汽车电子液压主动制动系统和控制算法

王陆林，刘贵如

（1.奇瑞汽车股份有限公司 前瞻技术研究院，安徽，芜湖 241006；2.安徽工程大学 计算机与信息学院，安徽，芜湖 241000）

随着车辆先进驾驶辅助系统和智能车技术的快速发展，对制动系统提出了新的需求，如自适应巡航系统、自动启停系统、自动紧急制动以及智能驾驶系统均需要主动制动。目前针对主动制动系统的研发主要分为两大类：第一类基于传统真空助力器的改进，模拟人工制动过程，实现主动制动。具有代表性的有集成式电子真空助力器，王建强等对原真空助力器进行了改进，增加了电磁铁和套管对真空阀和大气阀进行控制，实现主动助力制动[1-4]。李文惠等[5]采用两位三通电磁阀间接控制真空腔、工作腔和大气之间的通断，实现主动助力制动。第二类是不借助于原车助力器，通过另外增加主动增压装置实现主动制动。主动增压装置的实现方式主要包括两种：第一种是电子液压增压，通过在制动主缸与ABS或ESP双输入管路上串联或者并联增压装置，原液压制动系统仍然保留，在主动制动系统失效的情况下，仍然能够实施人工制动。这种方式采用了较成熟的电子液压控制，可以实现压力的精确调节，可靠性高，但是保压时需要给相关电磁阀通电，文献[6]～[17]分别给出了典型的实现方案。第二种方式是电子机械增压装置，直接作用于液压主缸或者轮缸，文献[18]～[23]分别给出了典型的实现方案，该类方案由于电子机械增压装置实现精确控制难度大、可靠性差、成本高，还可能存在结构锁死失效的问题，保压时也需要给电机通电。以上两种主动制动方案由于电磁阀或者电机长时间持续工作发热，容易烧坏，所以无法实现长时间持续制动和保压来满足极端工况下的持续制动和电子驻车制动需求。

此外，在制动控制算法方面，制动力控制大多数采用压力闭环反馈，控制过程复杂[9-12]。在制动避撞过程中，均采用安全距离模型估计制动干预距离并实施制动[11]。在实际车辆运行工况下，由于行驶路面以及车辆制动系统性能方面的差异，导致最小安全跟车距离有时偏大或者偏小，既无法保证行车安全性，也不利于提高道路行车效率。

本文仅针对目前电子液压主动制动方案以及控制算法存在的不足，提出了改进的电子液压主动制动系统和控制算法，保留了原车双管路安全设计，将原常开减压阀替换为常闭减压阀，同时增加了自锁电磁阀，实现了任意时间保压。控制算法部分引入了预制动，结合双路增压和高压储能器，缩短了系统建压和减速度响应时间，通过基于距离和减速度的双闭环最小安全跟车距离控制算法，保证了制动的平顺性、行车安全性以及道路行车效率。

1 典型的电子液压主动制动系统

在原车液压制动主缸和ABS或ESP之间连接的双路液压管路上增加梭阀，同时并联一路或者两路液压增压装置实现主动制动，该方案通过梭阀能够实现在人工制动和主动制动模式之间自动切换。当工作在主动制动模式时，梭阀在主动增压管路的压力下滑向原车制动主缸管路端，常闭增压阀和常开减压阀与原车ABS或ESP的双输入管路通过梭阀进行连接[6]。当工作在人工制动模式时，梭阀在制动主缸液压的压力下滑向主动增压管路端，制动主缸和原车ABS或ESP双输入管路连通，子缸中的油液在人工和真空助力的作用下直接进入ABS或ESP管路，实现人工制动。文献[6]～[7]采用的就是这种方案，其典型结构及原理如图1所示，保留了原液压制动系统ABS/ESC功能，只需开发主动增压和压力调节部分，工程化应用开发难度低。液压增压部分由直流无刷电机驱动液压油泵将制动液从主缸（或者油箱）泵到高压储能器中，中间连接的单向阀用于防止油液回流。为了缩短制动响应时间，系统需要预建压，保证储能器内液压保持一定的压力，液压压力传感器用于液压力反馈，同时溢流阀也能够将液压力控制在一定范围内，防止过压损坏或者压力过大导致油液泄露[7]。压力调节部分主要由两个高速开关阀组成，增压阀为常闭高速开关阀，减压阀为常开高速开关阀，增压阀连接压力源（高压储能器）和压力输出管路，减压阀连接压力输出管路和油箱。增压和减压阀通过PWM进行控制，通过调节PWM的占空比调节阀门的开启时间[8]。当需要增压时，增加增压阀的开启时间；当需要减压时，增加减压阀的开启时间。通过控制增压阀和减压阀的开启时间就可以实现对输出压力的调节和控制。

