融合自识别功能的商用车线控制动系统

吴伟斌 ， 胡智标， 冯小明， 马宝淇， 郑泽锋

(1.华南农业大学工程学院， 广州 510642； 2.广州瑞立科密汽车电子股份有限公司， 广州 510670)

商用车的电动化和智能化已成为近年来的发展趋势，线控制动系统作为商用车的核心执行部件，已成为汽车工业发展的焦点[1-4]。传统的线控制动系统对于不同车辆参数需要定制多样化的程序，每辆车需要按照设计开发的需求写入不同参数开通不同的功能，这不利于商用车批量生产和功能配置[5]。以电子稳定性控制功能为例，若车辆在出厂设置不带此项功能，后期需增加此功能项时，则需要专业技术人员进行操作，从而影响生产效率[6]。此外，商用车的主挂协调与商用车安全性紧密联系，牵引车车头与半挂车并不是相互配对，会存在甩挂的危险情况，不同牵引车车头配置不同半挂车，制动的配置以及制动管路的布置是不相同的，所以就会出现甩挂后制动性能的差异，从而影响车辆的行驶安全性[7-8]。因此，提高线控制动系统的识别兼容性研究有着显著的意义。

现阶段，所有整车厂对于不同车型的制动系统形式的配置一般采用以下两种方式，一种是车辆下线时通过人工进行制动系统形式标定，另一种是零部件企业出厂前标定好，发货时通过型号区分，整车厂按照对应的型号将制动系统控制器安装到对应的车型上[9-10]。这两种方式均存在很大的资源浪费问题，效率极低，还存在漏配置或者配置错误等安全隐患。关于线控制动系统的自识别功能开发，美国威伯科公司和德国克诺尔集团等商用车制动系统零部件企业，目前均没有开展这方面的研究[11-13]。中国广州瑞立科密通过利用线控制动系统的自学习算法，通过自动识别制动系统硬件部件的连接状态，同时通过线控制动系统功能仿真平台进行仿真，并最终进行实车测试及应用[5]。中国学者张荣林[14]基于PV(pressure-volume)特性的回路压力的估算算法构建线控制动系统的动态特性，通过目标车速和实际车速作为反馈输入，建立仿真模型验证该系统的可行性和安全性；杨甲丰等[15]基于CAN_FD总线设计线控制动系统，提出的冗余结构设计方案有效缩短紧急制动下的侧向偏移距离，但缺乏在不同附着率路面下的仿真试验；陈志强[16]分析线控制动系统ABS(antilock brake system)在不同道路及工况下的情况，通过仿真分析车辆在紧急制动情况下开关阀的表现，但缺乏对轮速传感器、电子稳定系统等功能的识别研究。在目前的研究中，存在以下研究较少或尚未开展的问题：①当前开展的线控制动系统研究选择实车试验较少，普遍停留在仿真试验阶段；②商用车的种类较多，存在拖车与挂车结合的类型，目前的研究缺乏对拖挂车的识别功能，在紧急制动的情况下，若线控制动系统无法监测挂车的速度值，容易产生严重的后果。

针对传统的线控制动系统兼容效果不佳及商用车行驶安全的问题，现设计一种融合自动识别功能的线控制动系统，通过试验场实车试验，检测车辆压力调节阀和轮速传感器的连接状态，根据中央控制单元的控制模式，通过电路或者气路控制各压力调节阀，完成线控制动系统识别带挂车、识别轮速传感器和压力调节模块和识别转向角、横摆率传感器适配电子稳定系统的功能，从而实现线控制动系统识别不同车型不同的功能配置，自动适应紧急制动下的车况，确保商用车的行驶安全。

1 系统组成及原理

如图1所示为装配4S4 M制动形式的商用车气路图。融合自动识别算法的线控制动系统包含单通道压力调节阀、双通道压力调节阀、两个辅助电磁阀、四个轮速传感器、中央控制单元、转向角传感器、横摆率传感器、制动信号传输器等七大部件，各个部件之间的连接关系是：前轴两个轮速传感器和单通道压力调节阀阀电线连接，后轴两个轮速传感器和双通道EBS阀电线连接；剩余零部件和中央控制单元线束连接。

压力调节阀包括第一单通道压力调节阀和双通道压力调节阀，图2所示为两者的电气工作原理图，L1为常闭进气线圈，L2为常闭排气线圈，L3为常开备压线圈，单通道压力调节阀共有气控和电控两种模式，其中气控模式是通过4号口充气作用与中央继动阀21/22按照比例输出压力，电模式是配合中央控制单元，输出驱动电流作用于L3线圈，切断常规充气。增压时，驱动电流作用L1，减压时驱动L2线圈；触发中央活塞输出压力。P/U标志为阀体内嵌的压力传感器，电控模式下可以实时反馈21/22口气压。双通道压力调节阀与上述原理类似，此处不再阐述。中央控制单元发送相关的压力梯度命令请求第一单通道压力调节阀、双通道压力调节阀驱动L1、L2、L3线圈执行阀动作，压力调节阀体反馈实际压力状态给中央控制单元，二者通信交互实现线控制动。

