电子液压制动系统的安全设计与匹配分析

王海军，杨帆

（宁波星箭航天机械有限公司，浙江 宁波 315153）

传统的液力制动器是通过液力传动机构来完成制动器的功能，而线控传动系统是以机械信号为基础，通过电气控制单元对机电制动器的控制。所以，从本质上讲，电动液压刹车系统并非是一种真正的线性驱动系统。由于EHB可以完全与刹车踏板无关地进行式刹车，但它的物理电路并未延伸至车轮制动器，因此，电动液压刹车系统仍然需要制动液从储能器向刹车轮缸传输制动力。但就目前来看，由于原油压制动器的结构仍能保持，所以在动力供给装置出现故障时，人工制动器作为后备制动器。目前，电子液压制动系统已经成为汽车安全与电子领域的一个重要课题。Petruccelli等提出了EHB系统的前、后轴制动力分配和刹车踏板感官仿真，并给出了传感器故障时的控制和故障的自诊断控制方案，并对电动汽车 ABS/VDC进行了改进。Reuter等对常规制动工况下的电动液压制动器和常规液压制动器进行了对比和分析，并对其在各种液压设计工况下的EHB进行了分析，重点对其在供能设备故障时采用后备制动器进行了制动特性的分析。Huh等提出了一种基于故障诊断的电动液压刹车系统故障诊断模型，并对其进行了仿真分析，并对其进行了仿真分析。Semmler等提出了一种利用EHB技术实现汽车防抱死制动的新方法，并进行了在干、雪、湿路面的实车测试。通过运用模糊推理方法，马涛涛等人对车辆的横摆角速度和质量中心的偏转率阈值进行了分析，并用 Logistic PI控制法对EHB的输出进行了分析，结果显示，该方法在EHB全工作区间均能取得较好的控制效果。尽管国外的一些汽车已经安装了电动液压刹车系统，如奔驰SL级、E级、丰田普锐斯、雷克萨斯HX400H等，但由于中国的EHB发动机还没有完全掌握EHB的设计原理，因此，在一定程度上制约了电子液压制动系统的工业化。电子液压刹车系统的设计工作非常复杂，其关键元件的设计也受到很多因素的制约。汽车刹车系统的安全性是首要考虑的问题，而EHB作为一种特殊的线性控制系统，其安全性尤为重要。本文以电子液压制动系统为研究对象，从安全性能出发，研究了电动刹车系统的设计和匹配；该系统取代了传统刹车系统中的一些机械零件，刹车踏板与执行器之间没有机械连接，广通用地使用了现代汽车上的伺服刹车系统。

1 电液控制系统的结构、原理和特性

由于采用了传统的液压机械制动器，采用了液压机和电控机械式制动器的过度形式，因此，在保持了原有的液压制动系基础上，增加了一组电气控制单元，使刹车系统的性能得到了最大程度的提高。这种制动系统代替了常规制动器的某些机械部件，在制动器和制动器之间不存在机械连接，广泛采用了现代轿车的伺服制动器。图1为常用的系统示意图。

图1

刹车踏板装置由多个二向阀门连接到各个轮孔，供燃油供给。油罐和轮虹之间有一个二向阀，在油路中连接着一个电泵和一个高压蓄能器，这两个蓄能器通过电子信号来维持油路中的高压，当2个二通阀打开时，油路上的压力就会被维持。安全阀用于限制油路的最大油压，平衡阀用于平衡左右制动器的制动力。它有两种基本能力，一是基本刹车，二是刹车控制。基础刹车，就是司机按照自己的意图，对油门施加不同的力道，以确保车辆在减速的时候，不会发生卡住，这时，司机应该将自己的意图完全反映出来，从而给司机提供足够的制动力。控制制动器是指在紧急情况下，驾驶员在全速制动器的作用下，由于需要防止车轮发生卡住，因此，系统能够识别这个需求，并利用节流控制装置来防止车轮发生卡住，同时，根据工作环境的不同，将车辆的减速能力发挥到最大。在这种情况下，一般都会有后备制动器，即使在电子控制装置出现故障时，也可以保持最基本的人力和液压刹车功能。本文所探讨的公司集成式电动液压制动器系统的主要元件为刹车踏板与刹车主虹的整体操纵机构以及液压系统，其工作原理如下。

