基于CAN通讯的汽车电控驻车技术

许炳照，　张荣贵，　苏庆列

(福建船政交通职业学院 汽车运用工程系， 福建 福州　350007)



基于CAN通讯的汽车电控驻车技术

许炳照，张荣贵，苏庆列

(福建船政交通职业学院 汽车运用工程系， 福建 福州350007)

摘要：基于CAN通讯驻车安全策略，在分析典型盘式电控驻车制动器结构、工作原理的基础上，对执行机构进行了动力学分析。 通过ESP要求驻车制动力验算实例，提供了为制动技术与整车匹配的一种方法。

关键词：汽车; CAN通讯; 电控; 驻车

0引言

电控驻车制动系统(Electrical Controlled Park Brake, ECPB)利用电机的动力实施或解除驻车制动，将行车过程中的临时性制动和停车后的长时性制动功能整合在一起，实现驻车制动、紧急制动(动态制动)、发动机切断点火后的自动制动施加、自动制动解除(驶离)和停车时监控车辆的移动功能[1]。由于采用电子控制系统，易于实现坡道起步、制动间隙自调整，提高了汽车的安全性和可靠性[2-3]。2001年，电控驻车技术最早在菲亚特Lancia车型上得到应用，随后国内外合资包括欧系、美系和日系等车系的中高档轿车上都得到不同程度的应用，是汽车驻车技术应用和发展的必然趋势[4]。

1ECPB的类型

目前，电控驻车制动系统可分为钢索牵引式和整合卡钳式两种类型[4-5]。

1.1钢索牵引式电控驻车制动系

钢索牵引式电控驻车执行机构与传统手刹无异，同为制动鼓(或制动盘)式，仅仅是把原来用于平衡左右侧驻车制动力的手刹拉索平衡器换成电子控制拉索控制模块而已，如图1所示。

(a) 钢索牵引式电控驻车制动系(b) 执行控制模块示意图

图1钢索牵引式电控驻车制动系示意图

由于钢索牵引式电控驻车装置的加装成本低，结构紧凑，因而更利于对普通车型应用时的设计变更。

1.2整合卡钳式电控驻车制动系

整合卡钳式电控驻车制动系统需要专用的制动卡钳和相关的执行机构，其执行部件均位于后轮制动卡钳上，没有了传统的手刹拉索，系统变得更加简单，但成本相对较高,如图2所示。

(a) 整合卡钳式电控驻车制动系(b) 执行机构组成示意图

图2整合卡钳式电控驻车制动机构示意图

由于整合卡钳式电控驻车制动系统采用电线进行指令信号传递，因而更利于对普通车辆的组装(或改装)及驻车系统的简化,更经济实用。

2ECPB结构组成与原理

2.1ECPB结构组成

控制系统的硬件主要由传感器及其信号通讯与处理电路、电子控制模块、执行机构及驱动电路3部分组成，其结构框图如图3所示。

它通过ESP(电子稳定程序)计算机控制电控驻车的电子控制模块。控制器采集车速、发动机转速、驻车制动开关(机械式为手刹)、离合器位置、变速器位置、制动踏板开关、道路坡度、加速踏板位置、制动力传感器等信号，控制指令输出到左右制动钳驻车执行机构。网络架构则由CAN动力IS网、CAN车身网和CAN舒适网等组成。

2.1.1电子稳定程序模块与驻车制动模块的通讯

电控驻车制动器控制模块接收的信息[6]如下:

1)如果必须持续制动、解除或者使电控驻车制动器独立，那么ESP控制模块须向电控驻车制动器发出指令。

2)ESP控制模块计算的制动、解除设置可以根据车辆的坡度、重量、关闭发动机的请求，按下电控驻车制动控制键，扭矩和加速踏板增强或减弱驻车的制动力或解除制动。

3)执行电动机旋转速度根据ESP控制模块诊断的电源电压，驻车制动器以不同的速度被应用(如果电池电压较低，应用速度较慢)。

2.1.2驻车制动模块与电子稳定程序模块的通讯

电控驻车制动器控制模块与ESP控制模块通讯发送的信息[6]如下:

1)施加于制动器(或拉索)上的制动力;

2)驻车制动器电控装置的状态显示;

3)驻车制动器应用自动功能的实时状态;

