融合自識別功能的商用車線控制動系統

吳偉斌 ， 胡智標， 馮小明， 馬寶淇， 鄭澤鋒

(1.華南農業大學工程學院， 廣州 510642； 2.廣州瑞立科密汽車電子股份有限公司， 廣州 510670)

商用車的電動化和智能化已成為近年來的發展趨勢，線控制動系統作為商用車的核心執行部件，已成為汽車工業發展的焦點[1-4]。傳統的線控制動系統對于不同車輛參數需要定制多樣化的程序，每輛車需要按照設計開發的需求寫入不同參數開通不同的功能，這不利于商用車批量生產和功能配置[5]。以電子穩定性控制功能為例，若車輛在出廠設置不帶此項功能，后期需增加此功能項時，則需要專業技術人員進行操作，從而影響生產效率[6]。此外，商用車的主掛協調與商用車安全性緊密聯系，牽引車車頭與半掛車并不是相互配對，會存在甩掛的危險情況，不同牽引車車頭配置不同半掛車，制動的配置以及制動管路的布置是不相同的，所以就會出現甩掛后制動性能的差異，從而影響車輛的行駛安全性[7-8]。因此，提高線控制動系統的識別兼容性研究有著顯著的意義。

現階段，所有整車廠對于不同車型的制動系統形式的配置一般采用以下兩種方式，一種是車輛下線時通過人工進行制動系統形式標定，另一種是零部件企業出廠前標定好，發貨時通過型號區分，整車廠按照對應的型號將制動系統控制器安裝到對應的車型上[9-10]。這兩種方式均存在很大的資源浪費問題，效率極低，還存在漏配置或者配置錯誤等安全隱患。關于線控制動系統的自識別功能開發，美國威伯科公司和德國克諾爾集團等商用車制動系統零部件企業，目前均沒有開展這方面的研究[11-13]。中國廣州瑞立科密通過利用線控制動系統的自學習算法，通過自動識別制動系統硬件部件的連接狀態，同時通過線控制動系統功能仿真平臺進行仿真，并最終進行實車測試及應用[5]。中國學者張榮林[14]基于PV(pressure-volume)特性的回路壓力的估算算法構建線控制動系統的動態特性，通過目標車速和實際車速作為反饋輸入，建立仿真模型驗證該系統的可行性和安全性；楊甲豐等[15]基于CAN_FD總線設計線控制動系統，提出的冗余結構設計方案有效縮短緊急制動下的側向偏移距離，但缺乏在不同附著率路面下的仿真試驗；陳志強[16]分析線控制動系統ABS(antilock brake system)在不同道路及工況下的情況，通過仿真分析車輛在緊急制動情況下開關閥的表現，但缺乏對輪速傳感器、電子穩定系統等功能的識別研究。在目前的研究中，存在以下研究較少或尚未開展的問題：①當前開展的線控制動系統研究選擇實車試驗較少，普遍停留在仿真試驗階段；②商用車的種類較多，存在拖車與掛車結合的類型，目前的研究缺乏對拖掛車的識別功能，在緊急制動的情況下，若線控制動系統無法監測掛車的速度值，容易產生嚴重的后果。

針對傳統的線控制動系統兼容效果不佳及商用車行駛安全的問題，現設計一種融合自動識別功能的線控制動系統，通過試驗場實車試驗，檢測車輛壓力調節閥和輪速傳感器的連接狀態，根據中央控制單元的控制模式，通過電路或者氣路控制各壓力調節閥，完成線控制動系統識別帶掛車、識別輪速傳感器和壓力調節模塊和識別轉向角、橫擺率傳感器適配電子穩定系統的功能，從而實現線控制動系統識別不同車型不同的功能配置，自動適應緊急制動下的車況，確保商用車的行駛安全。

