新能源汽车制动系统解析(二)

◆文/江苏 高惠民

(接上期)

当驾驶员松开制动踏板后，真空助力器进入到回程阶段。从曲线来看，去程和回程的助力曲线不重合，相同的踏板力，回程曲线对应的制动主缸压力要大于去程曲线对应的制动主缸压力，这种现象称为真空助力器的迟滞现象。制动液压系统的迟滞和橡胶反馈盘的迟滞导致了这种现象的发生。同时，在去程和回程，由于零部件的运动方向发生了改变，摩擦力随着运动方向的改变而发生变化，同样也影响了迟滞。

回程曲线中，当主缸压力为0，没有输出力时，制动踏板力却不为0，该值被称为释放力。释放力的存在主要与各种弹簧的预紧力有关，与跳增值类似，一般要求释放力要大于30N。

(3)橡胶反馈盘变形状态

在助力过程中，橡胶反馈盘受到驾驶员踏板输入推杆的推力和伺服助力，定义输入推杆与橡胶反馈盘接触部分(内环面)为主面，伺服助力阀体与橡胶反馈盘接触部分(外环面)为副面，如图8所示。

输入力和伺服助力之间的大小关系将会影响橡胶反馈盘的变形形态，橡胶反馈盘在工作过程中可能会出现如图9所示三种不同的状态：输入力和伺服力相同，主面和副面的变形量相同，呈现自然状态；伺服力大于输入力时，副面位移超前主面位移，橡胶反馈盘呈现主面凸起状态；输入力大于伺服力时，主面位移超前副面位移，橡胶反馈盘呈现主面下凹状态。

影响输出力大小的，不仅有输入力，还有橡胶反馈盘主、副面的面积和位移差。在一个确定的机构中，橡胶反馈盘的主、副面的面积是一定的，改变输出力的大小，本质是要改变助力过程中主、副面位移差的变化，若助力过程中保持位移差不变，则线性助力段助力比保持一定，只是位移差越大的情况下输出力越大。对于电子机械制动助力器而言，我们无法通过控制驾驶员的输入力而控制橡胶反馈盘主面的位移，只能通过改变电机的伺服力矩来控制副面的位移，从而控制助力过程中主、副面位移差的变化，最终实现变助力特性。

(4)机电伺服制动助力器(iBooster)特性曲线

由于驾驶员早已经习惯真空助力器的制动踏板感觉，因此,根据真空助力器的助力曲线指导机电伺服制动助力器(iBooster)特性曲线的设计。理想的变助力特性曲线如图10所示。

图10中间曲线给出了常规型制动踏板感觉的去回程完整的助力特性曲线，并且将其作为助力器的基础助力特性曲线。由于舒适型和运动型去回程之间的迟滞现象和常规型的大致相同，同时为了绘图清晰，舒适型和运动型制动踏板感觉只给出去程助力曲线。

对于舒适型制动踏板感觉，驾驶员追求的是制动过程较为平顺，制动踏板感觉较“轻”，不需要较大的踏板力就可以实现汽车减速直至停车，反应在助力特性曲线上，跳增值较大，线性助力段的助力也比较大；而对于选择运动型制动踏板感觉而言，驾驶员在汽车制动过程中操作较为“粗暴”，踩下制动踏板的深度较大，制动踏板力更大，为了保证汽车制动过程的稳定性和安全性，制动踏板感觉应该较“沉”助力曲线具有较小的跳增值和较小的助力比。对比三种不同制动踏板感觉模式下的助力特性曲线，驾驶员踩下相同的制动踏板深度和相同的制动踏板力，舒适型助力特性曲线的主缸液压力最大，而运动型助力特性曲线的主缸液压力最小，常规型助力特性曲线的主缸液压力处于中间状态。对于这些助力特性曲线，iBooster都可以通过软件来设定。为满足整车厂平台差异化的要求，同一类型的iBooster可配置于同一整车平台的不同车型，以实现不同的踏板感。因此，主机厂可以通过快速地编制iBooster助力性能曲线程序。较容易地对其同平台车型选配不同的驾驶模式。从而驾驶员可根据喜好选择不同的制动踏板感。总结iBooster助力特性曲线各个特征阶段的特点、影响因素及调节措施如表4所示。

4.iBooster与ESP组合制动系统的应用

iBooster完善了博世模块化制动系统组合，使相应的制动系统能够根据所有车辆配置和客户要求进行量身定制。无论车辆大小和驱动技术如何，也不管车辆配备辅助功能的程度如何，都可选择标准的ESP与其组合(混合动力或电动汽车可与ESP hev组合)提供最佳的成本优化解决方案。

iBooster二代产品配备了ESP hev完成制动能量回收，ESP hev结构原理如图11所示。其内部结构与传统的ESP类似，只是在控制后轴回路的电磁阀中采用了PCR阀和SV阀。在100%再生制动期间，PCR和SV阀将会打开，以便将制动液引导回制动液储液罐，各个制动轮缸上没有作用液压。制动踏板感将由iBooster伺服力进行补偿。

