集成式电液制动检测系统研究

陈斌锋，郭斌,，胡晓峰,，张霖成

(1.中国计量大学计量测试工程学院,浙江杭州 310018；2.杭州沃镭智能科技股份有限公司,浙江杭州 310018)

0 前言

汽车工业经过一百多年的发展，从最初的机械物理系统逐步向信息物理系统迈进，智能网联汽车技术的发展，成为汽车行业转型升级的一个重要方向。驾驶意图识别和短时行为预测作为智能网联汽车发展的关键技术，对汽车制动系统提出了更高的要求。传统机械直连的液压制动系统不能满足汽车自动化的发展需求，而线控液压制动系统不仅可以与智能驾驶深度结合，识别驾驶员操作意图实现主动制动技术，而且能够实现再生制动能量的回收，已经成为国际研究热点之一。

国外对于线控液压制动系统的研究较早，在2001年，BOSCH公司就为奔驰汽车配备了名为电子感应制动系统的线控液压控制系统，目前应用于奔驰CLS跑车等。该公司又在2013年推出了电动助力制动系统IBooster，该系统由驾驶员和助力电机共同推动主缸活塞，由主缸为制动回路提供高压制动液，并被广泛应用于新能源汽车。2016年德国大陆集团推出了集成式电液制动系统MK C1，该产品将制动助力机构与液压调节单元集成到了一起，极大地减少了制动系统的占用体积，同时减轻了整个制动系统的质量，且具有更快更稳定的建压速度。国内关于电液制动系统的研究也在迅速发展，余卓平等提出了一种双动力源液压失效备份的电液制动系统；王治中提出了一种分布式电液制动系统。电液制动系统正在向以助力电机为动力源的集成式方向发展。

现有的集成式电液制动系统检测装置测试项目单一，并且检测方法不规范，无法满足性能测试的多样性与可靠性要求。参考汽车行业标准，研制出一套集成式电液制动检测装置，配合基于LabVIEW开发的通信和测试系统，能够实现对I-EHB各种模拟工况的检测，适用于企业对集成式电液制动系统的生产检测全流程及研发试验，能够确保结果的可靠性。

1 集成式电液制动系统结构和工作原理分析

本文作者选用集成式电液制动系统经典结构相似的产品作为研究对象，对其性能进行检测。图1所示为经典结构的外观和内部结构。

图1 I-EHB经典结构内部结构与外观

该系统主要由制动主缸、踏板模拟器、无刷电机、隔离阀等组成。I-EHB共有3种工作状态：(1)机械备份状态： I-EHB不上电，相当于无助力状态，驾驶员脚踩踏板对制动主缸建压，制动主缸内的高压制动液将直接流入轮缸内实现制动；(2)驾驶员输入状态：I-EHB正常上电，驾驶员脚踩踏板对制动主缸建压，高压制动液流入踏板模拟器内，踏板模拟器反馈给驾驶员一定的制动脚感，隔离阀通电处于断开状态，将人力制动回路与电动助力回路隔开实现完全解耦，ECU根据踏板行程与制动主缸的压力及车内其他传感器信息识别驾驶员意图，自动计算出目标制动力，控制无刷电机对液压制动管路建压，高压制动液经管路流入轮缸实现制动；(3)外部请求状态：I-EHB正常上电，操作者在软件提前配置好I-EHB内部电磁阀与电机的动作报文，检测系统通过通信系统下发报文控制ECU，配合驾驶员动作，可实现设定动作下I-EHB的工况检测。

2 测试方案设计

2.1 性能测试方法设计

集成式电液制动系统作为汽车制动行业最新的发展方向，国内暂无对应测试标准。因此，参考QC/T 311—2008《汽车液压主缸性能要求及台架试验方案》与QC/T 307—2016《汽车用真空助力器性能要求及台架试验方法》及现有台架技术，对I-EHB的测试需求进行分析，制定I-EHB基础制动性能测试项。

