纯电动城市客车制动系统的研究与应用

秦志勇

（广西申龙汽车制造有限公司，广西 南宁 530299）

1 纯电动客车制动系统特点

制动系统是汽车的重要组成部分，对汽车的安全行驶至关重要，纯电动客车制动系统有别于传统客车，主要在供气源和供气模式，纯电动客车由电动打气泵代替传统客车由发动机驱动打气泵给制动系统供气，传统客车发动机运行驱动打气泵给制动系统供气，达到设定的最大气压，由泄压装置不停的泄压；而纯电动制动系统则不同，达到设定最大气压，电动打气泵立即停机节省能源消耗，待到气压低于整车设定的启动气压，电动打气泵又立即启动充气。因此，纯电动客车制动性能的匹配设计非常重要，既要满足国标对制动系统的各项指标要求，又不能过多的消耗能源，使整车运行达到最佳经济性能。本研究针对新开发的一款12 m 纯电动城市客车，探讨制动系统的优化技术并调试确定最优参数。

2 12 m 纯电动城市客车制动简述

2.1 整车基本参数

12 m 纯电动城市客车基本参数见表1。

表1 整车基本参数

2.2 制动系统配置参数

12 m 纯电动城市客车制动系统参数见表2。

表2 制动系统配置参数

2.3 制动系统性能指标

根据GB7258-2017 机动车运行安全技术条件[1-6]，主要制动性能指标如下：

（1）制动初速度为30 km/h 时，空载制动距离≤9 m。

（2）制动初速度为30 km/h 时，满载制动距离≤10 m。

（3）储气筒的容量应保证在额定工作气压且不连续充气的情况下，连续全行程制动5 次后，气压不低于起步气压。为了应付特殊情况制动要求，连续全行程制动次数，调整为8 次，气压不低于起步气压。

（4）在空载状态下，驻车制动装置应能保证机动车在坡度为20%（对总质量为整备质量的1.2 倍以下的机动车为15%）、轮胎与路面间的附着系数大于或等于0.7的坡道上正、反两个方向保持固定不动，时间应大于或等于2 min。

2.4 制动系统工作原理

制动系统工作原理如图1 所示。电动打气泵将干净的空气压缩后，经干燥器冷却、除油、除水，送至储气筒保存。制动系统分成两个回路：一个回路经后储气筒、制动总泵上腔通向后制动气室；另一个回路经前储气筒、制动总泵下腔通往前制动气室。当其中一个回路发生故障失效时，另一个回路仍能继续工作，以保证汽车具有一定的制动能力，从而提高汽车行驶的安全性。

图1 制动系统工作原理图

3 驻车制动性能计算与分析

后桥驻车制动器所能提供的最大制动力矩为19 600 N·m。

所能提供的最大驻车角度满足：mgψsinα=19600×1000/R=38 281 N。

空载时，α= arcsin（38281/12000/9.8/0.7）= 28°，坡度为53%[2-4]。

满载时，α=arcsin（38281/18000/9.8/0.7）=18°，坡度为32%。

根据计算数据可知，同时满足：GB12676-2014 关于驻车制动系必须使满载的车辆可以停在18%的坡道上和GB7258-2017 机动车运行安全技术条件要求。

4 行车制动性能计算与分析

4.1 地面对前后轮法向反作用力

地面对前后轮法向反作用力[3-5]（忽略空气阻力、滚动阻力及旋转质量减速时产生的惯性力偶矩等因素影响），如图2。分别对前后轴取力矩求得地面对前后轮的法向反作用力公式为（λ为制动减速度与重力加速度的比值）：

图2 地面对前后轮法向反作用力

4.2 理想前后制动器制动力分配曲线

制动时前、后轮同时抱死，对附着条件的利用、制动时汽车的方向稳定性均较为有利[4-6]。在任何附着系数的路面上，前、后轮同时抱死的条件是：前后轮制动器制动力之和等于附着力，并且前、后轮制动器制动力分别等于各自的附着力，得出下面公式。

根据不同的附着系数，可求得满载时前、后轮制动力关系数据见表3、表4。

表3 不同附着系数满载前轮制动力数据

表4 不同附着系数满载后轮制动力数据

用表3 和表4 的数据可绘出，在制动时地面对前后轮法向反作用力曲线，图3 所示。由制动时地面对前后轮法向反作用力的变化情况可知，当制动强度或附着系数改变时，前后轮法向反作用力变化是很大的。

图3 制动时地面对前后轮法向反作用力曲线

根据表3、表4 数据绘制出图4 曲线，即为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线。

图4 理想的前、后轮制动器制动力分配曲线

4.3 空、满载实际制动力分配比

整车空、满载实际制动力分配比β为：

式中，Fμ1为前桥制动器的制动力；Fμ2为后桥制动器的制动力。

4.4 同步附着系数

空载同步附着系数为：Φk=（L×β-bk）/hgk=0.70

满载同步附着系数为：Φm= （L×β-bm）/hgm=0.54其中：Φk、Φm为空、满载同步附着系数；β为前后桥制动力分配比；bk、bm为空、满载质心到后桥中心线的距离（mm）；hgk、hgm为空、满载重心高度[7-8]。