图1 典型电子液压主动制动系统结构

当主动制动处于增压阶段时，常闭增压阀开启，常开减压阀关闭，液压泵产生的压力源经过增压阀进入ABS或ESP双路输入管实现增压。当主动制动处于减压阶段时，常闭增压阀关闭，常开减压阀开启，使管路油液可以通过减压常开阀回流到主缸进行减压，减压过程中可以通过调节控制常开阀的PWM占空比调节常开阀的开启时间。当需要保压时，常闭增压阀关闭，常开减压阀关闭[9-10]，两路常开阀关闭实现管路压力保持。

该方案面向从事ADAS系统和智能车研发的科研机构和整车企业以及IT企业，在不具备ABS或ESP开发能力或者不计划投入资金重新开发制动系统的情况下，保留原车ABS或ESP系统，在制动主缸和ABS或ESP之间的双输入管路上并联或者串联电子液压增压装置，实现线控电液主动制动，是一种最佳实现方案。可以提供主动制动和人工制动两种模式，但是也存在以下缺点：（1）ABS/ESP双管路共用一路增压管路即一个增压阀，会导致管路建压和减压时间延长，同时也破坏了主动制动时两路管路的独立安全设计。（2）梭阀存在漏油或者减压时滚珠位置无法预测的风险。（3）减压阀采用常开阀虽然能够保证制动结束后，制动轮缸液压力完全释放以及人工制动的有效性，但是在主动制动模式下，需要给常开减压阀通电才能保压，如果需要长时间保压将会导致电磁阀过热烧坏，无法满足极端工况下的长时间制动需求。

2 改进的电子液压主动制动系统

在目前的并联式电子液压主动制动系统（图1）的基础上，提出了一种改进的电子液压主动制动实现方案。

本方案的系统结构及工作原理如图2所示。

图2 改进的电子液压主动制动系统结构

针对图1所示的方案存在的问题，进行了以下改进：（1）为了保留原车ABS或ESP双路独立的安全设计，另外增加了双路常闭高速开关增压阀和双路常闭高速开关减压阀，保证了ABS或ESP双路输入管路的独立性，同时也缩短了管路建压时间。为了进一步缩短建压时间，保留了高压储能器。（2）取消了梭阀，在主动制动失效或者人工制动时，可以通过增加的两路常闭减压阀通电开启以及将增加的自锁电磁阀开启，保证主缸和ABS或ESP双输入管路的畅通，克服了采用梭阀带来的风险。（3）将常开减压阀替换为常闭减压阀，这样当主动制动系统需要长时间保压时（常闭增压阀关闭），可以通过给常闭减压阀断电实现任意长时间保压，克服了图1所示的典型方案中常开减压阀需要上电保压，持续时间较短的问题。但是本方案采用常闭减压阀导致了两个新的问题：（1）制动结束后，主缸制动液压力无法完全释放。（2）人工制动模式下，主缸和ABS或ESP之间两输入管路由于常闭减压阀无法长时间通电保持导通，所以无法实现人工制动。通过给两个常闭减压阀分别并联一个带自锁功能的电磁阀（下文简称自锁电磁阀），该自锁电磁阀能够在掉电情况下保持开启，主缸和ABS或ESP之间双输入管路导通，从而保证主缸液压压力完全释放和人工制动的有效性，解决了以上两个问题。

