汽车电控液压制动系统的分析

宋森

摘要：面临日益复杂的交通安全环境，短距离停车、保持行驶的稳定性显得尤为重要。为了进一步了解汽车在行驶过程中的制动安全性能和响应速度，本文对制动力更加精准的线性制动系统——电控液压制动系统进行了研究。从系统的结构原理、组成部分的功能、工作模式等方面入手，对其优势和设计要求进行了深入的探究，并以主要零部件的液压特性为参考，构建了系统的动力学模型，对整个制动系统的性能进行分析研究。

Abstract： Facing the increasingly complex traffic safety environment，it is particularly important to stop for short-distances and maintain driving stability.In order to further understand the braking safety performance and response speed of the vehicle during driving，this paper studies the electronically controlled hydraulic braking system， which is a more accurate linear braking system with more accurate braking force. Starting from the structural principles of the system，the functions of the components， the working mode， etc.，this paper makes an in-depth exploration on its advantages and design requirements，Taking the hydraulic characteristics of the main components as a reference，a dynamic model of the system is constructed，and the performance of the entire braking system is analyzed and studied.

关键词：电控液压制动;系统性能;主动安全性

Key words： electronically controlled hydraulic brake;system performance;active security

中图分类号：U472.43                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0057-03

0  引言

作为衡量汽车在行驶过程中一项最重要的指标，汽车制动性的好坏直接关系到人们的生命财产安全。以往设计制动系统时，应用的是双液压回路法。近年来，电控功能有所增加，目前应用最为广泛的如：ABS（汽车制动防抱死系统）、ARS（汽车驱动防滑系统）和ESP（车身电子稳定系统）等。伴随着交通环境的愈发复杂和人们安全意识的提升，进一步改善制动性能，得到更快的响应速度，人们将目光瞄准向更加精准的电控液压制动系统。电控液压制动（Electro hydraulic brake），简称EHB，属于线控制动，控制力上也有所提升，对每个车轮都有独立控制力，从思维理念上也突破了传统液压制动系统的束缚，在设计时取消了真空助力器，取消了制动踏板和车轮制动器的机械连接或液压管的连接，结构得到了有效的精简，直接将驾驶者的制动信息通过传感器传递到电控单元，然后驱使相应的执行机构产生制动力，且易于实现对制动能量的回收，因此拥有较好的应用前景。

1  控液压制动系统的结构和工作原理

1.1 电控液压制动系统的结构

电控液压制动系统主要由三部分构成，如图1所示，分别为踏板感觉模拟器（Pedal feel emulator简称PFE），液压控制单元（Hydraulic control unit，简称HCU）和电控单元（Electro control unit，简称ECU）。其中制动意图及输入功能由PFE完成，数据处理及发出执行指令主要由ECU完成。

踏板感觉模拟器的构造如图2所示。踏板感觉模拟器能够精准地捕捉到驾驶人员的制动意图，并为驾驶人员提供与传统制动类似的踏板反馈力和行程感受。其中踏板是驾驶员实施制动意图的物理单元;制动主缸形成制动液回路;踏板行程传感器用来收集驾驶人员的制动意图等等。

液压控制单元的构造如圖3所示。液压控制单元主要负责的是信号的收集与传送，对系统发出相应的指令，以及保持与其他电控单元的数据通信，分析计算，实现对汽车的主动控制。其中电动机和液压泵确保高压蓄能器能建立起制动压力，有足够的制动力;高压蓄能器提供制动压力源;单向阀起到保护电机的作用，保证制动液只能单向流动，不会反方向流向电机。安全泄压阀的作用是调节高压蓄能器内的压力，保护系统的压力在安全的范围;BV（平衡阀）设置在同轴左右车轮之间，用来保证制动时车辆直线行驶的稳定性。

