖17所示。當電機再生制動力不能滿足前軸制動需求時，制動液通過增壓閥流入前制動輪缸提供液壓制動力。具體的制動液流動如圖18所示。由于電機再生制動力隨著車速變化、制動強度變化等因素是變化的，因此，前軸的液壓制動力也是一個變化的過程，當前軸需要的液壓制動壓強比主缸壓強大時，泵電機開啟運轉，將蓄能器內的制動液增壓流入前軸制動輪缸。總之，前軸根據制動需求及電機最大制動力由ESP調節耦合液壓制動力,而后軸制動力始終由ESP液壓單元提供。

③防滑移制動模式

當車輛發生縱向或橫向失去穩定(車輪有抱死趨勢或側傾)傾向時，ESP控制單元會根據輪速傳感器和橫擺率傳感器信號，計算車輪滑移率及車輛橫向加速度，從而對制動輪缸的增壓閥和減壓閥的開閉進行動態調節，以此防止車輪抱死和車輛側滑的發生，使車輛穩定行駛。

(3)駕駛輔助

iBooster還為駕駛輔助系統帶來了很多的裨益。通過電機工作iBooster能夠實現主動建壓，而無需駕駛員踩下制動踏板，通過電子控制系統精確的調節，獲得所需制動力的速度提高3倍，這對自動緊急制動系統是一個巨大優勢。例如緊急情況下，iBooster可在約120ms內自動建立全制動壓力。這不僅有助于縮短制動距離，還能在碰撞無法避免時降低撞擊速度和對當事人的傷害風險。圖19顯示iBooter主動建壓對比ESP單獨工作建立的壓力和流量關系曲線。此外，iBooster還能支持自適應巡航控制(ACC)模式，幫助駕駛員進行舒適制動直至車輛完全停止,而駕駛員幾乎察覺不到振動和噪音。這對電動車來說具有十分顯著的優勢，因為環境噪聲在這類車輛中對駕駛員干擾影響更加明顯。

(4)未來導向

iBooster與博世的ESPhev液壓單元結合，能夠成為無駕駛員參與的全自動駕駛需要制動系統的失效冗余控制部件，這兩種系統都能在制動器上直接進行機械推動，在整個減速范圍內獨立制動車輛。以確保整車制動時的失效安全，并且，自動駕駛提供冗余制動備份為操作/服務性數據系統，潛在用于性能更新(通過移動數據完成刷新)。

(未完待續)