重型越野汽车电控制动系统的设计与仿真

张 堃，黄 茂，刘保国，虎 忠

(陕西重型汽车有限公司，西安 710200)

前言

EBS系统是将驾驶员制动意图和制动气压输出的控制方式电子化、电控化，具有制动响应时间快，制动性能安全可靠等特点［1］。本文中针对某型重型越野汽车设计了EBS系统的结构，并建立了Matlab/Simulink仿真模型。通过将紧急制动工况下制动模型的仿真结果与常规ABS试验数据进行对比，验证了所设计的EBS制动系统的合理性和优越性。

1 EBS系统的设计

1.1 EBS系统的结构

目前，国内重型越野汽车制动系统普遍采用气压制动方式，本文中在参考国外商用车辆成熟产品的基础上，设计了基于电控-气压制动方式的EBS系统。该系统以某型4×4重型越野汽车为目标车型，其主要技术参数如表1所示。

图1为所设计的EBS系统结构示意图。系统主要由电子制动踏板、EBS控制器、比例继动阀和备压电磁阀组成。电子制动踏板可将驾驶员产生的制动踏板行程转换为两路PWM信号输出，同时输出两路冗余控制气压，以确保电控系统失效时制动系统自动切换为基本的纯气控模式。EBS控制器根据电子制动踏板信号、轮速信号和集成于比例继动阀的制动气压反馈信号控制前后桥比例继动阀的制动气压。后桥比例继动阀与前桥比例继动阀结构相同，其气压控制口与备压电磁阀的输出口相连。当电控系统失效时，备压电磁阀自动切换冗余控制气路至后桥比例继动阀，使后桥比例继动阀恢复为传统的气控模式。

表1 整车技术参数

1.2 EBS控制策略

EBS控制策略为:当EBS控制器采集到有效PWM制动信号后，根据当前轮速信号和制动气压信号，按照目标车型理想的制动力分配曲线，对制动气压进行适时调整，从而得到优异的前后轮制动力分配效果，避免出现车辆丧失转向控制和侧滑甩尾的危险［2－3］。当EBS系统异常断电或 EBS控制器检测到系统严重故障时，系统通过备压电磁阀将比例继动阀的工作模式转换至传统的纯气控模式，以保证基本的气压制动。控制原理图见图2。

2 EBS系统动力学仿真模型

以Matlab/Simulink为仿真平台，分别建立了目标车型的整车模型和EBS控制系统模型［4］。

整车模型中有如下设定:将簧上与簧下质量的和作为整车质量，忽略车辆侧倾、轮胎滚动阻力和风阻的影响，考虑车辆纵向、侧向和绕惯性轴的转动，车辆的运动方程为

采用基于Magic Formula的 Burckhardt轮胎模型。该模型中地面制动力为

式中:λ为滑移率;φ为附着系数;C、D、E均为参考系数。附着系数φ与滑移率λ满足如下关系:

式中C1、C2、C3为参考系数，在干沥青路面条件下分别为 1.280、23.990、0.520。

采用1阶滞后环节传递函数描述制动器模型压力建立和释放的动态过程。响应的时域方程为

式中:p0为系统初始压力;pS为系统目标气压;Tb1为系统时间常数;Tb2为系统滞后时间常数。

由制动气室气压可求得制动凸轮轴上的制动力矩为

式中:A为制动气室有效作用面积;L为制动臂长;p为制动气室气压。

由此可得制动器制动力矩为

式中:K为制动效能因数;R为制动鼓半径;η为制动器效率因数;e为制动凸轮有效作用半径。

3 EBS系统仿真结果分析

3.1 低附着路面制动仿真分析

以目标车型为仿真对象，在峰值附着系数为0.2的冰雪路面，初始车速为30km/h，空挡、满载和紧急制动状态下对本文中设计的EBS控制逻辑进行仿真，将仿真结果与装有ABS系统的目标车型在相同条件下得到的试验数据进行对比，结果如图3和图4所示。

