基于TRIZ理论的电子驻车制动控制单元创新设计

安淑苗，刘仁庚，李琦，张瀛，赵玉静

(长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)



基于TRIZ理论的电子驻车制动控制单元创新设计

安淑苗，刘仁庚，李琦，张瀛，赵玉静

(长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

电子驻车制动控制单元的电机驱动多采用H桥驱动方式，但此方法无集成方案，成本高、占用空间大。改善后方案为应用集成方案结合继电器方式，应用继电器完成对电机正反转的控制。应用中发现继电器的寿命问题需要解决，经查找真因及问题分析得出根本原因为在继电器切换时有大电流流过造成继电器触点失效率提高。应用TRIZ理论，得出4种解决方案，根据最终理想解的特点对4种解决方案进行评价，选取到合理解决方案。

电子驻车制动控制器；H桥驱动；继电器；TRIZ理论；最终理想解

0　前言

电子驻车制动系统(Electrical Parking Brake，EPB)指的是将行车过程中的临时性制动和停车后的长时性制动功能整合在一起，并且由电子控制方式实现停车制动的技术。电子驻车制动系统控制单元(EPB ECU)的功用是准确及时地采集点火开关信号、EPB开关信号及各类传感器(通过CAN网络)的输入信号，从而判断驾驶员的意图，同时根据相关的控制策略运算发出相应的指令驱动电机正、反转，从而实现卡钳适时的夹紧、释放。驻车是关乎乘客生命安全的零部件，尤其是在不该夹紧的时刻夹紧、不该释放的时刻释放对安全非常不利，从而对软件及硬件提出相当高的要求。

1　问题描述与分析

1.1问题背景

此领域几乎为垄断行业，只有国外为数不多的企业进行研究，造成技术封闭，很多问题都需要经过大量实验来解决。

通过少量资料得到其他家对电机驱动方式解决方案多为采取传统H桥方式对电机进行控制。H桥式电路是一种基本的驱动电路结构，在现代电机控制中，多数采取桥式电路结构，其电路简单原理如图1所示。通过这样的连接，就可以实现驱动电机正转、反转、停机和短路制动4个状态，即当T1和T4闭合而T3和T2断开时，电机正转;当T2和T3闭合而T1和T4断开时，电机反转；4个开关都断开时，电机停转;当只有T2和T4闭合的时候，电机短路。即如要正常驱动左右2个电机，需要2个全桥驱动芯片结合8个MOS管或4个半桥驱动芯片组成2对H桥，分别对两个电机进行控制。但这种方式没有合适的集成芯片，需采用分立方案，即电源芯片+诊断电路+MOS管+电机驱动芯片，占用空间会比较大，成本很高，可靠性降低。

作者现在的解决方案是采用继电器及集成驱动芯片对电机进行控制。因集成芯片功能齐全，外围电路简单，可靠性高，应用继电器换向可以减少4个MOS管，面积减小。

1.2问题描述

现象与危害：采取继电器方式及集成驱动芯片对电机进行控制，因为继电器要经常打开关闭，对电机进行换向控制，时间长了继电器会因为管脚粘连造成不可控，最终造成客户想进行驻车或释放但操作不成功现象。因为电子驻车是个安全级别要求很高的部件，故需要避免继电器的这种故障影响安全。

设计目标：避免继电器失效，提高安全等级。

1.3问题分析

从第一种方案入手，采取继电器方式如图2所示，会有继电器失效问题，故降低继电器失效概率，找到根本原因则可以解决问题。根据5Why分析方法，查找真因，最终确定根本原因为电机启动关闭时会有大电流流过正在切换的继电器，则需避免在继电器切换时有大电流流过。

1.4发明问题确定

(1)建立物质-场模型，如图3所示。

图3中，S1为电机，S2为继电器，Fe为电场。电机启动和关闭时产生的大电流冲击会对继电器寿命产生影响，则可应用76个标准解进行解决

(2)引入继电器虽然对系统进行了简化，但同时导致可靠性下降，表现为技术冲突，可以通过冲突解决方式，首先将冲突的两个参数进行一般化，通过查矩阵方式找到合适的发明原理。

2　拟采取的解决方法和解决方案

2.1拟选用的技术创新方法

(1)76个标准解；

(2)技术冲突解决理论。

2.2技术创新方法应用过程

基于TRIZ的问题分析与求解流程见图4。

问题提出：继电器寿命缩短。

问题分析：由于大电流流过导致。

2.2.1应用76个标准解

第1.4节已描述，通过建立物质-场模型得出由于电机开启关闭会产生大的冲击，即电机通过电场作用到继电器上会对继电器的寿命产生影响，对继电器产生了有害作用。通过进一步分析可知：因为有害的电场导致继电器寿命降低，则需要消除有害的电场对继电器的影响。消除有害场最有效的办法是引入第3种物质，见图5。