如图12所示，iBooster与ESP组合制动系统架构分为电机再生制动系统和液压制动系统。电机再生制动系统的功能主要在车辆减速过程中，驱动电机转化为发电机将汽车的部分动能转化为电能储存于电池中，同时电机产生反向作用力矩通过传动系统传递到车轮提供制动力矩。液压制动系统主要制动主缸、制动轮缸、iBooster电子机械助力器、ESP液压调节单元组成，目的是控制流入制动轮缸的制动液流量，从而控制液压制动力。最终，电机再生制动力与液压制动力共同作用于车轮，为车辆提供制动力。电机再生制动与液压制动系统的控制器，包括了整车控制器、制动控制器、电机控制器、ESP液压单元控制器以及电池管理系统，各控制器的信息交互通过局域网络CAN进行传输。这些控制单元可以分为上层控制和下层控制两个部分，如图13所示。上层控制主要为对整车控制器、ESP液压单元控制器、iBooster控制器、电机控制器进行控制。下层控制主要是控制制动系统的执行机构，包括电机、ESP液压单元以及对整车的控制。

(1)再生制动

传统的真空助力器的液压变化只能在一定的范围内被控制，即跳增值区域，该区域内的制动力矩可以被能量回收系统撤销而不被驾驶员感觉到。对于制动液压超过跳增值的区域，能量回收系统的作用力引起制动液压的变化会被驾驶员感知而影响踏板感。因此在控制策略上只能实现小于0.2g减速度的再生制动能量回收。

iBooster与ESP系统组合使用时可实现最高达0.3g减速度的再生制动能量回收。这是由于iBooster能够根据ESP制动液压条件，通过软件控制随时调节iBooster的助力器伺服力。以此来保证在再生制动协调控制过程中的良好制动踏板感觉。实现制动踏板力与制动液压力完全解耦，与之iBooster动作可不受车辆减速度影响而调整踏板感，并在整个制动范围内传递一致的踏板感。如此高的制动能量回收水平使电动车辆的续航里程增加高达20%。用iBooster进行再生制动能量协调控制作用力的平衡关系如图14所示。

电机再生制动力分配控制逻辑如图15所示。有些情况下系统是不进行再生制动能量回收的。首先要判断车辆的运行状况，在制动时，当车速过小时，进行能量回收没有意义，则只进行液压制动；当车速较大时，判断其是否是紧急制动模式，紧急制动不进行能量回收，只采用液压制动。其他情况下，基于制动力分配算法，进入再生制动控制。

(2)ESP工作模式

ESP液压控制单元在制动系统中的作用就是对制动轮缸液压力进行动态调节，在再生制动力的基础上保证前后轮对液压制动力的需求。同时在制动过程中执行车辆防侧滑功能，保证车辆制动安全。

ESP液压系统工作模式有常规液压制动模式、前轴回馈制动模式(前轮驱动车辆)、防侧滑制动模式。主要控制过程就是对制动轮缸的增压、减压和保压。

①常规液压制动模式

在ESP常规液压制动模式中制动液流动如图16所示。此时所有电磁阀开关保持在默认状态，主缸制动通过旁通阀、增压阀进入制动轮缸，工作方式与传统液压制动相同。

②前轴再生制动模式

如上节所述，再生制动能量回收过程中ESP液压制动与电机制动具有耦合的过程的，在这一过程中，电机再生制动力是一个动态调节的过程，因此ESP液压制动力也应该随着电机再生制动力的变化进行动态调节。当再生制动力能满足前轴制动需求时，原来流入前轮轮缸的制动液通过增压阀、减压阀流入蓄能器，实现前轴制动轮缸没有液压制动力的需求。如图17所示。当电机再生制动力不能满足前轴制动需求时，制动液通过增压阀流入前制动轮缸提供液压制动力。具体的制动液流动如图18所示。由于电机再生制动力随着车速变化、制动强度变化等因素是变化的，因此，前轴的液压制动力也是一个变化的过程，当前轴需要的液压制动压强比主缸压强大时，泵电机开启运转，将蓄能器内的制动液增压流入前轴制动轮缸。总之，前轴根据制动需求及电机最大制动力由ESP调节耦合液压制动力,而后轴制动力始终由ESP液压单元提供。

③防滑移制动模式

当车辆发生纵向或横向失去稳定(车轮有抱死趋势或侧倾)倾向时，ESP控制单元会根据轮速传感器和横摆率传感器信号，计算车轮滑移率及车辆横向加速度，从而对制动轮缸的增压阀和减压阀的开闭进行动态调节，以此防止车轮抱死和车辆侧滑的发生，使车辆稳定行驶。

(3)驾驶辅助

iBooster还为驾驶辅助系统带来了很多的裨益。通过电机工作iBooster能够实现主动建压，而无需驾驶员踩下制动踏板，通过电子控制系统精确的调节，获得所需制动力的速度提高3倍，这对自动紧急制动系统是一个巨大优势。例如紧急情况下，iBooster可在约120ms内自动建立全制动压力。这不仅有助于缩短制动距离，还能在碰撞无法避免时降低撞击速度和对当事人的伤害风险。图19显示iBooter主动建压对比ESP单独工作建立的压力和流量关系曲线。此外，iBooster还能支持自适应巡航控制(ACC)模式，帮助驾驶员进行舒适制动直至车辆完全停止,而驾驶员几乎察觉不到振动和噪音。这对电动车来说具有十分显著的优势，因为环境噪声在这类车辆中对驾驶员干扰影响更加明显。

(4)未来导向

iBooster与博世的ESPhev液压单元结合，能够成为无驾驶员参与的全自动驾驶需要制动系统的失效冗余控制部件，这两种系统都能在制动器上直接进行机械推动，在整个减速范围内独立制动车辆。以确保整车制动时的失效安全，并且，自动驾驶提供冗余制动备份为操作/服务性数据系统，潜在用于性能更新(通过移动数据完成刷新)。

(未完待续)