摘 要

隨著汽車電動化、智能化和無人駕駛技術(shù)的深入發(fā)展，線控制動技術(shù)被大量廣泛地應(yīng)用于新能源純電動車型，而市場用戶對制動過程的舒適性要求越來越高。因此，如何快速解決整車的制動NVH 問題，如何提高線控制動系統(tǒng)的集成水平，這是困擾目前新能源汽車制動系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的技術(shù)難題。以某純電動汽車制動踏板抖動與異響問題為研究背景，系統(tǒng)地闡述測試排查過程，識別分析出潛在的激勵源與傳動路徑；探討液壓系統(tǒng)產(chǎn)生流致振動噪聲的潛在機(jī)理，提出具體的工程控制方法；并通過制動能量回收策略方法的優(yōu)化，通過實車駕評和測試驗證該措施方案的有效性。研究成果對于提升新能源汽車制動NVH 問題的解決能力和正向集成開發(fā)有著較重要的工程指導(dǎo)價值。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；純電動汽車；電子液壓制動系統(tǒng)；線控制動；NVH；流致振動噪聲

中圖分類號：U461.4；U27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A  DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-1355.2024.02.046

作者：張 軍（ 吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315336；）

引 言

EHB(Electric Hydraulic Brake)電子液壓制動系統(tǒng)是從傳統(tǒng)液壓制動器基礎(chǔ)上發(fā)展而來的機(jī)電一體化制動系統(tǒng)，無需真空源，能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收功能，增加續(xù)航里程，是現(xiàn)今智能汽車線控底盤領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，已廣泛應(yīng)用于新能源純電動車型。由于EHB 以液壓系統(tǒng)為制動能量源，液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)之間的技術(shù)融合存在一定的復(fù)雜性，可能在制動力矩的瞬時協(xié)調(diào)與分配過程中，影響駕駛平順性和制動舒適性。尤其是純電動汽車的低速制動過程中，缺少發(fā)動機(jī)和路面激勵噪聲的掩蔽，制動過程的振動噪聲問題就更加突出，更容易被駕乘人員感知和抱怨[1－2]。

目前，新能源汽車行業(yè)內(nèi)主要研究電驅(qū)傳動和熱管理系統(tǒng)的NVH問題，以及路噪和風(fēng)噪，而對制動能量回收過程中引起整車振動噪聲問題的研究較少。Roberts 等[3]發(fā)明了一種錐形內(nèi)腔結(jié)構(gòu)阻尼器內(nèi)置在ABS(Anti-lock Brake System)閥體中，以降低壓力脈動與沖擊效應(yīng)。Seongho 等[4] 采用LFC (Linear Flow Control)算法控制ABS 系統(tǒng)電磁閥的動態(tài)作動特性，降低了液壓伺服系統(tǒng)的流致噪聲。Zhu 等[5]也提出了一種ABS 系統(tǒng)電機(jī)的精準(zhǔn)控制算法，通過一維仿真分析方法驗證了可以改善壓力脈動和噪聲。Mauro 等[6－7]通過搭建的EHB 系統(tǒng)硬件在環(huán)臺架，試驗驗證了提高控制電磁閥脈寬調(diào)制的頻率，可以降低閥芯高速運(yùn)動的行程，從而改善制動踏板抖動問題。鄭艷丹等[8]提出了一種電動汽車再生制動系統(tǒng)的制動踏板感評價指標(biāo)方法。但是國內(nèi)外很少有文獻(xiàn)資料闡述整車開發(fā)過程中解決EHB 制動系統(tǒng)NVH 問題的具體案例 ，以及相關(guān)的工程化措施方案。

本文介紹某純電動汽車低速行駛制動系統(tǒng)NVH 問題的測試分析與排查過程 ，探 討 ESC (Electronic Stability Controller)總成壓力脈動激勵導(dǎo)致制動踏板抖動和異常噪聲的潛在機(jī)理，提出工程解決的思路，并通過制動能量回收策略的改進(jìn)，實車測試驗證了該優(yōu)化方案的有效性，這對于提升純電動汽車制動NVH開發(fā)水平有著較重要的參考借鑒價值。