图3表明，在冰雪路面上所设计的EBS系统对前后轮滑移率差值的控制效果明显优于常规ABS系统。由图4可知，ABS系统从制动开始到车辆停止，所经历的时间为5.33s，制动距离为23.32m，而所设计的EBS系统对应的制动时间仅为4.86s，制动距离为20.85m，比常规制动ABS控制的制动距离减少2.47m。其主要原因是在冰雪路面上，峰值附着系数仅为0.2，由滑移率引起的附着系数变化对地面附着力的影响不大，此时影响制动效能的主要因素为制动响应时间。所设计的EBS系统采用电子制动踏板反映驾驶员的制动意图，并通过控制器输出控制命令，制动响应时间较常规制动更快。

图5为车辆在冰雪路面上EBS制动力分配比随制动过程的变化，可见随着车辆质心的前移，前后桥制动力分配比根据控制策略被实时调整，可有效提高车辆的制动安全性能。

3.2 高附着路面制动仿真分析

以目标车型为仿真对象，在峰值附着系数为0.85的干沥青路面，初始车速为60km/h，空挡、满载和紧急制动状态下对设计的EBS控制逻辑进行仿真试验，将仿真结果与装有ABS系统的目标车型在相同条件下得到的试验数据进行对比，结果如图6和图7所示。

由图6可知，所设计的EBS系统前后轮滑移率的差值可以有效控制在程序所设定的门限值之内，控制效果明显优于常规ABS系统。由图7可知，常规ABS系统的制动时间为2.51s，经计算制动距离为22.01m。而所设计的EBS系统的制动时间为2.59s，制动距离为22.61m，比ABS系统的制动距离长0.6m。其主要原因是EBS控制算法在制动过程中根据前后轮滑移率的差值实时修改制动力分配比，以保证前后轮滑移率的差值在安全范围之内，从而避免甩尾工况，提高汽车的制动安全性能，但由于没有充分利用地面提供的附着力，因此牺牲了少量的制动效能。车辆在干沥青路面上EBS制动力分配比随制动过程的变化曲线如图8所示。

3.3 制动反应时间台架试验

根据目标车型参数，搭建本文中设计的EBS系统制动试验台架，并与常规制动ABS系统进行了制动反应时间对比试验，其结果如图9所示。

由图可见，ABS制动反应时间为0.57s，EBS制动反应时间为0.38s，较前者减少了0.19s，EBS制动系统具有较明显优势。其主要原因为EBS系统驾驶员的制动意图和控制信号均以电信号传输，其传输速率较传统气压信号有较大优势。

4 结论

(1)设计的EBS系统在两种极限工况下均能有效控制目标车辆的滑移率，且制动距离满足GB7258—2012规定。

(2)设计的EBS系统制动反应时间短，较常规制动系统提前了0.19s。

(3)设计的EBS系统在高附着系数路面制动时可有效控制前后轮的滑移率差值，从而提高了车辆的制动安全性能，但与常规制动ABS系统相比，制动距离稍有增大。

(4)在低附着系数路面制动时，EBS系统对制动距离的改善效果显著，提高了车辆的制动性能。

［1］ Kim Donghyun，Kim Hyunsoo．Vehicle Stability Control with Regenerative Braking and Electric Brake Force Distribution for a Fourwheel Drive Hybrid Electric Vehicle［J］．Proceedings of the Inst itution of Mechanical Engineers，Part D:Journal of Automobile Engineering，2006，220(6):683 －693．

［2］ Nakazawa M，Isobe O．Braking Force Distribution Control for Improved Vehicle Dynamics and Brake Performance［J］．Vehicle System Dynamics，1995，24:413 －426．

［3］ 李锐，郑太雄，李银国，等．汽车防抱死制动系统分级智能控制［J］．机械工程学报，2007，43(8):135 －141．

［4］ 程军．用Matlab/Simlink建立载重车驱动与制动的统一动力学模型［J］．上海汽车，1997(3)．

［5］ 解龙，陈家琪．ABS四轮车辆的 Matlab/Similink建模与仿真［J］．上海理工大学学报，2004，26(2):164 －167．

［6］ 余志生．汽车理论［M］．北京:清华大学出版社，2007:56－70．