本文英文版于2017年12月22日發(fā)表在《Science》雜志專刊《Reimagining new energy vehicles: Research innovations at Tongji University》（文章內(nèi)容稍有刪改）。
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汽車電動化和智能化對于制動系統(tǒng)提出了新的需求。電動汽車的再生制動控制和智能汽車的運(yùn)動控制均需要制動系統(tǒng)進(jìn)行制動力主動控制，乘用車的制動系統(tǒng)正由人力伺服液壓制動向線控制動轉(zhuǎn)型[1]。

Robert Bosch公司提出了制動力完全可控的iBooster+ESP Hev（Two-box）方案，分成主動建壓單元和輪缸閥控單元2個功能模塊。進(jìn)一步，把主動建壓單元和輪缸閥控單元集成，形成更為緊湊、成本更低的One-box方案，如Continental公司的MKC1和ZF TRW公司的IBC。這種One-box的集成式電子液壓制動系統(tǒng)(integrated electro-hydraulic brake system, I-EHB)已經(jīng)成為制動系統(tǒng)的發(fā)展方向。

集成式電子液壓制動系統(tǒng)設(shè)計方案



圖1 電子液壓制動系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

如圖1所示，電子液壓制動系統(tǒng)（electro-hydraulic brake system, EHB）共分成4大部分：制動踏板單元、液壓驅(qū)動單元、液壓調(diào)節(jié)單元、控制系統(tǒng)。通過其中關(guān)鍵部件的組合、互聯(lián)、重構(gòu)，可以形成許許多多的構(gòu)型方案。

Hitachi公司E-ACT
以外包形電機(jī)作為制動動力源，電機(jī)轉(zhuǎn)子與滾珠絲杠集成一體作為液壓驅(qū)動單元。該系統(tǒng)應(yīng)用于Nissan第一代Leaf上，取得了較好的效果。

Continental公司MK C1
集成ABS、ESC等功能的One-box方案。在正常模式下，制動主缸只作為踏板模擬器，另外還有一個液壓缸，在電控液壓驅(qū)動單元的推動下建立制動液壓力，去除了制動系統(tǒng)的主要噪聲源（真空泵和ESC的多活塞液壓泵）。

ZF TRW公司IBC
集成ABS、ESC等功能的One-box方案。以一個包括超高速無刷電機(jī)的集成單元取代了低真空或無真空系統(tǒng)所需的大量獨(dú)立部件。該系統(tǒng)采用了一套獨(dú)立的液壓單元作為踏板感覺模擬器。

Robert Bosch公司iBooster
具有踏板感覺可調(diào)、可配合ESP Hev實(shí)現(xiàn)再生制動等特點(diǎn)。第一代減速機(jī)構(gòu)采用雙蝸輪齒輪形式，對稱布置在齒條兩側(cè)，齒條受力均勻，具有高動態(tài)響應(yīng)能力。第二代將二級蝸輪蝸桿改為一級滾珠絲杠減速，體積大幅度縮小，控制精度有所提高。



圖2 集成式電子液壓制動系統(tǒng)設(shè)計方案

集成式電子液壓制動系統(tǒng)中，踏板和輪缸通常解耦，以實(shí)現(xiàn)液壓力主動調(diào)節(jié)。如何在保證滿足失效安全要求的前提條件下，提出空間緊湊、制造方便、成本低、可靠性高的創(chuàng)新設(shè)計方案是集成式電子液壓制動系統(tǒng)開發(fā)的首要問題。

同濟(jì)大學(xué)提出了一種利用4個電磁閥（基于管路復(fù)用原則）進(jìn)行液壓主動調(diào)控的集成式電子液壓制動系統(tǒng)[2]（圖2所示）和具有雙電機(jī)動力單元形式的集成式電子液壓制動系統(tǒng)[3]。

主缸液壓力控制

面向制動系統(tǒng)的液壓力主動精確控制需求，針對I-EHB系統(tǒng)的摩擦等非線性因素導(dǎo)致的液壓力控制過程的爬行、死區(qū)與失穩(wěn)問題，同濟(jì)大學(xué)提出了I-EHB系統(tǒng)主缸液壓力控制算法。值得注意的是，以下多種控制算法的有機(jī)結(jié)合能夠大大提高系統(tǒng)的性能。

摩擦補(bǔ)償
基于顫振信號[4]。通過試驗(yàn)優(yōu)化信號的幅值、頻率等參數(shù)，摩擦爬行現(xiàn)象消失，系統(tǒng)的線性度提高。
基于摩擦模型[5]。設(shè)計了自適應(yīng)控制律補(bǔ)償摩擦模型參數(shù)的變化，在動態(tài)響應(yīng)中有更高的控制精度。