1 電液復(fù)合制動系統(tǒng)方案的簡述

如圖1 所示，該純電動車型采用EHB電子液壓復(fù)合線控制動系統(tǒng)，基礎(chǔ)制動采用了對角分布的雙回路管路設(shè)計，前制動器為單活塞內(nèi)通風(fēng)盤式，后制動器為EPB(Electrical Park Brake)電子駐車功能集成的實心盤。制動助力器則采用了非解耦式的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動電機(jī)、電控單元、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、串聯(lián)式制動主缸、踏板行程傳感器和連接推桿等部件組成。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板，利用傳感器采集制動踏板位移和速度，并將信號處理后傳遞給電控單元，經(jīng)計算和分配驅(qū)動電機(jī)所提供的扭矩，再由機(jī)械傳動裝置轉(zhuǎn)化為伺服制動力，與踏板力共同推動制動主缸活塞運(yùn)動，向各車輪的輪缸分泵提供液壓制動力，快速精準(zhǔn)地實現(xiàn)制動效能。

圖 1 整車的電控液壓制動系統(tǒng)設(shè)計方案

同時，ESC(Electronic Stability Controller)總成系統(tǒng)集成了回饋力矩與液壓力矩的協(xié)調(diào)功能，可實現(xiàn)CRBS(Cooperative Regenerative Brake Systems)協(xié)調(diào)式制動能量回收策略，具有體積小、重量輕、響應(yīng)快速和設(shè)計模塊化等優(yōu)點(diǎn)，具有滿足功能安全的冗余設(shè)計

2  問題描述

該緊湊型純電動轎車搭載了“三合一”的集成式前電驅(qū)系統(tǒng)，當(dāng)以低于30 km/h 速度行駛時，在快速踩下踏板的輕度或中度制動過程中，駕駛員能明顯感知到制動踏板的抖動，同時聽到“咔咔”的異常噪聲，但整車沒有聳動現(xiàn)象。由于純電動車低速行駛時的車內(nèi)背景噪聲較低，這種異常抖動和噪聲會嚴(yán)重地降低車輛的低速制動舒適性，容易引起市場用戶的抱怨與投訴。由于這種瞬態(tài)工況振動噪聲問題的影響因素較多，對數(shù)采測試技術(shù)的要求較高，因此原因排查和工程解決的難度較大。

2.1 整車狀態(tài)的振動噪聲測試分析

為了更準(zhǔn)確地測試分析該車型低速制動工況下異常振動噪聲問題的故障特征，以及診斷排查潛在的原因機(jī)理。因此，分別在ESC 本體、液壓連接管路、制動主缸殼體和制動踏板，以及與車身前圍板的連接位置布置了振動加速度傳感器，在車內(nèi)駕駛員左耳附近布置麥克風(fēng)，如圖2 和圖3 所示。測試工況為在平直光滑路面上，車輛緩慢加速到30 km/h，松開油門滑行，再快速地踩下制動踏板，同步進(jìn)行制動操作和振動噪聲信號的采集。

圖 2 整車測試的傳感器布置示意圖

圖3 整車測試的傳感器現(xiàn)場布置

2.2 整車測試結(jié)果的分析

根據(jù)圖4 中的各個振動位置時域測試結(jié)果，通過對各測點(diǎn)振動信號時域特征分析和音頻回放對比，并結(jié)合主/客觀評價的辨識，可以準(zhǔn)確地識別出各通道振動噪聲信號的瞬時過程，以及波形特征和幅值水平等。

圖4 制動過程的整車測試時域特征分析

如圖4 所示，可以得出：

（1）由于低速行駛時路面激勵和制動操作的背景噪聲較大，車內(nèi)麥克風(fēng)測量的聲壓信噪比較低，聲音通道的脈沖特征不顯著；

（2）在車輛的快速制動過程，制動系統(tǒng)的各主要部件都存在較明顯的0.5 秒左右振動脈沖特征區(qū)間， 并且與踏板抖動的時間范圍相重合；

（3）ESC 本體的瞬時沖擊波形最為清晰，且其振動幅值也最大，振動加速度峰值接近7 g，與制動主缸連接的液壓管路表面振動峰值約為2 g，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置的振動；

（4）ESC 總成與車身左側(cè)前縱梁連接位置的振動特征最小，可以推測這不是主要的結(jié)構(gòu)振動傳遞路徑；

（5）ESC  本體與車內(nèi)制動踏板的異常振動區(qū)間 雖然重合，但振動波形卻有明顯的差異，因此推測踏板抖動的主要原因可能是制動主缸增壓過程中， ESC 總成液壓伺服單元工作時壓力脈動通過管路和電動助力系統(tǒng)傳遞到制動踏板；

（6）快速踩下制動踏板時，制動主缸殼體和車身前圍板的振動存在連續(xù)的非高斯信號特征，推測這是電動助力系統(tǒng)中機(jī)械傳動工作過程產(chǎn)生的。

