電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)（Electronic Parking Brake, EPB）作為一項(xiàng)汽車底盤安全配置，被越來(lái)越多的駕駛者所認(rèn)可。EPB相對(duì)機(jī)械手剎，具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：首先EPB對(duì)于駕駛者更加友好，不僅能在擁堵的城市道路解放因頻繁駐車帶來(lái)的煩惱，而且可以輔助駕駛者坡道平穩(wěn)起步，消除因溜坡帶來(lái)的安全隱患；其次EPB 與電動(dòng)平臺(tái)具有更好的契合度，能與電控的剎車防抱死系統(tǒng)（Anti-lock Brake System, ABS）/車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Electronic Stability Controller, ESC）協(xié)同，實(shí)現(xiàn) EPB 的緊急制動(dòng)、AutoHold 等功能；最后隨著車輛自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，EPB已經(jīng)具有線控駐車的執(zhí)行層，已經(jīng)可以擴(kuò)展全自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)（Auto Parking Assist, APA）、代客泊車（Automated Valet Parking, AVP）等功能，使智能駕駛成為可能。
以前由于EPB成本和技術(shù)成熟度原因，在商用車型上應(yīng)用較少，但是隨著EPB在乘用車的普遍配置，同時(shí)商用車駕駛?cè)藛T的年輕化和商用車行業(yè)的快速發(fā)展，EPB在商用車輛上也開始迅速發(fā)展。本文基于此種情況，以某N2類總質(zhì)量4.5 t采用液壓制動(dòng)新能源商用車為例，該車型采用同軸式電驅(qū)動(dòng)橋，駐車制動(dòng)采用行、駐一體制動(dòng)器，操縱系統(tǒng)采用EPB，對(duì)EPB開發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行介紹，從而給從業(yè)人員帶來(lái)一種新的開發(fā)思路。
1 功能安全
EPB作為一項(xiàng)底盤功能安全配置，其熄火自動(dòng)駐車、坡道起步功能只是其基本配置，在實(shí)際的開發(fā)過(guò)程中要考慮到多項(xiàng)使用場(chǎng)景，例如：車輛移動(dòng)時(shí)意外斷電、車輛維修等。面對(duì)不同使用場(chǎng)景需要設(shè)置對(duì)應(yīng)控制策略。
1.1 靜態(tài)駐車功能及判斷信號(hào)
靜態(tài)駐車功能指車輛點(diǎn)火信號(hào)打開，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，手動(dòng)拉EPB開關(guān)，執(zhí)行駐車制動(dòng)。判斷靜態(tài)駐車模式信號(hào)為ABS輪速有效性信號(hào)。
車輛熄火自動(dòng)駐車功能指車輛靜止時(shí)，點(diǎn)火鑰匙轉(zhuǎn)至ACC位置后，自動(dòng)執(zhí)行駐車制動(dòng)（無(wú)需拉EPB開關(guān)）。判斷自動(dòng)駐車模式信號(hào)：（1）ABS輪速有效性信號(hào)；（2）點(diǎn)火IGN+（Ignition）信號(hào)（包括硬線及控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）線上報(bào)文）。
外部請(qǐng)求接口命令功能指可以響應(yīng)其他控制模塊的駐車命令，實(shí)現(xiàn)AUTO HOLD或起停功能。
1.2 靜態(tài)釋放功能及判斷信號(hào)
靜態(tài)釋放功能指IGN ON時(shí)，踩下制動(dòng)踏板，手動(dòng)按EPB開關(guān)，釋放駐車制動(dòng)。判斷靜態(tài)釋放模式信號(hào)：（1）制動(dòng)踏板有效性信號(hào)；（2）IGN+信號(hào)（包括硬線及CAN線上報(bào)文）。
起步自動(dòng)釋放功能指車輛上電狀態(tài)，擋位在前進(jìn)或后退擋，駕駛員在座位上，車輛起步時(shí)，自動(dòng)松開駐車制動(dòng)，并根據(jù)坡度大小進(jìn)行智能調(diào)整，以防溜坡。判斷起步自動(dòng)釋放模式信號(hào)：（1）電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速信號(hào)和扭矩信號(hào)及有效性信號(hào)；（2）油門踏板、擋位及駕駛員側(cè)門開關(guān)信號(hào)及有效性信號(hào)。
失效釋放功能指車輛在制動(dòng)踏板和油門信號(hào)都失效情況下，EPB駐車狀態(tài)，長(zhǎng)按EPB釋放開關(guān)5 s，駐車釋放。判斷失效釋放模式信號(hào)：（1）制動(dòng)踏板、油門信號(hào)及有效性信號(hào)；（2）IGN+信號(hào)（包括硬線及CAN線上報(bào)文）。
維修釋放功能指車輛在靜止時(shí)，EPB進(jìn)入完全釋放狀態(tài)，長(zhǎng)按EPB釋放開關(guān)10 s～15 s，松開EPB開關(guān)，3 s內(nèi)按下EPB開關(guān)，EPB執(zhí)行釋放到底動(dòng)作，用于制動(dòng)系統(tǒng)更換維修。判斷維修釋放模式信號(hào)為ABS輪速有效性信號(hào)。