1 系統組成及原理

如圖1所示為裝配4S4 M制動形式的商用車氣路圖。融合自動識別算法的線控制動系統包含單通道壓力調節閥、雙通道壓力調節閥、兩個輔助電磁閥、四個輪速傳感器、中央控制單元、轉向角傳感器、橫擺率傳感器、制動信號傳輸器等七大部件，各個部件之間的連接關系是：前軸兩個輪速傳感器和單通道壓力調節閥閥電線連接，后軸兩個輪速傳感器和雙通道EBS閥電線連接；剩余零部件和中央控制單元線束連接。

壓力調節閥包括第一單通道壓力調節閥和雙通道壓力調節閥，圖2所示為兩者的電氣工作原理圖，L1為常閉進氣線圈，L2為常閉排氣線圈，L3為常開備壓線圈，單通道壓力調節閥共有氣控和電控兩種模式，其中氣控模式是通過4號口充氣作用與中央繼動閥21/22按照比例輸出壓力，電模式是配合中央控制單元，輸出驅動電流作用于L3線圈，切斷常規充氣。增壓時，驅動電流作用L1，減壓時驅動L2線圈；觸發中央活塞輸出壓力。P/U標志為閥體內嵌的壓力傳感器，電控模式下可以實時反饋21/22口氣壓。雙通道壓力調節閥與上述原理類似，此處不再闡述。中央控制單元發送相關的壓力梯度命令請求第一單通道壓力調節閥、雙通道壓力調節閥驅動L1、L2、L3線圈執行閥動作，壓力調節閥體反饋實際壓力狀態給中央控制單元，二者通信交互實現線控制動。

圖1 4S4M商用車氣路圖Fig.1 4S4M commercial vehicle gas circuit diagram

圖2 壓力調節閥電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic diagram of pressure regulating valve

每個輪速傳感器為左前輪速傳感器、右前輪速傳感器、左后輪速傳感器、右后輪速傳感器，左前輪速傳感器和右前輪速傳感器用于安裝在第一車軸的車輪上，左后輪速傳感器和右后輪速傳感器用于安裝在第二車軸的車輪上，分別與相應一個所述的壓力調節閥相連接。

中央控制單元用于檢測所述壓力調節閥和所述輪速傳感器的連接狀態，獲得第一檢測結果，根據所述第一檢測結果配置控制模式，通過電路或者氣路控制各所述壓力調節閥。

2 實施方法

2.1 試驗對象

試驗地點在湖北襄陽達安汽車檢測中心。實車測試選用的車型為牽引車和N3類的載貨車，如圖3所示，車輛參數分別見表1和表2。試驗儀器包括數據采集處理電腦、車輪輪速傳感器、管路壓力傳感器和CAN采集儀。

圖3 實車試驗樣車Fig.3 Real car test sample car

表1 牽引車參數Table 1 Tractor parameters

表2 載貨車參數Table 2 Truck parameters

2.2 試驗項目

衡量融合自識別功能的線控制動系統的可行性有三個評價指標，分別是線控制動系統識別掛車是否連接在牽引車、識別傳動軸上輪速傳感器和壓力調節模塊和識別轉向角傳感器、橫擺率傳感器適配電子穩定程序功能。其中，牽引車將完成線控制動系統識別帶掛車項目試驗，載貨車進行其余的項目試驗。牽引車連接掛車和載貨車將以40 km/h的速度在附著率0.8和附著率0.4的路面行駛，并收集前后輪的輪速與實際車速數據。

2.2.1 識別掛車是否連接在牽引車

傳統的機械制動系統，各機械機構之間不存在任何聯系。掛車自識別功能是基于現階段逐漸普及的電子電控制動系統，電控系統可實時監控各制動機構的連接狀態以及工作狀態，通過掛車與牽引車連接的電纜線連接狀態，識別是否已經連接掛車。當系統識別已經連接掛車時，系統可以對牽引車車頭和半掛車的制動執行機構的輸出制動力進行同步調節，實現主掛協調一致。線控制動系統能夠監測掛車的速度值，傳統的線控制動系統并無此項功能，因此可以通過判斷前后輪的輪速值與實際車速對比即可判斷系統是否能夠識別掛車是否連接在牽引車。