如圖5 的制動踏板與ESC 總成的振動時頻譜測試對比分析的結(jié)果所示：制動過程初期的紅色高亮區(qū)域瞬態(tài)沖擊振動噪聲特征，容易被踏板快速踩踏的背景噪聲掩蓋，并不是車內(nèi)用戶關(guān)注的重點(diǎn)NVH問題；而從踏板抖動的時間對比上，略微滯后于ESC 總成的振動，這與液壓系統(tǒng)作動過程的延遲響應(yīng)特性相關(guān)；并且，ESC 總成殼體的振動頻譜特征主要為 2 000 Hz 左右，這主要與ESC 液壓伺服系統(tǒng)內(nèi)柱塞泵或電磁閥的閥芯瞬時撞擊過程相關(guān)，且遠(yuǎn)高于制動踏板的振動特征頻率。這些現(xiàn)象說明該車型的制動振動噪聲問題很可能與液壓波動直接相關(guān)。

圖 5  制動踏板和ESC 總成的振動時頻譜測試分析

2.3 路徑排查的評價分析

根據(jù)以上整車測試結(jié)果的分析與原因推測，通 過隔離或擾動EHB 制動系統(tǒng)與車身鈑金的搭接方式，在綜合性能試驗場的瀝青光滑高附路面上，駕駛員多次重復(fù)操作與主觀評價車輛D 檔低速行駛制動過程的車內(nèi)振動噪聲情況，以快速地排查與驗證傳 遞路徑的潛在影響因素。經(jīng)多次的實驗論證和主觀評價對比，完全拆除ESC 總成與前縱梁的連接螺栓， 隔斷液壓管路與車身側(cè)的全部搭接點(diǎn)，以及在電動 助力系統(tǒng)與前圍板之間增加隔振橡膠，或者在前圍 板上直接黏接金屬質(zhì)量塊等擾動方式，制動踏板振 動和異響現(xiàn)象都沒有明顯的變化。然而，將制動主 缸的兩根液壓連接金屬管更換為橡膠軟管，制動過 程的異常振動噪聲問題則有所改善；另外，在重新加注制動液的操作時，管路內(nèi)真空度也能顯著影響該 問題的主觀感知水平。這些擾動試驗進(jìn)一步說明控制制動液壓伺服系統(tǒng)的壓力脈動是解決踏板抖動和異響的關(guān)鍵要素。

3  潛在原因分析與工程解決思路

3.1  ESC總成關(guān)鍵部件的動力學(xué)特性分析

HUC 液壓控制單元主要由電機(jī)、柱塞泵、壓力傳感器、電控單元、閥體和電磁閥等組成，如圖6 所示，通過直流電機(jī)偏心軸驅(qū)動柱塞泵和電磁閥的高速開關(guān)運(yùn)動輸出與控制各個通道的制動壓力，但這也常常引起液壓系統(tǒng)的振動噪聲問題。

圖 6  ESC 總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

柱塞泵和電動機(jī)偏心輪位置如圖7 所示, 由偏心輪的電動機(jī)驅(qū)動，在吸/壓油閥芯之間形成一個密閉的柱塞腔，其輸出流量Q 和偏微分表達(dá)式如下：

式中：d 為柱塞直徑，e 為電機(jī)偏心軸距離，θ 為偏心輪轉(zhuǎn)動角度，N 為電機(jī)轉(zhuǎn)速。由式(1)和式(2)可知，泵油流量脈動與電機(jī)轉(zhuǎn)速和偏心距設(shè)計存在直接關(guān)系。

圖 7  偏心柱塞泵工作原理的簡化示意圖

此外，ESC 液壓控制單元中的增壓閥、減壓閥、吸入閥和限壓閥等均為高速開關(guān)電磁閥，是電/磁/ 機(jī)/液的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，其電磁力由電流、電感、電磁閥柱塞和鐵心之間的氣隙決定，通過閥芯的運(yùn)動學(xué)方 程推導(dǎo)，可得到軸向液動力方程為：

其中：cd 為流量系數(shù)，α 為閥座的半錐角，?p 為閥進(jìn)/出油口的壓差，Ai 為進(jìn)油口面積，Ak 為閥口開啟時閥芯通流處的通道面積，Aj 為出油口面積，A2 為閥座導(dǎo)角在水平方向的投影面積，pj 為閥腔出油口處的壓力。由式(3)可知，電磁閥液動力是關(guān)于閥芯過流面積的2 階方程，閥結(jié)構(gòu)參數(shù)中閥座錐角及入口孔徑有較大的影響權(quán)重，另外，閥兩端壓差對液動力影響也較大，如圖8 所示。