4)驻车制动器的故障自诊断。

ECPB的执行机构主要由直流电机、传动带、行星齿轮减速机构、蜗杆传动机构、制动盘和制动摩擦片等组成，如图4所示。

图4　执行机构组成原理示意图

2.2ECPB执行机构的工作原理

当ECPB工作时，ESP控制模块向驻车控制模块发出驻车指令，电机输出经传动带和行星齿轮减速机构降速增加扭矩后，由蜗杆传动机构将旋转运动转化为制动轮缸活塞的直线运动，最后通过制动摩擦片对制动盘产生制动力。当需要释放驻车制动时，电机反转，制动摩擦片得以释放。由于行星齿轮减速机构传动比很大，蜗杆传动机构推动制动轮缸活塞的直线位移很小，通过控制电机的转速，就可以控制制动盘和制动摩擦片之间的间隙，实现制动间隙自动调整的功能。

2.3ECPB的制动策略[7]

2.3.1应用 ESP 要求的制动驻车策略

电控制动驻车策略条件说明见表1。

表1　电控制动驻车策略条件说明

ESP控制模块根据“发动机的状态”、“车速”、“自动功能的状态”信息和相关的延时(短时间内没有重新启动的操作)确定制动。ESP计算机在以下情况下发出应用电控驻车制动指令:

1)当ESP 控制模块检测到车辆移动并同时应用电控驻车制动时，ESP请求应用最大制动力(含紧急制动)。

2)如果制动力符合表 1的策略1，那么发动机变为“发动机未运行”状态，同时“电控驻车制动”功能处于自动模式，如果应用的制动力和参考制动力之间的差值大于7%，ESP控制模块发出符合表1的策略2的制动力应用。

3)如果应用的制动力符合表1的策略1，并且监控时间大于10 min，其应用的制动力和参考制动力之间的差值大于3%，那么 ESP 控制模块发出符合表1的策略2的制动力。

4)如果没有检测到故障，ESP控制模块发出电控驻车制动电机旋转设置的最大速度。

5)如果应用的制动力符合表 1，ESP控制模块在坡度上发生变化时发出不要释放或者重新应用。

在发动机突然熄火时自动应用期间，驻车控制模块应用 ESP控制模块发出的制动力。

当发动机关闭，驻车制动被确定时，ESP控制模块向电控驻车制动发送符合表1策略2的应用参考值。

2.3.2起步时请求解除电控驻车制动策略

当驾驶员请求起步信息被确认时，电控驻车制动释放在后制动钳上的制动力策略条件见表 2。

表2　释放电控驻车制动策略条件说明

2.3.3驻车期间监控和维持ESP请求的制动力策略

驻车监控期间，驻车制动控制模块测量应用于制动钳的制动力，误差为±10%。如果制动力下降，电控驻车制动控制模块在制动钳上施加附加制动力，以满足ESP要求的参考值效果。一旦操纵制动踏板或者执行特定机制，电控驻车制动控制模块便随即通知车辆抓地状况的监控。当应用到制动钳上的制动力低于产生初始制动功能的制动力时，便检测到施加在制动钳上的制动力的降低，这时电控驻车制动不符合制动要求，驻车系统恢复ESP控制模块要求的参考值。

3整合卡钳式ECPB的动力特性分析

3.1最大制动力矩的确定[8-9]

假设车辆需要停驻在a角的坡度路面上，ECPB的单个后轮驻车制动器最大力矩的一半为：

(1)

式中:G----整车质量;

Re----后车轮有效滚动半径;

amax----最大坡度角。

3.2制动器的制动力矩特性分析

除了最低配置的车辆外，中高配置的车辆后轮为盘式制动器(这里以盘式制动器为例)，其制动力矩为：

T0=2μFR

(2)

式中:μ----摩擦系数;

R----制动力作用半径;

F----制动摩擦块对制动盘的制动力;

R1、R2----分别为制动摩擦块扇形表面作用在制动盘上的内半径和外半径。

3.3制动器最大压紧力的计算[8-9]

如果需要安全可靠的驻车，则制动力矩应满足条件：

式中:γ----安全系数，根据试验计算，其值大于1。

根据式(1)和式(2)可以得出：

那么

式中：Fmax----制动摩擦块对制动盘的最大压紧力。

执行器电机的输出扭矩经减速器增扭后应略大于最大制动摩擦块对制动盘的最大压紧力。

4应用ESP要求的电控驻车制动力验算

4.1试验车辆取样

根据现有的试验条件选择某一欧系品牌汽车参数,见表3。

表3　待验证车辆主要结构参数

该车型配置有自动辅助驻车功能，驾驶员可以通过中控面板开关进行设置，可设定为自动驻车或手动驻车，在斜坡上停驻车辆,斜坡上起步时，ESP控制模块向驻车控制模块发指令，使制动器制动压力保持一段时间，驾驶员可通过这段时间松开制动踏板,加速，而车辆不会后退，车辆起步后制动压力自动释放。