根据以上数据可知：满载时，当地面附着系数小于0.54 时，前轮先抱死；当地面附着系数大于0.54 时，后轮先于前轮抱死。因满载的同步附着系数比较小，满载制动时后轮抱死趋势比较明显，导致后轮ABS 易触发。

4.5 行车制动距离的计算分析

整车行车制动距离的计算公式如下：

式中，t1为机构滞后时间（一般在0.2 ～1.6 s）；t2为制动增长时间（气压制动为0.2 ～0.6 s）。气制动t1可忽略不计，取最小值，t2取中间值，所以得出：t1= 0.2 s ，t2= 0.4 s。v1为制动初速度，30 km/h；dmax为最大稳定制动减速度（m/s2）。

最大制动减速度计算：

车辆空、满载附着系数为0.8 时，由公式（1）计算法向作用力产生的最大摩擦力，见表5。

表5 空、满载前后轮法向作用力产生的最大摩擦力

空、满载前、后桥制动器最大制动力距在轮胎与地面接触处产生的制动力，见表6。

表6 空、满载制动器制动力距产生的最大制动力

F前空=F前满=33000/R=33000/0.512=64 453 N

F后空=F后满=32000/R=32000/0.512=62 500 N

对比表5 与表6 数据可知，空载法向作用力产生的最大摩擦力小于对应空载前、后桥制动器最大制动力矩在轮胎与地面接触处产生的制动力，而满载的情况正好相反。实际应用中，使用前、后桥制动器产生的最大制动力计算最大制动减速度：

由F=mdmax，可知：dmax=F/m，根据公式计算空、满载最大制动减速度分别为：10.6 m/s2、7.1 m/s2。

把以上数据代入公式（5），在额定工作气压为1 MPa，初速度为30 km/h，附着系数为0.8 的干燥平直路面上制动时，制动距离为：

5 整车打气时间计算与分析

整车打气泵、储气筒相关参数见表7。

表7 打气泵、储气筒相关参数

打气时间计算式如下：

其中，T为打气时间（分）；P为压力单位MPa（1 MPa=10标准大气压）；η为打气泵工作效率；Ω为储气筒总容积；δ为打气泵排量（L/min）。

在忽略管路及各阀类零部件容积情况下，把数据代入公式得：

打气压力1 MPa 时，打气时间为5.5 min；驻车制动解除压力0.52 MPa，打气时间为2.8 min。根据计算结果可知，打气时间满足GB12676 的要求：至厂定解除驻车制动压力的升压时间不大于3 min，至厂定最大气压的升压时间不大于6 min 的要求。

样车多次实测时间均比理论计算的稍微少用时10秒左右，主要原因可能是电动打气泵为新泵，实际打气工作效率比75%稍高。

6 制动储气筒容积核算与验证

整车前、后轮制动系统储气参数见表8。

表8 前、后轮制动系统储气参数表

以上数据，前、后轮制动系统带气压管路和不带气压管路总容积，根据铺设管路长度进行测算。

假设制动系统温度与外界温度基本相同，忽略温度对气体的影响。

其中：P为初始压力（MPa）；V为初始制动系统有效容积；V2为行车制动气室总容积（L）；V3为不带气压管路总容积（L）；Pn为实施第n 次制动时的制动系统的气压。

前轮制动与驻车制动无直接关联，但为了验证前后制动系统制动性能一致性，也校核前制动储气筒是否满足要求。把相关数据代入（7）得：

根据以上数据可知，整个制动系统制动性能均满足国标GB12676 储气筒的容量应保证在额定工作气压且不继续充气的情况下，机动车在连续5 次踩到底的全行程制动后，气压不低于起步气压[8-10]。

为了安全起见，储气筒的容量应保证在额定工作气压且不连续充气的情况下，连续全行程制动8 次（GB7258 为5 次）后，气压不低于起步气压，制动指标高于GB7258 要求标准。

根据表8 数据代入公式（7）得：

根据理论计算连续全行程制动8 次后，前、后制动系统都满足气压不低于起步气压。

样车试制完成后，对样车进行多次连续8 次全行程制动测试实验，测试均值为0.55 MPa（与理论计算结果比较接近）大于机动车起步压力0.52 MPa，满足12 m 纯电动城市客车制动指标要求。

7 结束语

制动系统是汽车不可缺少的功能配置，制动性能直接影响汽车行驶安全，本研究结合GB7258-2017、GB12676-2014 要求和实际情况，在满足国标和行业关于制动性能的技术要求外，加大部分制动性能指标的设计要求，以便能满足在各种不可预知极端环境下制动系统的使用，从而保证汽车的安全行驶。