圖 8  電磁閥工作原理的簡化示意圖

柱塞泵和電磁閥是HCU單元的關(guān)鍵核心部件，其瞬時動力學(xué)特性直接影響著整車ESC 制動液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)[9]。但是，這些液壓系統(tǒng)關(guān)鍵器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能控制算法都已在車型搭載應(yīng)用之前就已經(jīng)選型確定，在實際的車型項目制動系統(tǒng)工程集成開發(fā)過程中，通常是需要從整車NVH 性能問題入手，深入地進(jìn)行具體分析研究，以得到有效且低成本的工程化方案。

3.2  潛在原因分析

由于ESC 系統(tǒng)常常涉及零部件供應(yīng)商的核心技術(shù)，無法直接同步采集到電液系統(tǒng)的實時工作狀態(tài) 參數(shù)，但基于整車試驗測試分析與路徑排查的結(jié)果， 可初步推測ESC 總成HCU 系統(tǒng)的壓力脈動激勵是該車型制動踏板抖動與異響問題的主要原因。當(dāng)車輛在低速行駛的中度制動過程中，CRBS 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制分配驅(qū)動電機(jī)能量回收與ESC 液壓制動力，同時保持制動踏板感的一致性。當(dāng)駕駛員快速踩下制動踏板請求制動時，通常ESC 總成會優(yōu)先考慮驅(qū)動電機(jī)回收制動能量，其余的制動力需求由液壓制動 系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。由于制動踏板和制動主缸是非解耦連接關(guān)系，主缸內(nèi)制動液也會被活塞推動，暫時存儲在ESC 總成的蓄能器中，保持踏板感的作用力由電子制動助力器提供補(bǔ)償。制動請求不變時，當(dāng)車速 降低導(dǎo)致能量回收扭矩能力降低，或者其他的不穩(wěn) 定工況發(fā)生（如ABS 觸發(fā)、減速度過大等），驅(qū)動電機(jī)的能量回收功能需退出。

如圖 9 所示，為了保證車輛的減速度不降低， ESC 總成會主動增加液壓制動力，HCU 系統(tǒng)工作產(chǎn)生流體慣量引起的水錘效應(yīng)激勵，導(dǎo)致對制動管路 的流體沖擊，并通過耦合機(jī)構(gòu)傳遞到制動踏板，產(chǎn)生踏板抖動感和異常噪聲問題。

圖9  制動踏板抖動潛在機(jī)理示意圖

3.3  工程解決思路

根據(jù)整車測試結(jié)果分析和傳遞路徑擾動試驗驗證的情況，結(jié)合以上潛在機(jī)理的分析，在實際的工程開發(fā)中，通常可以采用以下3個方面來改善或解決純電動汽車低速行駛下的制動NVH問題。

（1）降低ESC 總成對制動系統(tǒng)的流致振動噪聲激勵：比如，通過減小HCU 系統(tǒng)電機(jī)軸的偏心距，多柱塞設(shè)計，優(yōu)化泵芯和閥芯結(jié)構(gòu)等措施，降低液壓脈動與沖擊，以及避免空穴效應(yīng)；ESC 閥體內(nèi)增加液力阻尼器；提高ESC 電機(jī)和電磁閥的控制精度，減小作動過程的速度斜率與梯度[3]；

（2）減小結(jié)構(gòu)路徑的傳遞：比如，采用橡膠軟管、金屬波紋管或者內(nèi)嵌緩沖裝置的制動主缸連接管路；增加制動踏板的重量或車身連接的剛度；在ESC 總成和液壓管路與車身結(jié)構(gòu)搭接位置的增加橡膠隔振墊；制動主缸特性的調(diào)整優(yōu)化；另外，如果采用完全解耦的一體式電動制動助力系統(tǒng)或者 EMB（Electric Mechanical Brake）制動系統(tǒng)，則能徹底解決制動踏板的抖動問題；

（3）控制策略的優(yōu)化：比如，如圖10 所示，提高能量回收的退出車速，減小瞬時工況模糊性和參數(shù)不穩(wěn)定性對制動協(xié)調(diào)控制的難度，同時增加了低速行駛的背景噪聲，掩蓋ESC 總成的工作噪聲與流致振動問題；或者直接降低HCU 電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，減小對液壓系統(tǒng)的沖擊負(fù)荷。