图2

该系统具有常规制动、备用制动和控制制动3大功能。传统制动器：当司机按传统的规则驾驶时，电控设备会感应踏板。制动状况，判断司机的制动意图，关闭与制动箱和主虹补液室的补液电磁阀，打开平衡电磁阀，启动马达活塞，在制动箱内工作腔与液体补充室之间形成适当的制动压力。工作腔内的高压刹车压力通过四个常开型电磁阀连接到每个自轮红上，从而在车轮虹膜中形成刹车压力，从而达到制动器的目的。当驾驶员松开刹车踏板时，电子控制器会收到踏板移动的信号，由此四个减压螺线管减压，制动液回到刹车槽。后备制动器：在后备制动器状态下，电子控制装置失效。驾驶员在踏板上直接踩下刹车。在主红色工作腔上安装有均衡的常闭式电磁阀，可以有效地阻止液体的流入。工作腔由油管和常开式阀门与制动器相连，以达到刹车的目的。控制制动器：在司机紧急刹车时，由电子控制器根据刹车信号和刹车信号，设定适当的制动力，如果有一个轮子发生故障，就打开压力安全阀，降低刹车压力。每个制动器构成一个单独的闭合环路。不同的车轮可以按照不同的道路状况来进行不同的控制，以保证每个轮子都能充分利用土壤的黏性。通过上述分析，我们发现，传统与结构在2个方面存在着巨大的差异。一是机械构造上的差异，它利用弹簧的刚度，为使用者的足部提供反作用力与位移；而是采用了一个整体式的踏板，连接到了主虹上，通过主红色的压力来给人一种踩油门的感觉。二是油压设定，为了保持高的进油口压力，使用油栗机将油注入到高压油罐中，故进油阀为常闭阀门；电子液压控制系统的特点是刹车踏板、电子控制、液压控制、传感器等。刹车踏板装置包含踏板感觉模拟器、踏板力或踏板冲程传感器以及刹车踏板。踏板感受仿真系统能给驾驶者带来类似传统刹车系统的踏板感受。用于监控司机的驾驶意图。本系统由电机、高压储能器组成，通过制动线和单向控制阀与制动线连接，控制制动液的流入和流出制动轮缸，从而实现轮缸运动状态监测、反馈控制以及不同阶段温度范围的修正。它的主要特点是：通过液压控制装置，使各车轮独立地进行控制，使车辆的刹车性能得到最大限度的发挥，使车辆的行驶安全得到保障。增加车辆刹车控制精度，检测踏板的速度和冲程，对司机意图进行分析，判断不同制动性能，并通过供给高压油，可以得到最大的压力梯度，得到最合理的压力变化。然后，利用轮缸上的压力传感器，对实际的轮缸压力进行测量，并与控制器输出信号进行比较，不断地调整轮缸的压力，从而实现一个完全的闭环控制。改善车辆刹车舒适度系统，使4个车轮的气压分布具有较好的自从性，在不同的车辆悬挂系统中，刹车效果明显。确保各轮子不会发生碰撞。由于减少了大型的真空助推器，改善了车辆的行驶性能，节省了空间，降低了车身重量。后备制动功能在发生故障时，仍保留最基础的人工液压制动系统，以确保行车的安全性。兼容性好，易于改装，由于高电子化和模块化，可轻易地与汽车的电子控制设备相容；由于保留了大多数的液压部件，可以很方便地进行更多的制动；而且无需真空助推器，因此，在与电动车辆的匹配中具有更大的优越性。

2 EHB刹车系统的研制

如上所述，本文所讨论的的EHB类型属于电动助力式EHB的范畴，其最核心的部分就是电动助力式EHB，所以本文主要针对EHB的具体实现方式进行了分析，并对其总体设计要求进行了分析，从而实现了其结构设计，并对其主要元件进行了详细的选择。

2.1 EHB制动器的总体设计需求

EHB系统的实现方式在图3中显示，EHB系统包含踏板部件，其包含踏板力传感器、电动助力制动器、制动力分配装置、制动轮缸、控制器ECU、制动液管路、各种采集信号的传感器、PC监控平台等。在制动时，ECU对踏板力、踏板位移、刹车管路油压、车速等进行了相应的滤波，然后利用相应的算法，对驾驶员的制动意图进行分析，从而实现对车辆制动的控制。通过ECU的助力信号，实现对油门的辅助，从而提高刹车的油压。刹车系统把刹车油分布在四个刹车分轮气缸上，实现了汽车的刹车。当电子控制系统因电源故障、传感器故障等原因而发生故障时，ECU的警报系统将会发出警报，并启动“紧急模式”。司机可以利用刹车踏板进行刹车，并利用故障备用制动来改善汽车的行车安全。另外，该系统不需要额外的脚感产生设备，只需要根据对应的算法来控制马达的动作，从而达到平稳的脚感，从而提高驾驶的舒适性。综合以上分析可知，在正常工况下，制动器必须与各种不同类型的传感器相配合，才能产生刹车信号。通过ECU对所获得的数据进行处理，并将其转化为辅助信号，并将其反馈给刹车，从而实现对整个系统的控制。为了实现故障备用刹车功能，制动器不能自动锁定，这样即使电子控制装置出现故障，也可以依靠人工踩下刹车踏板产生的机械力来刹车。这就要求整体制动系统的工作性能。