1.2 电控液压制动系统的工作原理

电控液压制动系统工作原理如图4所示。当电控液压制动系统正常工作时，切换阀处于关闭状态。增压时，打开进油阀，制动液流入制动轮缸后，再关闭出油阀。减压时，打开出油阀，制动液流入回油杯，再关闭进油阀。保压时，进油阀和出油阀都不会开启，若想对轮缸压力进行独立的把控，需要关闭平衡阀，开启或关闭相对应的进、出油阀即可。需要注意的是，各阀门在开启或关闭时，蓄能器的压力值必须处于安全范围。当电控液压制动系统出现故障时，系统内的电磁阀均恢复初始状态，驾驶人员可利用制动踏板，完成液压油由制动主缸流入轮缸的工作，借助传统液压制动方式进行应急制动，提升行车安全性[1]。

2  电控液压制动系统的优势和设计的要求

2.1 电控液压制动系统的优势

和传统的液压制动系统相比较，电控液压制动系统不管是从结构上，还是性能上都有了很大的改进。一是系统结构上取消了真空助力器，不仅安装所需空间更小，而且不受发动机的转速和负荷、真空度的影响;二是系统不仅提升了响应速度，而且在短距离制动停车、保持行驶的稳定性方面也有了很大的改善，在四轮制动力的分配上有很大的自由度;三是系统针对传统系统由于制动摩擦片磨损导致制动力不足的情况，部件的机械特性变化可由控制算法进行补偿，改变制动力以保证良好的制动效果;四是系统操作起来较为舒适，如：统计驾驶人员的操作习惯，仅通过更改控制算法和踏板感觉模拟器就可以给驾驶人员不同的踏板感觉。对驾驶人员友好;五是系统有更高的安全性，当系统失效时，制动主缸内的制动液还能由驾驶人员踩下制动踏板推动，然后经管道和切换阀进入到制动轮缸。六是系统较容易实现制动能量的回收，可以降低能耗[2]。

2.2 电控液压制动系统的设计要求

根据电控液压制动系统的原理，在设计系统的结构时，应考虑以下的要求：

①可靠性。能够在短距离进行制动停车是系统最本质的要求，当制动命令由驾驶人员发出，制动踏板的传感器及时采集信号并传递给ECU，ECU判断制动有效的同时计算出制动所需压力，控制制动液进入制动轮缸产生相应的制动力。

②稳定性。车辆在行驶时产生制动，除了需对各车轮进行独立控制的工况外，大多数的情况下都应保持同轴两侧的车轮的平衡，保证车辆制动时直线行驶的稳定性[3]。

③实用性。应尽量简化系统的结构，避免对整车的通过性以及成本、维修等方面产生较大的影响。同时，要考虑到与传统ABS等系统的兼容性。

④精确性。确保良好的制动效果，可以从硬件方面出发，选用精度较高的阀来控制制动液的流量，选用计算能力高和处理速度快的电子控制单元等等，达到精准、快速的控制。

3  构建主要液压元件的动力学模型

电控液压制动系统在结构上具有非线性的特点，因为在制动过程中，主要表现为制动液压力和流量发生变化，为了更加准确的掌握其动态性能，以主要零部件液压特性为入手点，建立系统增压、减压时应用到的动力学微分方程。

从系统的工作原理可知，在系统增压时，液压油会从高压蓄能器途径油管、油阀，最终流动到制动轮缸，减压时的流动路径则正好相反。将油管压力损失这一影响因素排除，对液压油流经的部件的液压特性进行建模[4]。

①蓄能器：系统使用的蓄能器一般是气囊式，其结构如图5所示。蓄能器主要是由两部分构成——上部的气腔和下部的液腔，气腔充入的都是惰性气体，常见的如氮气，很难进行化学反应，保证了系统的安全和稳定性。

工作原理：当系统接收到制动命令的时候，电动泵将制动液输入到蓄能器的液腔中，会对气腔的体积产生压缩;当制动命令取消时，制动液流出蓄能器的液腔，气腔的压迫力也随之减少直至消失，体积也会相应的增大。因此，我们可以看出，蓄能器的工作过程主要涉及到体积的变化。[5]