4.2取样车辆最大压紧力计算

驻车控制模块请求应用 ESP(稳定程序)的制动力，测量应用于制动钳的制动力的灵敏度选用±15%。样本最大压紧力的离散点计算结果见表4。

表4　制动摩擦块对制动盘的最大压紧力验算

根据上述制动摩擦块对制动盘的最大压紧力的离散取样试验计算结果，将数据进行了整理，可以看出：随着坡度的增加，制动摩擦块对制动盘的最大压紧力也不断的增加，当纵向坡度高于17%以后，由于车辆最大允许总质量在坡道上的分力保持平衡，其值不再增加。实验值与该车型的技术参数(理论值)相比较，满载驻车坡度≥20%有所差异，也就是说,该车辆的驻车最大坡度值为17%，误差为-3%。

电机作为执行机构的驱动元件，其最大制动力矩的确定又为电机匹配与选型提供参考。

上述取得的相关信息为ECPB的CAN通讯提供关键的技术支撑，由 ESP 计算要求的电控驻车制动力的合理匹配，满足安全性与使用可靠性的要求，尽量全面考虑系统安全策略的数据需要。

5结语

基于CAN通讯的电控驻车技术涉及到机、电、液和车载网络诸领域一体化的综合应用，该技术正处于不断改进和提高阶段，因此，对于今后的发展，可以加强集成车身控制系统多功能角度的研发[11]，同时结合ESP 系统的安全策略，实现车辆的稳定控制和行车安全辅助功能：

1)通过ESP计算机对驻车系统的控制是一种主动安全性策略的延伸，取决于三传感器(纵向加速度、侧加速度和坡道角传感器)的应用，是实现电控驻车功能的关键。

2)驻车期间自动监控和维持 ESP 要求的制动力策略，也是一种主动安全策略延伸，取决于驻车的电控模块中力的传感器应用，它实现车辆抓地状况的实时监控信息获取功能。

3)基于CAN的通讯需要，网络结构相对复杂，自动驻车安全策略因快速通信而得到保障，它也是将来车辆驻车技术的主流方向。

参考文献：

[1]宋艳芳.汽车电子驻车制动系统(EPB)的研发及运用研究[J].电子技术与软件工程，2014,17:265-266.

[2]Sone S, Ucda N. Improvement of charactcristies by introducing pure electric braking[J].Proc. IEEJ-IAS,1997,303(3):415-418.

[3]王磊,闫厉,田丽媛.CAN总线技术在汽车网络中的研究与实现[J].长春工业大学学报:自然科学版，2007,28(4)：402-406.

[4]周娟英.汽车电子驻车制动系统(EPB)的研发与应用[J].电子测试,2014(4):17-18.

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[6]李寿涛，马用学.基于电控液压制动系统的车辆稳定性控制策略[J].吉林大学学报:工学版,2015(2):526-529.

[7]神龙汽车培训部.神龙汽车有限公司车型手册[M].武汉:[出版者不详],2013.

[8]龚贤武,张丽君.基于制动稳定性要求的电子制动力分配[J].长安大学学报，2014(1):103-108.

[9]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社,2009.

[10]王望予.汽车制动理论与设计[M].长春：吉林大学出版社,2012.

[11]吴俊杰.基于MEMS的电子驻车制动系统倾角传感器研究[J].武汉理工大学学报,2015(3):277-291.

Automobile electronic parking technology based on CAN communication

XU Bingzhao，ZHANG Ronggui,SU Qinglie

(Department of Auto Application, Fujian Chuanzheng & Communication College, Fuzhou 350007， China)

Abstract：Based on CAN communication security strategy for automobile parking, we first analyze the structure and operation principle of the disc electric vehicle brake system, and then study its dynamic executive mechanism. With an example of ESP parking brake force calculation, the matching technique between parking brake system and the whole vehicle is offered.

Key words：automobile; CAN communication; electronic control; parking.

收稿日期：2016-01-29

基金项目：福建省教育厅A类项目(JA14373); 福建省交通厅科技项目(2014Y062)

作者简介：许炳照(1964-)，男，汉族，福建安溪人，福建船政交通职业学院副教授，主要从事汽车运用工程方向研究,E-mail:shmmd@126.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.12

中图分类号：TP 273

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)02-0165-06