1.3 動(dòng)態(tài)駐車功能及判斷信號(hào)
動(dòng)態(tài)駐車功能指在車輛行進(jìn)中，拉住EPB開關(guān)不放，EPB可以通過(guò)駐車制動(dòng)進(jìn)行減速，且具有后輪防抱死的功能，使車輛保持穩(wěn)定的減速，高附路面減速度大于0.2g。判斷動(dòng)態(tài)駐車模式信號(hào)：（1）ABS輪速有效性信號(hào)；（2）ABS工作狀態(tài)有效性信號(hào)；（3）點(diǎn)亮后尾燈請(qǐng)求信號(hào)。
1.4 自動(dòng)駐車關(guān)閉功能及判斷信號(hào)
自動(dòng)駐車關(guān)閉功能按下EPB開關(guān)保持3 s內(nèi)熄火，可以臨時(shí)關(guān)閉自動(dòng)駐車功能。判斷自動(dòng)駐車關(guān)閉信號(hào)為IGN+信號(hào)（包括硬線及CAN線上報(bào)文）。
2 技術(shù)路線
目前市場(chǎng)上主流的EPB系統(tǒng)分為拉索式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)和集成式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)。
2.1 拉索式電子駐車系統(tǒng)
拉索式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)屬于手剎制動(dòng)的改進(jìn)版，使用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)代替人力操縱駐車手柄，利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制駐車?yán)餍谐痰淖兓?，從而進(jìn)行駐車和釋放，其整體機(jī)構(gòu)則與手剎基本相同。如圖1所示。
當(dāng)車輛駐車時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)雙級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行駐車力矩的增加，再通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，從而拉動(dòng)駐車?yán)?。?dāng)絲杠上的拉力傳感器達(dá)到設(shè)定的閥值時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛保持駐車。如果此時(shí)整車出現(xiàn)意外斷電情況，因絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，則會(huì)保持當(dāng)前駐車狀態(tài)。
圖1 拉索式EPB結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)駐車釋放時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，通過(guò)減速齒輪和絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)駐車?yán)麽尫?，?dāng)達(dá)到設(shè)定的釋放拉索行程時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.2 集成式電子駐車系統(tǒng)
集成式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母和制動(dòng)器[5]。如圖2所示。
1—制動(dòng)電機(jī)；2—減速增力機(jī)構(gòu)；3—絲杠螺母機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)絲杠；4—絲杠螺母機(jī)構(gòu)的螺母；5—制動(dòng)活塞；6—摩擦塊；7—摩擦盤；8—制動(dòng)卡鉗。
圖2 集成式EPB結(jié)構(gòu)圖
駐車制動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出力矩傳遞到減速機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)則將傳導(dǎo)的力驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的心軸旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)壓力螺母直線運(yùn)動(dòng)，從而作用到制動(dòng)活塞上，制動(dòng)活塞再推動(dòng)右制動(dòng)蹄片擠壓制動(dòng)盤，達(dá)到駐車制動(dòng)效果。
2.3 EPB結(jié)構(gòu)與適用車型對(duì)比
集成式電子駐車制動(dòng)器與行車制動(dòng)器集成，因?yàn)椴贾每臻g影響，目前駐車電機(jī)的輸出力基本最大達(dá)到3 kN，多應(yīng)用于乘用車，以及3.5 t以下皮卡和商務(wù)車型。而拉索式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)布置基本不受空間影響，一般可滿足4.5 t至7 t的車輛駐車需求。本車型因?yàn)榭傎|(zhì)量達(dá)到4.5 t，考慮駐車的安全需求，采用拉索式電子駐車系統(tǒng)。
