EPB电子驻车制动系统设计开发

韩厚禄

（奇瑞捷豹路虎汽车有限公司上海分公司）

随着汽车电子技术的蓬勃发展，越来越多的电子技术应用到整车上。其中EPB（Electrical Parking Brake system）电子驻车制动系统是继ABS、ESC等系统之后的新兴的制动控制技术之一，适应了汽车智能化的技术发展趋势。EPB电子驻车制动系统的应用可以使汽车内部空间的利用和中央通道、脚部空间的设计具有更大的灵活性；由于取消了传统的机械驻车制动系统的手刹手柄、驻车脚踏板和拉索，简化了装配过程；提高了用户的舒适性和安全性[1]。当前EPB电子驻车以其舒适性、线控性等优势，装车比率大幅提升，已经成为驻车制动系统的发展趋势。目前国内对于EPB电子驻车系统的研究，大部分都在研究EPB卡钳夹紧力计算及法规符合性验证，而对EPB系统的控制策略、系统功能及性能要求、整车试验评价方法等方面内容的介绍文献资料较少，对其进行研究具有重要意义。

1 EPB系统架构

1.1 结构式样

根据EPB系统的ECU和执行机构的结构形式差异，EPB系统主要有3种结构式样，包括拉索式EPB系统、独立式EPB系统及集成式EPB系统，简单介绍如下：

1）拉索式EPB系统。与传统的机械手柄式、脚踏板式的驻车制动系统差别不大，主要是将原来机械式驻车手柄平衡块等更换为EPB开关和拉索控制模块，并且仍然保留了左右两根驻车拉索，分别与后轮左右后IPB机械卡钳连接。由于该系统存在拉索传动效率低、夹紧力小、动态响应速度慢等缺点，搭载的车型较少，不符合今后的技术发展趋势，已逐渐被市场淘汰。

2）独立式EPB系统。该系统方案取消了驻车拉索，执行机构为后轮的左右EPB电子卡钳，EPB电机直接集成在后卡钳上。系统采用一个单独的ECU作为EPB系统的控制模块，ECU通过信号控制EPB电子卡钳的夹紧或释放，从而实现车辆的驻车制动或解除的功能。

3）集成式EPB系统。相比独立式EPB系统，集成式EPB系统取消了独立的EPB ECU，将EPB系统软件集成到ESC控制模块内，整个系统的线束布置更加简单，有效减少了系统零部件的数量、线束长度及系统复杂度，减小了系统的失效概率，通信更快更安全，同时ESC系统和EPB系统也可以更好地协作[2]。

当前集成式EPB系统的典型的技术方案，主要有博世的APB-Mi系列、大陆MK100 IPB系列、TRW的EBC 460i系列等各大系统为代表的ESCi模块化产品（集成EPB控制模块），已经广泛地搭载应用在国内外各大主机厂的量产车型上[3]。如图1所示。

图1 EPB电子驻车制动系统示意图

1.2 系统组成

独立式EPB系统主要由ESC控制模块、EPB ECU、左右后EPB电子卡钳、EPB开关、IGN点火开关等组成。通过CAN总线与EMS发动机控制模块、TCU变速箱控制模块、组合仪表、网关及诊断模块DTC等进行信息通信。EPB系统组成如图2所示。

图2 EPB系统组成及原理图

1.2.1 EPB ECU控制器

EPB ECU控制器是独立式EPB系统的核心控制模块，它可以集成加速度传感器，也可以从ESC控制模块中获取纵向和横向加速度信号，2者之间通过CAN总线进行通信。EPB ECU由蓄电池直接供电，与EPB开关、Auto Hold开关、左右后EPB电子卡钳等零部件通过硬线连接，与其它控制器通过CAN总线进行信息通信。图3示出EPB ECU控制器的PIN脚定义的示意图。

图3 EPB ECU控制器PIN脚定义示意图

1.2.2 ESC控制模块

ESC控制模块是独立式EPB系统的关键控制模块之一，它通过CAN总线向EPB系统提供车速信号、前后车轮轮速信号、纵向加速度信号、坡度信号及ESC系统状态信号等。还可以与EPB系统联动，提供自动停车、紧急制动等功能。在集成式EPB系统方案中，则将前文所述的EPB ECU的控制软件、控制电路等集成到ESC控制模块中，由ESC控制模块负责ESC系统、EPB系统的运行。

1.2.3 EPB执行机构

左右EPB电子卡钳为EPB系统的执行机构，主要由直流无刷电机、减速机构、机械卡钳等部分构成。如图4a、4b所示。EPB电机通电，通过减速机构带动螺套与输出轴螺杆转动，推动螺套轴向移动，推动活塞压紧摩擦片，最终实现夹紧动作。EPB ECU全程对电机的电流进行监控，当电流升高到设定值后即达到所需夹紧力，切断电流。当制动卡钳释放时，电机反向转动带动螺杆螺套回位，电流到达设定值后，夹紧力解除[4]。

其中，减速机构按照结构形式分类，包括皮带传动及两级行星齿轮传动机构、齿轮传动及两级行星齿轮传动机构等，活塞顶出结构包括螺杆螺套及蜗轮蜗杆传动形式等。

图4c所示为EPB电子卡钳的夹紧力及电流曲线。EPB系统开发时，对EPB电子卡钳的夹紧力大小、EPB电机的驱动电流值大小、夹紧/释放的作动时间等关键参数，需要基于系统性能的开发目标，进行匹配选型及计算校核，实施台架性能试验及实车标定验证。