自锁电磁阀在常闭阀的基础上增加了电控自锁机构，其工作状态及原理如图3所示。

自锁电磁阀的开启过程为：给自锁机构线圈通电，在磁力的吸合下，磁芯处于吸起状态，自锁机构解锁，然后给电磁阀通电并保持短时开启状态（开启时间小于100 ms），如图3a所示。然后给自锁机构线圈掉电，磁芯在弹簧力的作用下处于自锁状态后，再给电磁阀掉电，由于自锁机构的限位作用，阀芯在电磁阀线圈掉电的情况下也无法在电磁阀复位弹簧的作用下复位，即在掉电的情况下，仍然能够保持阀门处于开启状态，如图3b所示。

自锁电磁阀的关闭过程为：先给电磁阀线圈通电，使阀芯被吸合，保证自锁机构的磁芯销和阀芯之间无摩擦，然后再给自锁机构线圈通电，自锁机构处于解锁状态，如图3a所示。电磁阀线圈掉电，阀芯在电磁阀复位弹簧的作用下自动复位到关闭状态，如图3c所示。然后自锁机构线圈掉电，如图3d所示。

图3 自锁电磁阀的4种工作状态

当系统进入主动制动模式时，两个常闭高速开关增压阀开启，两个常闭高速开关减压阀和自锁电磁阀均关闭。高压储能器的高压油液瞬间通过增压阀进入ABS或ESP双输入管路，产生制动力。当在主动制动过程中，本系统接收到上层控制算法发出的人工制动请求或者捕获到人工踩踏了制动踏板时，系统自动从主动制动模式切换到人工制动模式。切换过程为：两个常闭高速开关增压阀和减压阀均关闭，自锁电磁阀开启，制动主缸和ABS或ESP双路输入管路连通，子缸中的油液在人工和真空助力的作用下直接进入ABS或ESP管路，实现人工制动。

当主动制动失效的情况下，系统可以通过两种冗余的方式自动切换到人工制动模式：（1）将常闭减压阀通电开启（人工制动在设定时间内有效）。（2）将并联的两个自锁电磁阀开启（人工制动持续有效）。两种冗余方案均能够保证在主动制动失效的情况下，人工制动的有效性。

本方案没有将常开增压阀直接替换为自锁电磁阀，避免了自锁机构线圈在自锁电磁阀高速开关工作过程中持续通电可能烧坏而带来的风险。

自锁电磁阀目前也有成熟产品，如果性价比高，且能满足本方案的需求，可以直接采用，本文只给出了一种原理示意图。电磁铁的控制也比较简单，只有两种状态，置位和复位，只需要配合电磁阀实现自锁保持即可。此外，鉴于该方案具有掉电制动保压功能，所以该方案还可以实现电子驻车功能，包括坡道起步辅助以及自动驻车。

3 储能器建压和主动制动控制算法

针对目前电子液压主动制动系统控制算法自身以及在工程应用中存在的不足，提出了系统高压储能器建压控制算法和系统应用中实施主动制动的控制算法，并进行了实际应用测试和验证。

3.1 储能器建压控制算法

本系统采用储能器提前建压，缩短了系统建压时间。当需要制动时，储存的能量迅速释放，瞬间产生制动力[9]。目前大多数主动制动系统，储能器的建压采用纯液压压力闭环进行建压控制[24]。该方法虽然能够准确控制目标压力值，但是控制过程复杂，再加上液压力平衡的滞后性和不稳定性，导致调压周期长，容易出现振荡[25]，实时性差，尤其在需要持续制动的应用场景中，无法及时迅速地补给储蓄的液压能量，导致制动系统响应时间较长。针对当前控制算法的不足，以及高压储能器并非目标压力，控制在一定范围内，不需要特别精确的特性，提出了目标压力预估和压力反馈相结合的储能器建压控制算法。目标液压压力预估方法包括持续工作时间估计法和液压泵电机旋转圈数估计法。根据估计参数控制电机，使高压储能器内液压压力达到预设的目标工作压力，在控制过程中，通过液压压力传感器实时反馈并监控建压情况，接近目标压力区域时，停止建压。假设V为储能器的工作容积，能够满足一次制动所需要的制动液容积；Q为液压泵单位时间内的工作流量，则液压泵电机持续工作时间t的计算公式为[12]：