基础制动性能测试项主要反映I-EHB在受到正常速度推进的踏板推杆的输入力与推动制动主缸产生的输出液压之间的关系。参考真空助力器工作特性曲线中的特征点，对I-EHB工作状况进行分析，图2所示为真空助力器输入输出特性曲线。

图2 真空助力器输入-输出特性曲线

真空助力器输入输出特性曲线主要包括始动力、释放力、跳跃值、最大助力点、助力比等参数。始动力为使产品产生输出力的最小输入力，一般要求始动力不大于110 N；释放力为产品压力卸载过程中，输出力降为0时对应的输入力，一般要求释放力不小于30 N；跳跃值为踏板推杆加载过程中，输入力不变，输出力骤增的最大力值；最大助力点为助力部分曲线延长线与失效部分曲线延长线交点；助力比为助力区间输出力的增量与输入力增量的比，助力比的计算公式为

=(-)-(-)

其中：为最大助力点的30时的输入力;为最大助力点的80时的输入力;为最大助力点的30%时的输出力;为最大助力点的80%时的输出力。针对I-EHB的3种工作状态，分别设计基础制动试验：

(1)机械备份状态基础制动性能试验。不给I-EHB供电，仅增大对制动主缸输入端的力，检测机械备份状况下I-EHB输出液压与输入力的关系，引入始动力和释放力作为合格性判断依据。

(2)驾驶员输入状态基础制动性能试验。给I-EHB正常供电，并增大对制动主缸输入端的力，检测驾驶员输入状况下I-EHB输出液压与输入力的关系，引入始动力、释放力、最大助力点力和液压、助力比作为合格性判断依据。助力比计算仅考虑制动主缸部分，输出力的计算需要经过液压值转换：

=×

其中：为制动主缸的输出力;为制动主缸的输出液压;为制动主缸的底面积。

(3)外部请求状态基础制动性能试验：检测软件的通信系统控制动作是否正确以及助力电机的制动性能。测试时，给I-EHB正常供电，由软件配置报文控制ECU动作，保持制动主缸无输入状态，打开隔离阀将制动主缸与轮缸回路隔离，控制助力电机直接给制动轮缸建压。引入制动液压随时间变化的曲线作为判定外部请求控制动作是否成功的依据。

2.2 系统硬件模块设计

依据上述测试需求分析，集成式电液制动检测系统硬件设计可细分为加载机构模块设计、测试管路模块设计、数据采集与控制模块设计、CAN通信模块设计、台架模块设计等。图3所示为硬件模块结构。

图3 硬件模块结构

2.2.1 加载机构模块设计

电缸加载机构主要由伺服电缸、位移传感器、力传感器等组成。伺服电缸推动安装在被测件安装板上的实车踏板，模拟刹车制动动作。图4所示为加载机构的结构。

图4 加载机构结构

2.2.2 测试管路模块设计

测试管路模块主要由真空管路、液压控制管路、气压管路组成。设计真空管路用于在产品安装完毕后，将液压控制管路与产品内部抽至真空后注油，保证管路与产品死角无空气，提升注油效果。设计液压控制管路用于模拟并测量I-EHB各个工况下对4个轮缸产生的真实液压。设计气压管路用于在产品测试完毕后直接给产品加压排油。

2.2.3 数据采集与控制模块设计

数据采集与控制系统由数据采集卡、工控机、电磁阀、供电系统、传感器等组成。数据采集卡采用NI高速、高精度多功能PCI总线数据采集卡，通过PCI-AI通道对加载力信号、加载位移信号、液压信号、ECU电压及电流信号进行采集；通过AO通道控制电气比例阀、真空比例阀的输出；通过DO通道控制测试管路电磁阀；通过DI通道对门限开关及力传感器报警状态进行检测。