图1 4S4M商用车气路图Fig.1 4S4M commercial vehicle gas circuit diagram

图2 压力调节阀电气原理图Fig.2 Electrical schematic diagram of pressure regulating valve

每个轮速传感器为左前轮速传感器、右前轮速传感器、左后轮速传感器、右后轮速传感器，左前轮速传感器和右前轮速传感器用于安装在第一车轴的车轮上，左后轮速传感器和右后轮速传感器用于安装在第二车轴的车轮上，分别与相应一个所述的压力调节阀相连接。

中央控制单元用于检测所述压力调节阀和所述轮速传感器的连接状态，获得第一检测结果，根据所述第一检测结果配置控制模式，通过电路或者气路控制各所述压力调节阀。

2 实施方法

2.1 试验对象

试验地点在湖北襄阳达安汽车检测中心。实车测试选用的车型为牵引车和N3类的载货车，如图3所示，车辆参数分别见表1和表2。试验仪器包括数据采集处理电脑、车轮轮速传感器、管路压力传感器和CAN采集仪。

图3 实车试验样车Fig.3 Real car test sample car

表1 牵引车参数Table 1 Tractor parameters

表2 载货车参数Table 2 Truck parameters

2.2 试验项目

衡量融合自识别功能的线控制动系统的可行性有三个评价指标，分别是线控制动系统识别挂车是否连接在牵引车、识别传动轴上轮速传感器和压力调节模块和识别转向角传感器、横摆率传感器适配电子稳定程序功能。其中，牵引车将完成线控制动系统识别带挂车项目试验，载货车进行其余的项目试验。牵引车连接挂车和载货车将以40 km/h的速度在附着率0.8和附着率0.4的路面行驶，并收集前后轮的轮速与实际车速数据。

2.2.1 识别挂车是否连接在牵引车

传统的机械制动系统，各机械机构之间不存在任何联系。挂车自识别功能是基于现阶段逐渐普及的电子电控制动系统，电控系统可实时监控各制动机构的连接状态以及工作状态，通过挂车与牵引车连接的电缆线连接状态，识别是否已经连接挂车。当系统识别已经连接挂车时，系统可以对牵引车车头和半挂车的制动执行机构的输出制动力进行同步调节，实现主挂协调一致。线控制动系统能够监测挂车的速度值，传统的线控制动系统并无此项功能，因此可以通过判断前后轮的轮速值与实际车速对比即可判断系统是否能够识别挂车是否连接在牵引车。

2.2.2 识别传动轴上轮速传感器和压力调节模块

虽然我国资本项目仍未完全开放，跨境证券投资等项目仍受到额度管理，但近年来，随着我国资本项目外汇管理改革的不断推进，境内外市场主体投融资渠道和方式得到进一步丰富和完善，投融资便利化水平不断提升，同时也放大了汇率预期通过资本市场对跨境资金流动的影响。当人民币汇率处于升值预期时，资本市场交易主体会形成资产价格上涨以及资产收益率上升的预期，从而诱使境外资本加速流入境内。

商用车车型众多，不同车型不同配置的商用车，采用的底盘制动系统形式存在差异，区别在于装备的轮速传感器和制动压力调节模块数量。对于不同的制动形式，制动系统的控制逻辑的差异性影响每个车轮的轮速状态以及制动压力调节效果。基于电子电控制动系统来实现识别轮速传感器和压力调节模块数量功能，系统通过识别电缆线的连接状态，即中央控制单元通过CAN总线与各压力调节阀和各轮速传感器发送信号，根据结果判断各压力调节阀和各轮速传感器的连接状态，确认当前状态下车辆装备的轮速传感器及压力调节模块的数量，然后进行内部程序状态自配置，实现配置对应。如果配置不正常，将会导致功能失效或者降级，存在很大的安全隐患。

2.2.3 识别转向角传感器和横摆率传感器

转向角传感器监控方向盘旋转角度以及旋转速度，横摆率传感器监控车身姿态信息，包括侧向加速度、旋转角速度等。当识别到这两个传感器时，说明系统具备车身稳定控制功能，该功能有效预防车辆侧翻和甩尾风险，尤其在方向控制时，当监控到车辆存在侧翻风险时，将主动对各车轮实施相应的制动，从而纠正车身姿态。

2.3 线控制动系统验证

在进行三个试验项目前，需要对融合自识别功能的线控制动系统进行有效验证，确保系统是否能够正常工作。将目标车辆在附着率为0.8的路面上行驶，通过采集轮速传感器和四个车轮的压力传感器的数据，检测制动气室内的压力，验证当车辆采取紧急制动时，防抱死系统会介入维持车辆的行驶稳定性，四个车轮能够接受到线控制动系统传送的电信号，从而采取有效的制动力。一般来说，当防抱死系统介入时，前轮抱死的相对于后轮抱死的危险性较小，前轮抱死能够保证车辆的行驶稳定性，后轮抱死发生甩尾所产生的危害性更大，这意味着制动阀施加给前轮的压力远大于后轮的压力，从而保证车辆的安全性。