其中V和Q的计算公式为[12]：

式中：V0为储能器的公称容积；P1为充气压力；P2为储能器最低工作压力；P3为储能器最高工作压力；n为恒温指数；Pm为泵电机的额定功率；ηm为泵电机的效率；ηh为液压泵的效率；Po为目标管路压力。

假设D为液压泵的排量，rm为泵电机的平均转速，则t还可以通过以下公式计算：

通过式（1）或式（4）可以大致估计得到液压泵持续工作时间，通过控制电机的持续工作时间，并根据储能器液压力传感器的实时反馈，进行液压力控制，控制模型如图4所示，其中P为压力反馈值。

图4 基于电机工作时间的储能器建压控制模型

假设nm为电机持续工作时间内的转动圈数，则nm的计算公式为：

通过式（5）可以计算出电机转动圈数，并通过电机编码器进行计数，控制储能器的目标压力，同时根据储能器液压力传感器实时反馈值P进行液压力控制[13]，控制模型如图5所示。

图5 基于电机转动圈数的储能器建压控制模型

储能器建压控制流程如图6所示，S为设定的压力状态改变门限值。

当反馈压力大于目标压力或者差值小于S时，状态保持，否则进入建压状态[14]。

图6 储能器建压控制算法流程图

3.2 主动制动控制算法

目前大多数的主动制动系统控制算法仅包括管路液压压力控制算法，即根据上层控制算法提出的目标液压压力进行压力闭环控制，与上层控制算法如避撞算法没有更多的交互，彼此隔离。压力闭环控制导致压力控制过程复杂，响应时间长，所以在实际应用过程中很难得到很好的减速避撞效果。

针对制动管路液压压力控制，普遍通过控制增压和减压高速开关电磁阀的开启时间，进而控制进入和流出双管路的制动液流量，达到调节管路压力的目的。采用简单的开关控制无法精确控制流量，目前普遍采用PWM信号进行控制，PWM高电平将电磁阀开启，制动液在压力差的作用下进入主缸，PWM低电平间隙，主缸中的制动液压力会达到稳定状态。然后通过在液压主缸或者轮缸上增压的液压力传感器进行压力反馈，由于油液具有弹性和滞后性，压力PID闭环控制很容易形成振荡[11]，所以液压压力闭环控制过程复杂而不实用，并且响应慢。驾驶员在实际制动过程中并不关注主缸或管路液压压力，而是通过控制车辆的制动减速度和目测与前方障碍物的相对距离，不断调节踩踏制动踏板的力，控制车辆的制动减速度，从而实现最小跟车距离的控制。本文借鉴以上人工制动过程，将制动力控制过程与避撞或跟车控制过程相结合，提出了基于减速度和最小跟车距离的双闭环制动控制算法。

假设Dr和vr分别为根据雷达和视觉检测前方障碍物的相对距离（单位为m）和相对速度（单位为m/s）；ab_o和ta_o分别为本车（目标）制动减速度（单位为m/s2）和响应时间（单位为s）；ab_o为本车制动时与前车安全距离实时估计值，m；vb为本车实时车速，m/s；ab为本车制动减速度实时反馈值，m/s2；PWM1为控制电磁阀开启时间的占空比；PWM2为控制泵电机运行时间的占空比，则双闭环制动控制模型如图7所示。

图7 基于距离和减速度的双闭环制动控制模型

双闭环外环控制实现最小安全跟车距离的闭环控制，其控制算法运行流程如图8所示。

图8 最小安全跟车距离闭环控制算法流程

假设d为本车和前车最小安全跟车距离，m。根据vr、vb和ab实时估计D，根据Dr与D的偏差，不断调整ab_o，实现最小安全跟车距离的精确控制。

前车静止工况下本车与前车最小安全跟车距离D的估计公式为：

前车减速行驶工况下本车与前车最小安全跟车距离D的估计公式为：式中：t为雷达和视觉传感器检测周期，s；vf为前车车速，m/s；af为前车制动减速度，m/s2。式（6）和式（7）中相关参数初始值的确定：ab，af取值范围为3.0～9.6 m/s2，轿车的制动减速度典型值为5.6 m/s2；卡车的制动减速度典型值为3.6 m/s2，d的取值范围为1～2 m。af无法准确测量也无法控制，可以根据视觉感知系统进行初步判断后预设初值。ab可测量，本文提出的控制方法主要通过动态调节ab实现最小安全跟车距离d的精确控制。