2.2.2 識別傳動軸上輪速傳感器和壓力調節模塊

雖然我國資本項目仍未完全開放，跨境證券投資等項目仍受到額度管理，但近年來，隨著我國資本項目外匯管理改革的不斷推進，境內外市場主體投融資渠道和方式得到進一步豐富和完善，投融資便利化水平不斷提升，同時也放大了匯率預期通過資本市場對跨境資金流動的影響。當人民幣匯率處于升值預期時，資本市場交易主體會形成資產價格上漲以及資產收益率上升的預期，從而誘使境外資本加速流入境內。

商用車車型眾多，不同車型不同配置的商用車，采用的底盤制動系統形式存在差異，區別在于裝備的輪速傳感器和制動壓力調節模塊數量。對于不同的制動形式，制動系統的控制邏輯的差異性影響每個車輪的輪速狀態以及制動壓力調節效果。基于電子電控制動系統來實現識別輪速傳感器和壓力調節模塊數量功能，系統通過識別電纜線的連接狀態，即中央控制單元通過CAN總線與各壓力調節閥和各輪速傳感器發送信號，根據結果判斷各壓力調節閥和各輪速傳感器的連接狀態，確認當前狀態下車輛裝備的輪速傳感器及壓力調節模塊的數量，然后進行內部程序狀態自配置，實現配置對應。如果配置不正常，將會導致功能失效或者降級，存在很大的安全隱患。

2.2.3 識別轉向角傳感器和橫擺率傳感器

轉向角傳感器監控方向盤旋轉角度以及旋轉速度，橫擺率傳感器監控車身姿態信息，包括側向加速度、旋轉角速度等。當識別到這兩個傳感器時，說明系統具備車身穩定控制功能，該功能有效預防車輛側翻和甩尾風險，尤其在方向控制時，當監控到車輛存在側翻風險時，將主動對各車輪實施相應的制動，從而糾正車身姿態。

2.3 線控制動系統驗證

在進行三個試驗項目前，需要對融合自識別功能的線控制動系統進行有效驗證，確保系統是否能夠正常工作。將目標車輛在附著率為0.8的路面上行駛，通過采集輪速傳感器和四個車輪的壓力傳感器的數據，檢測制動氣室內的壓力，驗證當車輛采取緊急制動時，防抱死系統會介入維持車輛的行駛穩定性，四個車輪能夠接受到線控制動系統傳送的電信號，從而采取有效的制動力。一般來說，當防抱死系統介入時，前輪抱死的相對于后輪抱死的危險性較小，前輪抱死能夠保證車輛的行駛穩定性，后輪抱死發生甩尾所產生的危害性更大，這意味著制動閥施加給前輪的壓力遠大于后輪的壓力，從而保證車輛的安全性。

如圖所示，圖4(a)和圖4(b)分別表示為車輛以40 km/h和80 km/h的車速行駛狀態下的壓力曲線，車輛前后輪的壓力呈現上升的趨勢，當車速值到達A點時，車速開始下降，表明車輛進入制動的狀態，可以注意到左前輪和右前輪的制動壓力逐漸增加，反之左后輪和右后輪的制動氣室內的壓力大幅度減小。當車速值到達5 km/h左右時，由于車速過低，因此防抱死系統解除，此時前后輪的制動壓力上升，車輛行駛處于穩定狀態。兩個壓力曲線圖在A點呈現的前后兩輪壓力曲線的差異即可驗證融合自識別功能的線控制動系統的能夠正常工作，表明系統能夠識別后輪的輪速傳感器和壓力傳感器，從而控制制動壓力大小。