2.2.4 CAN通信模块设计

CAN通信模块设计提供2路CAN信号输入、输出通道，用于工控机与加载电缸和I-EHB内部ECU的通信。

2.3 系统软件模块设计

考虑到检测系统的软件模块需要实现配合硬件完成对加载机构及电磁阀的控制、控制数据采集卡输入输出、对输出结果进行处理的功能，以LabVIEW为开发平台，设计的系统软件模块可分为测试参数设置模块、通信模块、数据采集模块、性能测试模块和数据处理模块。其中，通信模块可以实现对I-EHB内部ECU的通信控制。通信模块提供DBC(Database CAN)文件接口，用于读取并记录已经定义好的I-EHB内部ECU控制电磁阀、电机信号的帧地址值、长度等信息。完成信号名称和地址记录后，通信模块提供报文配置界面如图5所示，能够完成对I-EHB内部电磁阀及电机所有动作的配置。完成配置后，通信模块会根据动作主体名称完成动作指令与地址值的配对，并按照动作指令对对应参数进行修改，将修改完的信息转化成符合CAN通信CCP协议的报文帧格式，下发给ECU，对ECU对应地址值的数据进行修改，实现通信控制。

图5 报文配置界面

在报文配置界面中，参数配置列表用于修改对应的参数值，动作指令列表会将修改完的参数列表读取下来，并生成动作指令，方便重复调用。在指令集动作逻辑表中生成的是最终下发的报文指令，可调用已生成的动作指令，并将顺序和延时时间下发报文指令，实现动作控制，也可以生成指令集动作，方便重复调用。报文配置界面结构清晰、控制功能全面且重复利用性高，能够满足性能测试的要求。图6所示为软件测试流程图。

图6 软件测试流程

3 测试结果及数据分析

3.1 测试条件

在测试之前，通过真空注油以及电缸加压排气保证产品及管路内部无气体残留。完成排气动作后，开始对某汽车公司的I-EHB的3种工作状态下的基础性能进行测试，配置如表1所示的参数。

表1 测试参数配置

3.2 测试数据及结果分析

3.2.1 机械备份状态基础制动性能试验

机械备份状态模拟当ECU工作失效时，I-EHB内部的工作状况，结果如图7和表2所示。可以得出：机械备份状态下要产生10 MPa的轮缸制动压力约需要3 000 N，非紧急状况不会出现这种状态。始动力、释放力及测试结果均符合要求。

图7 机械备份状基础制动结果

表2 集成式电液制动系统基础制动测试结果

3.2.2 驾驶员输入状态基础制动性能试验

由图8和表3可以得出:在驾驶员输入模式下，助力电机在输入力为313 N时便达到了最大助力液压5.93 MPa。由于该产品仍处于测试开发阶段，ECU内部算法控制助力电机进入保护状态，即使驾驶员输入力继续增加，助力电机也只会保持当前位置。结果表明始动力、释放力、助力比均满足测试要求。

图8 驾驶员输入状态基础制动结果

表3 驾驶员输入状态基础制动测试结果

3.2.3 外部请求状态基础制动性能试验

由图5所示的报文配置的动作序列和图9可以得出：I-EHB产品按照报文配置指令，完成电磁阀的初始化动作之后，控制助力电机在10 s内完成13.5 MPa建压指令，实际制动液压14.2 MPa，电机保持5 s后，在10 s内完成泄压动作。试验结果验证了通信系统的可靠性。同时发现，在外部请求状况下，ECU内部算法的6 MPa助力电机保护作用失效，因此在进行外部请求试验时需要在报文配置中完成产品保护设定工作。

图9 外部请求状态基础制动测试结果

4 结论

本文作者阐述了以LabVIEW为开发平台的集成式电液制动检测系统的设计，引入伺服电缸模拟驾驶员输入，搭配通信系统实现对I-EHB产品内部动作的控制；对I-EHB的3种工作状态下的基础制动性能进行试验。测试结果曲线和特征点均符合企业测试要求，验证了测试台架的可靠性、稳定性，该检测台目前已应用于相关汽车企业对于I-EHB性能的测试与开发。