双闭环内环控制算法实现制动减速度闭环控制，其控制算法运行流程如图9所示。

图9 制动减速度闭环控制算法流程

系统上电后，首先执行主动增压，通过液压传感器压力反馈值进行故障自检，然后通过捕获制动踏板位移或者开关信号判断是否进行了人工制动干预，如果人工干预，则进入人工制动模式。否则循环等待直到上层发出主动制动请求，系统进入主动制动模式，根据上层感知系统和控制策略算法需要的目标制动减速度ab_o和响应时间ta_o进行减速度的PID闭环控制，根据ab与ab_o的偏差以及响应时间ta，不断调整控制电磁阀和电机的PWM1和PWM2，调整电磁阀的开启时间和电机的转速/输出转矩，调整双管路液压压力，实现减速度ab的精确控制。内环和外环控制算法可以集成在制动系统软硬件平台上运行，也可以分开在不同的平台上运行，之间通过CAN或者其它通信方式进行实时交互。

本文将应用系统上层控制算法和本制动系统控制算法相结合，通过最直接的减速度和最小安全跟车距离的闭环控制进行集成融合，既取代了复杂的制动管路液压压力闭环控制，降低了控制的复杂度，缩短了响应时间，也保证了制动的平顺性和舒适性。同时，通过实时调节本车制动减速度，控制与前车的最小安全跟车距离，克服了行驶路况以及制动系统性能差异导致制动干预距离估计偏大或偏小的问题，实现了最小跟车安全距离的精确控制，既保证了行车安全性，也提高了道路行车效率。

4 验证与结果分析

对本系统储能器建压时间、储能器补能时间、液压管路建压时间和压力控制精度进行了台架测试。对制动减速度响应时间以及控制精度在干燥的一般沥青路面上进行了实际动态测试。

4.1 液压建压时间测试与分析

本系统储能器的工作容积V为100 ml（物理容积为30 ml），最高压力20 MPa，液压泵单位时间内的工作流量Q为500 ml/s。为了避免电流过大，采用了48 V直流电机，功率为150 W，实验室台架测试结果如图10所示。

图10 储能器建压时间响应曲线

储能器从0 MPa建压到10 MPa和16 MPa的响应时间为520 ms和837 ms，控制精度±0.15 MPa，压力控制比较平稳。储能器初始建压时间虽然较长，但是可以通过提前建压完成，不影响制动系统响应时间。在实际工程应用过程中，影响系统响应时间的是储能器能量补充所需时间，设定储能器压力范围为14～16 MPa，当压力小于14 MPa时，立即补充。14 MPa到16 MPa的建压时间为106 ms，测试结果如图11所示。补能时间小于液压管路10 MPa的建压时间170 ms（见4.2节），可以满足制动过程中及时补能的时间响应要求，不影响系统持续制动。

图11 储能器补能时间响应曲线

4.2 制动性能及响应时间测试与分析

本系统采用压力反馈的储能器压力闭环建压方式进行建压，在实施主动制动时，高压储能器可以大大缩短建压时间。但是在实时制动过程中，如果仍然采用液压力闭环控制，则本系统需要不断根据上层控制算法提出的目标压力进行PID闭环调节，液压力的滞后性与压力传感器反馈值的误差和不稳定性会导致压力调节易出现振荡，调节过程复杂，并且耗时较长。本文根据实际工程需要，提出了基于车距和减速度双闭环控制的最小安全跟车距离控制算法，和上层控制算法之间通过目标减速度和响应时间进行交互。本系统结合前方障碍物检测雷达传感器和视觉传感器，在进行预警干预时，提前实施预制动，同时结合高压储能器，大大缩短了制动管路压力。假设测试台架管路压力用Pg表示（测试台架为了测试管路10 MPa的建压时间，加装了压力传感器），台架测试结果如图12所示，达到10 MPa制动管路压力的响应时间约170 ms，能够满足紧急制动要求。

图12 制动管路建压时间响应曲线

本系统在实际装车和工程应用时，取消管路液压压力传感器，采用更直接的制动减速度闭环控制取代复杂的管路液压压力闭环控制。在干燥的一般沥青路面上对本制动系统及其控制算法进行了实车动态测试，结果如图13所示。