如图所示，图4(a)和图4(b)分别表示为车辆以40 km/h和80 km/h的车速行驶状态下的压力曲线，车辆前后轮的压力呈现上升的趋势，当车速值到达A点时，车速开始下降，表明车辆进入制动的状态，可以注意到左前轮和右前轮的制动压力逐渐增加，反之左后轮和右后轮的制动气室内的压力大幅度减小。当车速值到达5 km/h左右时，由于车速过低，因此防抱死系统解除，此时前后轮的制动压力上升，车辆行驶处于稳定状态。两个压力曲线图在A点呈现的前后两轮压力曲线的差异即可验证融合自识别功能的线控制动系统的能够正常工作，表明系统能够识别后轮的轮速传感器和压力传感器，从而控制制动压力大小。

图4 车轮压力曲线Fig.4 Wheel pressure curve

3 试验结果与分析

图5表示为识别牵引车是否带挂车的前后轮速与实际车速关系图。图5(a)当车辆以40 km/h的车速在附着率为0.8的路面行驶，当采取紧急制动时，防抱死系统介入，实际车速迅速下降，此时无识别功能的挂车前后轮轮速在接近0.75 s的时间内下降为0，与实际车速的数值偏差较大，而有识别功能的挂车前后轮下降幅度与实际车速接近，其中带有识别功能的后轮轮速降幅较大，这是由于挂车受牵引车车头的鞍座支撑作用，该轴载重最轻，后轮与地面的接触最小。随后系统监控到后轮轮速下降，自动对该轴的制动压力进行调节，减少该轴制动压力，使得轮速与实际车速保持一致。图5(b)显示在低附着路面，带有识别功能的车辆依然能准确识别前后轮的轮速，并在紧急制动的路况下对制动压力进行调节，由于路面附着率较低，因此相比于高附着路面的识别精度较低，总体来看，带有自识别功能的线控制动系统明显优于无识别功能的车辆。带有自识别功能的前后轮车速与实际车速的一致性说明了融合自识别功能的线控制动系统能够识别挂车的存在，传统的线控制动系统并没有此项功能，意味着在出现紧急制动的危险工况下，电子控制单元不能及时向挂车的制动电磁阀发送信号，无法提供有效的制动力；而有识别功能的线控制动系统能够识别挂车，实现多种车型的适配。

图6表示为线控制动系统通过自学习识别当前车辆的轮速传感器和压力调节模块连接数量，即各轮速传感器和压力调节模块是否连接到中央控制单元。无识别功能的系统无法检测轮速传感器与压力模块，图6(a)为当车辆以40 km/h的车速在附着率为0.8的路面行驶，采取紧急制动时，无识别功能的车辆迅速下降为0，而有识别功能的车辆与实际车速匹配度较高，数值更为接近，表明自识别功能检测到各轮速传感器和压力调节模块的连接状态，提供有效的制动力。图6(b)为低附着路面下的前后轮速与实际车速的比较，无识别功能的车辆在短时间内迅速降为0，而带有识别功能的车辆识别效果更佳，监测的前后轮速与实际车速相对接近，受到路面附着率的影响，车辆在高附着路面的调节能力明显优于在低附着路面的表现，结合两图可以表明自识别功能的线控制动系统在紧急制动的情况下起到关键作用。

图5 识别带挂车项目Fig.5 Identify items with trailers

图7(a)和图7(b)表示车辆在附着率为0.8和0.4的路面以40 km/h的基准车速进行转弯制动性能测试时的轮速状态，在进入弯道后，系统会实时监控车身姿态，当车身存在侧向加速度时，将单独对个别车轮进行压力调节，调节该车轮车速。当车身姿态恢复正常时，系统控制该轮制动压力与其他车轮同步，最终使各轮速与实际车速保持一致。试验表明带有识别功能的线控制动系统能够通过中央控制单元检测信号，识别转向角传感器和横摆率传感器，判断是否要开启电子稳定程序，提高车辆的行驶安全性。

图6 识别轮速传感器与压力模块Fig.6 Identify wheel speed sensor and pressure module

图7 识别转向角传感器和横摆率传感器Fig.7 Identify steering angle sensor and yaw rate sensor

4 结论

通过实车紧急制动试验，在不同附着率的路面进行了关于识别挂车是否连接在牵引车、识别传动轴上轮速传感器和压力调节模块和识别转向角传感器和横摆率传感器的测试，比较了线控制动系统有无自识别功能的差别，可以得到以下结论。

(1)带有自识别功能的线控制动系统能够准确识别挂车连接在牵引车上，并且能保持前后轮速与实际车速的一致性。

(2)带有自识别功能的线控制动系统能够检测到各轮速传感器和压力调节模块的连接状态，在紧急制动的情况下提供有效的制动力，并且具备车身稳定控制功能，有效预防车辆侧翻和甩尾风险，尤其在方向控制时，当监控到车辆存在侧翻风险时，将主动对各车轮实施相应的制动，从而纠正车身姿态。

(3)带有自识别功能的线控制动系统在高附着路面的调节能力优于在低附着路面上的表现。