根据76个标准解的流程，首先查找1.2类标准解(消除或抵消有害作用)1.2.3(NO.11)表述有害作用由一个场引起的，需引入要素S3吸收有害作用。

寻求第3种物质吸收掉有害作用。

2.2.2应用技术冲突

因为此系统由原来H桥设计改为继电器设计节约了成本且设计复杂度降低，但同时因为继电器本身特性，长期过大电流会导致寿命缩短、可靠性降低。

表述为一般问题：希望减少元器件数量、减小电路板面积、降低成本、易于控制，但可靠性降低。

转换为39个工程参数：

两个参数：A1为物质或事物的数量；A2为静止物体的面积；B1为可靠性;B2为结构的稳定性。

对上述参数进行组合查找冲突矩阵。

分别得到4种组合方式，可应用的发明原理有NO.40、NO.35、NO.10：

NO.40：应用复合材料；

NO.35：参数变化；

NO.10：预操作。

2.3形成的初步解决方案

2.3.1应用76个标准解

寻找第3种物质吸收掉有害作用，即引入一个元件吸收大电流。

方案一见图6。

MOS管检测到电流大于20 A时Q1开启，电流流过MOS管，从而避免大电流对继电器的伤害。

方案二：根据已有资源分析，与继电器串联在一起的还有MOS管。MOS管不存在继电器触点可靠性的问题，则可以应用MOS管在大电流时承受过大电流，可使继电器在没有电流时开启关闭，即电机转之前打开，电机停之后断开。由Q2控制电机的开启关闭，可以尽可能避免在继电器触点切换时流过大电流，提高继电器可靠性。

2.3.2应用技术冲突解决理论

NO.40应用复合材料：

可以采取一种新型的继电器材料，不会因为电流过大造成触点损害。

NO.35参数变化：

采取降额方法，提高降额等级。如原来最大电流为20 A，选取40 A耐受电流的继电器。

NO.10预操作：

同上述76个标准解的方案2，先开启继电器后流过大电流，先关闭大电流后关闭继电器。

3　最终问题解决方案

根据最终理想解的特点：

(1)消除原系统的不足之处；

(2)保持原系统的优点；

(3)没有使系统变得更复杂(采用无成本或可用资源)；

(4)没有引入新的缺陷。

对上述解决方案进行评价最终选取先开启继电器后流过大电流、先关闭大电流后关闭继电器的方式，由软件进行控制，即可以实现不需额外增加成本，满足最终理想解的特点。

方案为：由软件控制先开启继电器，后开启低边MOS管，此时电机回路未导通故不存在大电流情况，不会对继电器触点造成影响；先关闭低边MOS管，延时一段时间再关闭继电器，没有反向尖峰电流在继电器切换时流过触点。

4　分析方法综述

综上分析方法可通过图7所示流程图。

5　小结

运用 TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程，而且能够得到高质量的创新产品。基于TRIZ 理论，通过将实际电机驱动控制问题TRIZ化 ,依据阿奇舒勒矛盾解决矩阵及76个标准解得出多个解决方案，通过理想解的评价，快速选定解决方案，相对于传统的创新方法理论具有鲜明的特点和优势。

【1】曹福全.创新思维和方法概论[M].哈尔滨：黑龙江高等教育出版社，2009.

【2】创新方法研究会.创新方法教程(中级)[M].北京：高等教育出版社，2012.

【3】彭慧娟,成思源,李苏洋，等.TRIZ的理论体系研究综述[J].机械设计制造，2013(10):270-272.

【4】高常青.TRIZ：发明问题解决理论[M].北京：科学出版社，2011.

【5】杨清亮.发明是这样诞生的：TRIZ理论全接触[M].北京：机械工业出版社，2006.

【6】檀润华.TRIZ及应用：技术创新过程与方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

Innovative Design of EPB ECU Based on TRIZ

AN Shumiao，LIU Rengeng，LI Qi，ZHANG Ying，ZHAO Yujing

(R & D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Baoding Hebei 071000，China)

The current driver circuit of the EPB(Electrical Parking Brake) ECU is H-bridge driver，this way may need more cost，more PCB space. This way was changed to the relay switch and ASIC. It was found there was still a problem with the life time of the relays. Through analysis,it was found the essential cause that was the big current flowed over the relays, causing the lapse of the touch points of relays when they switched from on to off. Four solutions were gotten applying with TRIZ theory. The four solutions were judged with the characteristic of final ideally solution then the appropriate solution was found.

EPB ECU；H-bridge driver；Relay；TRIZ theory；Final ideally solution

2015-03-24

安淑苗(1984—)，女，本科，工程师，主要从事汽车电子硬件设计工作。E-mail：asm20040258@126.com。