圖10  CRBS 制動能量回收策略優(yōu)化的示意圖

4 標(biāo)定優(yōu)化與驗證

為了保持該車型制動系統(tǒng)的硬件架構(gòu)不變，綜 合考慮成本和設(shè)變驗證周期等因素，因此本文采取 了對協(xié)調(diào)式制動能量回收策略進(jìn)行軟件標(biāo)定優(yōu)化。經(jīng)多次標(biāo)定參數(shù)調(diào)整與驗證，在不影響車輛制動安 全性的前提下，實際應(yīng)用的工程措施方案為：制動能量回收策略的完全退出車速從15km/h，變更為 30km/h；同時，ESC 總成電機(jī)轉(zhuǎn)速從原來的1 800 r/min下降到1 200 r/min。

經(jīng)對制動策略標(biāo)定優(yōu)化后車輛的主觀綜合駕評與測試對比分析，車輛制動效能與踏板感并沒有明顯下降，主觀評價已經(jīng)感知不到制動踏板抖動和“咔咔”的異常聲音。此外，由于低車速下的能量回收效能較低，退出車速的調(diào)整對整車?yán)m(xù)航能力的影響輕微，但顯著地提升了低速工況的制動舒適性。

如圖11 所示，通過對同一輛車進(jìn)行制動標(biāo)定優(yōu)化策略的刷新操作，進(jìn)行客觀測試的對比驗證，ESC總成的振動水平明顯地降低了，主缸和踏板仍然存在制動助力器機(jī)械傳動過程的振動特征，但制動踏板的液壓系統(tǒng)流致振動幅值顯著地減小。

圖 11  低速制動能量回收策略標(biāo)定優(yōu)化的測試對比

5 結(jié)語

隨著電動化、智能化和無人駕駛等汽車技術(shù)的深入發(fā)展，以及市場用戶對制動舒適性要求的越來越高，整車線控制動領(lǐng)域的NVH 性能集成與開發(fā)技術(shù)就愈發(fā)重要。本文以某純電動汽車制動踏板抖動與異響問題為研究背景，系統(tǒng)地闡述了測試排查過程，識別分析出激勵源與傳動路徑；并且，探討了ESC 總成液壓伺服系統(tǒng)產(chǎn)生流致振動噪聲的潛在機(jī)理，提出了具體的工程化控制方法；最后，通過制動能量回收策略方法的優(yōu)化，實車駕評和測試驗證了該措施方案的有效性。這對于提升新能源汽車制動NVH 問題的解決能力和正向集成開發(fā)有著較重要的工程指導(dǎo)價值。

當(dāng)前，在縮短純電動汽車研發(fā)周期的趨勢下，需要整車OEM 廠家和供應(yīng)商的協(xié)調(diào)合作，基于制動系統(tǒng)的硬件在環(huán)臺架(HIL)進(jìn)行充分的算法優(yōu)化與功能驗證，在開發(fā)前期就規(guī)避復(fù)雜系統(tǒng)集成中的一些振動噪聲問題，以提高整車研發(fā)效率，減少后期設(shè)計變更。

參考文獻(xiàn)

[1]  廉晶晶，張杰，楊柳青，等.  電動車制動真空泵對車內(nèi)噪聲影響機(jī)制分析[J]. 噪聲與振動控制，2019，39(2)：114- 117.

[2]  祝丹暉，楊樂，CHARLES ZHANG. 基于某純電動車的低頻制動噪聲優(yōu)化研究[J]. 汽車工程，2021，43(9)：1412- 1417.

[3] ROBERTS, CHRISTOPHER J. Tapered noise attenuator for anti-lock braking system[P]. US Patent, 5921636.

[4] SEonGHO CHOI, JINKOO LEE, INYONG HWANG, New generation ABS using linear flow control and motor speed control[C]// SAE Paper, 2003, 2003-01-0254.

[5] BING ZHU, JIAPENG GONG, JIAN ZHAO, et al. Accurate speed control of the DC motor for anti-lock braking system[C]// SAE Paper, 2015, 2015-01-0654.

[6]  MAURO   VELARDOCCHIA.    A    Methodology    to

investigate the dynamic characteristics of ESP and EHB hydraulic units[C]// SAE Paper, 2006, 2006-01-1281.

[7] ALDO SORNIOTTI, MAURO VELARDOCCHIA. Hardware-in-the-loop (HIL) testing of ESP (Electronic stability program) commercial hydraulic units and implementation of new control strategies[C]// SAE Paper, 2004, 2004-01-2770.

[8]  鄭艷丹，彭剛，李光軍，等. 電動汽車再生制動系統(tǒng)制動踏板感評價研究[C]// SAECCE, 2020: 2536-2540.

[9]  李亮，宋健，韓宗奇，等. 用于電子穩(wěn)定程序ESP 在線控制的液壓模型和反模型[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2008，44(2)：139-144.