式（1）中：Q为蓄能器的实际流量，V为蓄能器气体的体积。

系统处于增压状态时，液压油数量会有所减少，蓄能器气室体积变大，压力值随之减少，可以将此种情况当做气体绝对热膨胀过程。由气体定律可知：

式（2）中，Pg代表蓄能器气室的压力，Vg代表气室体积，r代表等熵指数，P0代表进油阀关闭时，蓄能器气室内部的压力值，V0代表进油阀关闭时，蓄能器的气室体积。

将蓄能器内的弹簧力忽略不计，假设Pg和蓄能器液压压力相同，Vg=V0+液压油减少体积，因此可以用以下公式来表达蓄能器压力和液压油平均流速的关系：

公式（3）中，PA代表蓄能器压力，q代表液压油平均流速。

②在电控液压制动系统中所使用的进/出油阀由PWM（Pulse width modulation脉宽调制）信号控制。以开关阀的节流特性为参考依据，计算液压油从高压端向低压端流动时应具备的流量特性，并满足以下方程：

其中，Q代表节流孔中液压油的实际流量，C代表节流孔的流量系数，A代表节流孔的流通截面积，？驻p代表节流孔两端的液压差值，？渍代表节流孔节流指数。

③制动缸轮：将油管、轮缸缸体在车辆运行过程中产生的弹性变形忽略不计，用以下方程式来表达轮缸压力及液压油流量变化时的连续性。

其中，K代表液压油体积模量，V代表油管体积总和，PW代表制动轮缸压力。

电控液压制动系统在制动时可以分为增压、保压以及减压三个阶段，如图6所示，我们可以从制动液的流动来判断制动的情况。当系统处于增压阶段时，制动液会从高压蓄能器的液腔流出，气腔体积也随之增大，制动液然后通过制动管路进入制动轮缸，为制动轮缸提供相应的制动压力，流入的制动液越多，增加的制动压力也越多;当系统处于保压阶段时，由于阀关闭，制动液无法流动，液腔和气腔的体积保持不变，轮缸压力也就不会发生变化;当系统处于减压阶段时，制动液会从制动轮缸流出，重新流入到蓄能器的液腔，气腔的体积随之减少，轮缸的制动压力减小，流出的制动液越多，减少的制动压力也越多。

由式（3）、（4）、（5）可知，系统在增压时，其动力学微分方程为：（6）

假设，油杯内的恒压源与大气相通，由公式（4）、（5）可知，系统在减压时，其动力学微分方程为[6][7]：

4  结束语

在提升汽车制动过程安全性方面，电控液压制动系统是目前最有前景的研究方向，优化了传统制动系统的结构，改善了控制性能，制动反应更快，与此同时，与液压控制相关技术的研究也是日趋成熟。本文对电控液压制动系统的工作原理和结构进行了详细的介绍，并对其主要液压组件进行了分析，使得我们对整个制动系统性能有了更深的了解。当然，其在运用过程中也存在着各种各样的问题，后面也需要我们围绕此展开更深入的研究。

参考文献：

[1]林少伟.汽车电控液压制动系统动态性能分析及试验研究[J].内燃机与配件，2020（05）：85-86.

[2]纪世才.汽车电控液压制动系统动态性能分析[J].中国物流与采购，2019（04）：54.

[3]鹿敬必，王興良.研究汽车电控液压制动系统动态性能[J].中小企业管理与科技，2016（04）：179-180.

[4]杨保香，韩斌慧.汽车电控液压制动系统控制策略模型及仿真研究[J].自动化与仪器仪表，2017（03）：87-90.

[5]郭孔辉，刘溧，丁海涛，等.汽车防抱制动系统的液压特性[J].吉林工业大学自然科学学报，1999（4）.

[6]韩龙.乘用车EHB液压特性建模及车辆稳定性控制算法研究[D].长春：吉林大学，2008.

[7]袁朝春，范兴根，袁慧颖，陈龙，等.智能汽车并联电控液压制动系统设计与试验[J].农业机械学报，2017，48（05）：369-376.