图3

2.2 EHB电动助力制动器的设计要求

电动助力制动器是EHB系统的关键部件，它的性能对车辆的刹车性能有很大的影响，考虑到一般车辆和新能源汽车对刹车的需要，EHB电动助力制动器的动力能必须符合下列规定。

（1）结构紧凑，便于安装。因为一般的电动车或者传统轿车的引擎舱内空间都非常狭窄和紧凑，所以，为了保证车辆的刹车性能，EHB电动助力制动器必须尽可能地满足体积小、重量轻、便于装配等特点。

（2）有足够的刹车功率。由于目前市面上大多数新能源车都需要加装真空泵，且要有独立的储罐来贮存真空，因此，在持续制动时，制动效果不佳。所以，EHB电动助力制动器必须根据驾驶员的真实刹车意图，提供足够的精确的刹车辅助，从而达到最佳的刹车效果和驾驶感受。

（3）使信号的获取变得容易。EHB电动助力制动器在工作过程中，将踏板力信号、刹车管路油压信号、踏板位移信号等信息整合到ECU中，从而使采集组件的安装和配置尽可能地降低成本。

（4）具有较高的安全性。车辆的安全运行取决于EHB电动助力制动器的可靠性。所以，制动器和控制器的相关部件必须经过特殊的优化，才能在恶劣的工作条件下继续稳定地工作，另外，EHB电动助力制动器还必须具有故障备用制动的能力。

（5）促进其他功能的整合。EHB电动助力制动器应易于集成主动制动、ABS、EPS、智能驾驶等，系统必须具备很好的兼容性，并预留1:3接口，以实现与其他模块之间的通信。

（6）节约能源，保护环境。在环保产业和环保汽车的大背景下，刹车系统必须达到低能耗、低污染的要求，并且在刹车过程中使用能量最好。

3 基于硬件故障保护的电源系统的设计

电子液压制动系统的能量供给装置主要有气囊型储能器和马达油泵两部分。蓄能器和马达泵都需要在正常制动条件下，在故障状态下独立执行任务，以确保硬件的冗余度。在此基础上，还需要考虑储能器的有效容积和泵级流量之间的相互作用。在进行电子液压制动系统的设计时，应根据目标车辆的刹车特性要求，确定电子液压制动系统的最大工作压力和最小工作压力。

3.1 储液器的充气压力测定

当系统的最高和最低工作压力被决定时，为保证储能器的皮囊在最低压力操作点处仍然没有扩张至与壳体的壁相接触，而且在最高压力操作点皮袋收缩后的容积仍然超过最初容积的1/4，则蓄能器充气压力的取值范围为0.25p1≤p0≤0.9p2，式中，p0为蓄能器预充气压力，Pa；p1为系统最高工作压力，Pa；p2为系统最低工作压力，Pa。

3.2 储能器的有效容量计算方法

假定蓄能器排液速度很快，接近于绝热状态，因此，相对气体，其压缩性能可以忽略不计；而蓄能装置的有效容积必须符合下列两项：机械油泵故障时，储能器可进行高强度制动的次数应该至少4～5次；马达油泵运转时，每分钟4次在12次的速度制动后，向制动器供给的压力必须小于最大值。初步测量了70%的压强。在实际的使用中，刹车是逐次的。逐渐磨损，以保证安全，由于老式刹车在完全磨损后进入行运算。

4 结语

基于EHB的数学模型，提出了以安全性能为基础的EHB的设计和匹配方法；实验证明了所建数学模型的正确性，并以此为基础，对EHB在一般制动与硬件故障情况下的制动特性进行了分析。从安全性角度出发，在电动机泵故障时，要确保蓄能器能够实现多次高强度的制动；同时，在电动机泵的设计中，必须考虑到所需的充液时间和在蓄能器故障时的制动力特性；并探讨了系统参数（最高工作压力、最低工作压力）对EHB制动力特性的影响，并提出了最佳方案来改善EHB动力。