圖4 車輪壓力曲線Fig.4 Wheel pressure curve

3 試驗結果與分析

圖5表示為識別牽引車是否帶掛車的前后輪速與實際車速關系圖。圖5(a)當車輛以40 km/h的車速在附著率為0.8的路面行駛，當采取緊急制動時，防抱死系統介入，實際車速迅速下降，此時無識別功能的掛車前后輪輪速在接近0.75 s的時間內下降為0，與實際車速的數值偏差較大，而有識別功能的掛車前后輪下降幅度與實際車速接近，其中帶有識別功能的后輪輪速降幅較大，這是由于掛車受牽引車車頭的鞍座支撐作用，該軸載重最輕，后輪與地面的接觸最小。隨后系統監控到后輪輪速下降，自動對該軸的制動壓力進行調節，減少該軸制動壓力，使得輪速與實際車速保持一致。圖5(b)顯示在低附著路面，帶有識別功能的車輛依然能準確識別前后輪的輪速，并在緊急制動的路況下對制動壓力進行調節，由于路面附著率較低，因此相比于高附著路面的識別精度較低，總體來看，帶有自識別功能的線控制動系統明顯優于無識別功能的車輛。帶有自識別功能的前后輪車速與實際車速的一致性說明了融合自識別功能的線控制動系統能夠識別掛車的存在，傳統的線控制動系統并沒有此項功能，意味著在出現緊急制動的危險工況下，電子控制單元不能及時向掛車的制動電磁閥發送信號，無法提供有效的制動力；而有識別功能的線控制動系統能夠識別掛車，實現多種車型的適配。

圖6表示為線控制動系統通過自學習識別當前車輛的輪速傳感器和壓力調節模塊連接數量，即各輪速傳感器和壓力調節模塊是否連接到中央控制單元。無識別功能的系統無法檢測輪速傳感器與壓力模塊，圖6(a)為當車輛以40 km/h的車速在附著率為0.8的路面行駛，采取緊急制動時，無識別功能的車輛迅速下降為0，而有識別功能的車輛與實際車速匹配度較高，數值更為接近，表明自識別功能檢測到各輪速傳感器和壓力調節模塊的連接狀態，提供有效的制動力。圖6(b)為低附著路面下的前后輪速與實際車速的比較，無識別功能的車輛在短時間內迅速降為0，而帶有識別功能的車輛識別效果更佳，監測的前后輪速與實際車速相對接近，受到路面附著率的影響，車輛在高附著路面的調節能力明顯優于在低附著路面的表現，結合兩圖可以表明自識別功能的線控制動系統在緊急制動的情況下起到關鍵作用。

圖5 識別帶掛車項目Fig.5 Identify items with trailers

圖7(a)和圖7(b)表示車輛在附著率為0.8和0.4的路面以40 km/h的基準車速進行轉彎制動性能測試時的輪速狀態，在進入彎道后，系統會實時監控車身姿態，當車身存在側向加速度時，將單獨對個別車輪進行壓力調節，調節該車輪車速。當車身姿態恢復正常時，系統控制該輪制動壓力與其他車輪同步，最終使各輪速與實際車速保持一致。試驗表明帶有識別功能的線控制動系統能夠通過中央控制單元檢測信號，識別轉向角傳感器和橫擺率傳感器，判斷是否要開啟電子穩定程序，提高車輛的行駛安全性。

圖6 識別輪速傳感器與壓力模塊Fig.6 Identify wheel speed sensor and pressure module

圖7 識別轉向角傳感器和橫擺率傳感器Fig.7 Identify steering angle sensor and yaw rate sensor

4 結論

通過實車緊急制動試驗，在不同附著率的路面進行了關于識別掛車是否連接在牽引車、識別傳動軸上輪速傳感器和壓力調節模塊和識別轉向角傳感器和橫擺率傳感器的測試，比較了線控制動系統有無自識別功能的差別，可以得到以下結論。

(1)帶有自識別功能的線控制動系統能夠準確識別掛車連接在牽引車上，并且能保持前后輪速與實際車速的一致性。

(2)帶有自識別功能的線控制動系統能夠檢測到各輪速傳感器和壓力調節模塊的連接狀態，在緊急制動的情況下提供有效的制動力，并且具備車身穩定控制功能，有效預防車輛側翻和甩尾風險，尤其在方向控制時，當監控到車輛存在側翻風險時，將主動對各車輪實施相應的制動，從而糾正車身姿態。

(3)帶有自識別功能的線控制動系統在高附著路面的調節能力優于在低附著路面上的表現。