壓力反饋控制
分段比例-積分控制[6]?；谔锟诜椒▋?yōu)化得到控制器的最優(yōu)控制參數(shù)。魯棒性強(qiáng)，響應(yīng)迅速，在500次試驗(yàn)內(nèi)均保持穩(wěn)健。
積分抗飽和滑?？刂芠7]。系統(tǒng)響應(yīng)跟蹤變幅值和變頻率目標(biāo)的效果良好，控制精度更高。

針對創(chuàng)新I-EHB架構(gòu)的控制
無壓力傳感器I-EHB系統(tǒng)[8]。采用非線性觀測器觀測出PV特性曲線的關(guān)鍵特征參數(shù)，再利用串級控制器精確跟蹤目標(biāo)壓力，取得了良好的跟蹤效果。
雙電機(jī)驅(qū)動I-EHB系統(tǒng)[3]。一個電機(jī)作為液壓驅(qū)動單元，提供主缸壓力；另一個電機(jī)作為踏板模擬器的動力源，用來主動模擬踏板感覺。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)踏板感覺可調(diào)，可以作為未來線控制動系統(tǒng)的參考。

輪缸液壓力控制

由于電機(jī)伺服可以實(shí)現(xiàn)快速增減壓控制，相比傳統(tǒng)ESC，集成式電子液壓制動系統(tǒng)可以用更少的閥實(shí)現(xiàn)輪缸液壓力控制。針對圖2所示具有新型液壓力調(diào)節(jié)單元的I-EHB，每個輪缸都通過唯一的管路連接到主缸，在增壓和減壓過程中液壓力控制是由同一個電磁閥來實(shí)現(xiàn)，即管路復(fù)用原則。在同一時刻各輪缸需求的壓力值可能不同，也可能處于不同的增、減壓狀態(tài)。由于任意時刻液壓驅(qū)動單元只能提供一個液壓力值，各輪輪缸液壓力獨(dú)立、快速調(diào)節(jié)是控制算法設(shè)計面臨的重要挑戰(zhàn)，其結(jié)果是計算得到最優(yōu)的主缸目標(biāo)壓力。同濟(jì)大學(xué)提出了一系列創(chuàng)新的控制算法。

輪詢調(diào)度法[9]
每1/4個周期控制一個輪缸，在這段時間內(nèi)，對應(yīng)輪缸的電磁閥打開，其他三缸的電磁閥均保持關(guān)閉，主缸目標(biāo)壓力等于該輪缸的目標(biāo)壓力，完成該輪缸增壓/減壓的需求，但在剩余3/4個周期內(nèi)，該輪缸均處于保壓狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果證明了該算法的有效性。

主缸定頻調(diào)壓法[9]
當(dāng)4個輪缸給出各自的目標(biāo)壓力時，令電機(jī)推動主缸活塞作往復(fù)的抖動，令主缸的壓力范圍覆蓋4個輪缸的目標(biāo)壓力，且其抖動的頻率大大高于各輪缸目標(biāo)壓力的頻率，每當(dāng)主缸壓力靠近輪缸的目標(biāo)壓力時，適時的開閉電磁閥以使得輪缸壓力跟蹤目標(biāo)壓力變化。試驗(yàn)結(jié)果表明輪缸壓力跟隨效果優(yōu)于采用輪詢調(diào)度法的跟蹤效果，原因是該算法能夠滿足更多輪缸的增/減壓需求。

基于輪缸壓力均衡法[10]
借鑒了帶有高、低壓蓄能器的電子液壓制動系統(tǒng)的工作原理。根據(jù)各輪缸壓力需求決策出最優(yōu)的主缸目標(biāo)壓力，使液壓驅(qū)動單元能夠盡可能多地滿足輪缸增/減壓需求。將該算法用于車輛穩(wěn)定性控制研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際液壓力能夠快速跟蹤ESC策略給出的目標(biāo)液壓力。

結(jié)論與展望

滿足車輛電動化和智能化需求的集成式電子液壓制動系統(tǒng)(I-EHB)是制動系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，不同公司和科研機(jī)構(gòu)提出了多種創(chuàng)新設(shè)計方案，能夠有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，并滿足制動系統(tǒng)失效安全要求。

在制動系統(tǒng)液壓制動力控制方面，相關(guān)的主缸液壓力控制科研成果能夠有效克服系統(tǒng)摩擦等非線性問題，實(shí)現(xiàn)高精度液壓力控制。面向少閥壓力調(diào)節(jié)單元的I-EHB系統(tǒng)，也提出了多種創(chuàng)新的輪缸液壓力調(diào)節(jié)算法和解決方案。

未來I-EHB系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化、工程化和制造成本控制是需要解決的問題，基于I-EHB實(shí)現(xiàn)再生制動功能的復(fù)合制動協(xié)調(diào)控制、ADAS控制(AEB等)也需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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