图4 EPB电子卡钳结构及性能曲线

1.3 EPB系统功能

根据不同的驾驶场景及应用工况，EPB系统除了可以提供常规的手动释放、自动释放及Auto hold自动驻车等静态功能之外，还可以提供ESC联动、后轮防抱死制动及降级制动等动态紧急制动功能，以及自动识别转鼓检测、自动调整间隙及系统诊断等辅助功能，极大地提高了驾驶舒适性，确保了车辆的行车及驻车安全。EPB系统功能如表1所示。

表1 EPB系统功能

2 EPB系统开发流程

EPB系统在设计开发时，各项功能需要考虑整车质量及前后轴荷分配、ESC系统及基础制动系统参数选型、对手件设计输入包括EPB开关、IGN点火开关、制动踏板、离合踏板、发动机控制模块EMS、变速箱控制模块TCU、组合仪表、网关和诊断接口等整车、电子电气架构及系统零部件等设计状态，进行系统开发。在新车型、新项目的EPB系统开发时，需要基于EPB系统的功能及性能要求、网络架构、CAN通信矩阵、诊断规范、通信协议及系统性能要求等设计输入，综合考虑ESC系统的开发进度，制定合理的开发周期及时间计划，开展EPB系统软件开发测试，实施“2次高附1次低附”路面的实车标定及量产软件的发布。EPB系统软件在项目开发过程中，应按时间节点及项目实际进度，逐步开发、冻结及释放不同版本的软件。包括确认通信规范、网络管理协议及诊断规范等，结合EPB电子卡钳的台架参数及HIL硬件在环仿真测试结果、EPB系统的实车标定结果等，逐步完善系统软件的标定参数及程序，确保最终释放的量产版软件的质量可靠性和系统稳定性。EPB系统软件开发流程如图5所示。

图5 EPB系统软件开发流程

实车标定时，可以基于EPB系统软件开发的成熟度，结合HIL台架仿真各项功能及模拟特定失效的台架测试结果，分别在夏季标定阶段及冬季标定阶段，验证实车在高附路面、模拟低附路面（夏季）、低附路面（冬季积雪路面、冰面等）、对开路面及对接路面的动态制动功能，验证夏季高温及冬季冰雪路面条件下的平地及坡道辅助起步、EPB系统各项功能表现等，标定并优化EPB系统的控制参数，验证系统控制逻辑，模拟通信信号、网络故障等在失效工况下的实车表现，确保系统稳定、安全可靠，并且性能表现满足设计要求。

3 EPB系统性能评价及验收

EPB系统开发时，在实车标定的性能评价、验收阶段，主要从系统的功能和性能2个方面进行试验评价及验收。其中，功能检查时，需要判断表1所示的各项功能的控制逻辑的设定及动作是否符合逻辑定义。EPB系统的性能验收时，结合前文描述，介绍其中的关键几项功能的性能指标要求。

3.1 静态坡道驻车性能评价

EPB系统的静态驻坡能力，涉及到的强制性法规主要有GB 7258—2012《机动车运行安全条件》、GB 12676—2014《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》、GB 21670—2008《乘用车制动系统技术要求及试验方法的要求》中对于驻车制动系统的要求[5-7]，文章在此不再赘述。

在标定试验及验收评价时，按法规要求及设计开发要求，分别在10%坡度、20%坡度、30%坡度或车辆可实现的最大驻车坡度的坡度，路面为干沥青路面或混凝土路面，将车头分别设置在上坡、下坡方向，车辆配重为满载状态下，制动系统分别为冷态及热态时，验证系统提供的坡道驻车能力。

制动系统在冷态条件下，踩下制动踏板，车辆保持静止，挡位设为N档，拉起EPB开关，松开制动踏板。要求停驻时间≥5 min。

制动系统在热态条件下评价驻坡性能时，需要驾驶员对车辆进行制动磨合，当制动盘温度达到300℃以上时，与冷态时的评价方法相同，分别在不同坡度的路面上进行驻坡能力的评价，要求停驻时间≥5 min。

3.2 自动释放性能评价

自动释放的性能要求如表2所示。

表2 自动释放性能要求

3.3 动态紧急制动性能评价

对于EPB系统的动态紧急制动功能，试验评价时的性能要求如表3所示。

表3 自动释放性能要求

4 结论

EPB电子驻车制动系统由于在舒适性、集成化、线控化等方面相比传统的机械式驻车制动系统具有明显的优势，当前在不同级别及价位的乘用车及轻型商用车产品上已经广泛搭载应用，是线控底盘驻车制动系统的发展趋势和主流方向。该系统属于车辆主动安全系统之一，在新项目新车型开发时也属于需要实施标定匹配的关键系统。文章结合项目经验，阐述了EPB系统的结构类型、系统零部件构成、系统各子功能的工作原理、性能要求等，介绍了EPB系统软件的开发流程及实车标定时的评价方法等，对于新车型的EPB系统设计开发，特别是对EPB系统的各项子功能的功能要求、性能评价等方面，具有一定的指导意义。