达到9 m/s2的制动减速度响应时间为180 ms，与目前无高压储能器和预制动的系统或者通过增压系统直接增压的响应时间相比，缩短了约340 ms，减速度调节精度为±0.1 m/s2，减速度调节响应时间为25 ms，减速度上升过程比较平稳，响应快，能达到较稳定的最大减速度，制动过程中本车制动减速度时间响应曲线如图13a所示。在车辆制动减速过程中，车速呈线性下降，制动平顺性和舒适性较好，本车车速变化曲线如图13b所示。

图13 本车制动减速度时间响应和车速变化曲线

4.3 制动控制算法应用测试与分析

根据本文提出的基于双闭环的最小安全跟车距离控制算法，开发的智能自动跟车系统，在前车静止和减速运行工况下进行了实际场景测试。兼顾行车安全和道路行车效率，在实际应用中，最小安全跟车距离d的理想值为1～2 m内。当两车距离由远而近时，距离越近，相对车速越小，最小安全跟车距离越容易控制。

本系统通过视觉和雷达系统实时检测本车和前车的相对距离Dr，并实时调整本车的目标制动减速度ab_o，保证了本车车速vb为0时，和前车的最小安全跟车距离d保持在1～2 m范围内。为了确保测试的安全性，在测试时将式（7）和式（8）中的d值设定为6～7 m，测量的d值减去5 m作为实际控制的最小安全跟车距离，本车与前车的最小安全跟车距离采用激光测距仪进行实时跟踪测量。

4.3.1 前车静止工况下的测试与分析

在前车静止工况下，本自主跟车系统在多次接近前方静止车辆的过程中，记录了20次（每个初始车速测试4次）最小安全跟车距离d，测试数据见表1。由表1可知，最小安全跟车距离控制精度高，具有很好的鲁棒性，不依赖于初始车速，最小安全跟车距离的控制不受初始车速的影响，克服了本车在不同车速下，最小安全跟车距离偏大或者偏小的问题。

表1 前车静止工况下最小安全跟车距离实测结果

4.3.2 前车减速运行工况下的测试与分析

在前车减速运行工况下，本自主跟车系统在多次接近前方减速车辆的过程中，记录了20次（每对初始车速测试4次）最小安全跟车距离d，测试数据见表2。前车在减速运行工况下，由于采用了最小安全跟车距离的闭环控制，所以克服了安全距离估算时前车制动减速度无法预知所带来的问题。由表2可知，在本车和前方车辆均处于减速运行工况下，本车和前车相对速度小于等于0时，最小安全跟车距离均保持在1～2 m范围内，表现出了较稳定的控制效果。克服了本车和前车在不同初始车速下，最小安全跟车距离偏大或偏小的问题。利用常闭减压阀的掉电关闭功能，实现了不限时长时间保压功能，满足了长时间制动和自动驻车需求，解决了车辆无电子驻车制动无法实现自动驻车的问题。

表2 前车运行工况下最小安全跟车距离实测结果

本研究将主动制动系统和最小安全跟车距离闭环控制相结合，不仅保证了行车安全，提高了道路行车效率，同时也降低了制动系统控制的难度，车辆制动减速过程中，表现出了较好的平顺性和舒适性，具有很好的实用性。

5 结论

（1）本文将常用的常开减压阀替换为常闭减压阀，并引入了自锁电磁阀，实现了掉电任意长时间的压力保持和电子驻车，并且可以在主动制动和人工制动模式间自由切换。

（2）采用高压储能器、双路增压以及预制动，大大缩短了系统制动响应时间，双管路上10 MPa的建压时间仅为170 ms，解决了目前电子液压主动制动系统响应慢（约500 ms）的问题。

（3）针对实际工程应用，提出了基于距离和减速度双闭环控制的制动控制算法，与目前常采用的液压压力闭环控制算法相比，运行效率更高，响应更快。在干燥沥青路面上，9 m/s2减速度响应时间仅为180 ms，在保证制动平顺性的同时，还有效提高了车辆行驶安全性和道路行车效率。