3 數(shù)據(jù)校核
車輛在坡道上駐車時(shí)，需要滿載狀態(tài)的車輛能在設(shè)計(jì)要求的最大坡度上平穩(wěn)駐車。通常根據(jù)整車參數(shù)，我們可以得到此車型在上下坡時(shí)所能達(dá)到的極限坡度，所謂極限坡度指整車在一定坡度上駐車時(shí)，即使駐車制動(dòng)力繼續(xù)增加，車輛依然無(wú)法在此坡道上駐車。然后根據(jù)整車設(shè)計(jì)開發(fā)要求，校核車輛在滿載狀態(tài)下能否在設(shè)計(jì)的最大坡度上平穩(wěn)駐車。
式（1）為車輛所能達(dá)到的極限上坡坡度計(jì)算公式；式（2）為車輛所能達(dá)到的極限下坡坡度計(jì)算公式[1]。
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式中，θ為坡道角度；L為車輛軸距；Wr為后軸質(zhì)量；W為車輛總質(zhì)量；H為車輛質(zhì)心高度；φ為附著系數(shù)。
以某車型計(jì)算為例，表1為車輛整車參數(shù)，表2為車輛所能在上下坡道時(shí)駐車的極限坡度。
表1 整車及制動(dòng)器參數(shù)
表2 整車空滿載上、下坡極限坡度
整車在滿載狀態(tài)設(shè)計(jì)的最大坡度為30%，小于車輛的極限坡度，因此，校核在各個(gè)坡度下EPB的電機(jī)輸出力，能否滿足要求。具體如表3所示。
表3 整車滿載狀態(tài)在不同坡道需求的EPB電機(jī)力
整車在滿載狀態(tài)設(shè)計(jì)的最大坡度為30%，其EPB電機(jī)需求輸出力為971 N，而本車型采用的EPB電機(jī)輸出力達(dá)到1 400 N，完全滿足車型的開發(fā)需求。
4 駐車系統(tǒng)布置
駐車制動(dòng)系統(tǒng)的布置不僅影響駐車的可靠性，同時(shí)影響駐車系統(tǒng)拉索的效率和EPB電機(jī)輸出力的有效性，從而影響整車駐車效果。
該車型采用輪邊駐車制動(dòng)器，通過(guò)主副拉索將左右駐車制動(dòng)器連接起來(lái)，再通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)，將主拉索與EPB電機(jī)推桿相連。如圖3所示。
圖3 EPB系統(tǒng)布置圖
EPB輸出拉索與杠桿機(jī)構(gòu)連接臂呈垂直狀態(tài)時(shí)，EPB的電機(jī)輸出力將全部轉(zhuǎn)化為主拉索的拉力。當(dāng)EPB輸出拉索與杠桿機(jī)構(gòu)連接臂呈現(xiàn)一個(gè)夾角α?xí)r，只有部分拉索拉力會(huì)轉(zhuǎn)化為有效輸出力。
F有效=F?sin α （3）
根據(jù)計(jì)算，夾角與垂直狀態(tài)偏差5°時(shí)，有效輸出力損失0.38%；偏差10°時(shí)，有效輸出力損失1.52%。因此，杠桿臂與拉索的夾角應(yīng)保持在（90±5）°以內(nèi)。
在駐車制動(dòng)過(guò)程中，EPB初始運(yùn)動(dòng)行程為駐車制動(dòng)器的空行程，隨著制動(dòng)蹄片與制動(dòng)鼓接觸，拉索拉力開始變的越來(lái)越大，直至車輛完全駐車，拉索拉力達(dá)到最大。因此，設(shè)置在拉索的終止位置，杠桿臂與拉索的夾角應(yīng)保持在（90±5）°以內(nèi)。
在拉索與固定支架的連接處，拉索是通過(guò)兩個(gè)固定螺母與支架緊固連接，在極端情況下，存在螺栓松動(dòng)、拉索脫落的風(fēng)險(xiǎn)，一旦拉索脫落，整車駐車系統(tǒng)將失去駐車能力。通過(guò)在拉索與支架的連接處設(shè)置倒L形卡槽，即使拉索緊固螺母松動(dòng)，但因?yàn)椴捎么丝ú劢Y(jié)構(gòu)，駐車?yán)饕廊徊荒苊摮?，大大增加駐車系統(tǒng)的安全性。如圖4、圖5所示。
圖4 拉索與杠桿臂簡(jiǎn)圖
圖5 固定支架倒L行簡(jiǎn)圖
5 控制策略
EPB根據(jù)使用功能，分為駐車和釋放兩種狀態(tài)。根據(jù)使用場(chǎng)景則分為靜態(tài)駐車、坡度輔助起步、動(dòng)態(tài)駐車、AUTOHOLD和車輛緊急制動(dòng)。
5.1 駐車與釋放判斷邏輯
車輛駐車，一般是車輛保持長(zhǎng)久的靜止?fàn)顟B(tài)。而駐車釋放，是車輛從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)。因此，車輛駐車時(shí)，操縱EPB開關(guān)即可。而為了防止駐車誤釋放，一般駐車釋放時(shí)，不僅要操縱EPB開關(guān)，同時(shí)要伴隨著有效的剎車信號(hào)或油門信號(hào)，EPB才會(huì)釋放駐車。
EPB在駐車時(shí)采用拉力作為判斷信號(hào)，在釋放時(shí)采用行程做判斷信號(hào)，其主要原因在于，車輛駐車時(shí)，整車需要達(dá)到一定的駐車力矩才能滿足駐車需求，使用拉索拉力作為判斷信號(hào)，可以直接施加相應(yīng)的駐車力矩。而駐車釋放時(shí)，因?yàn)殡S著制動(dòng)器的磨損，拉索行程會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)，如果采用駐車力矩作為釋放判斷信號(hào)，容易造成駐車釋放不到位，而采用固定行程作為判斷信號(hào)，則每次釋放同樣的行程，同車輛初始狀態(tài)保持一致。
5.2 靜態(tài)駐車
靜態(tài)模式不僅包含車速為零的情況，同時(shí)包含低速的情況。通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)速度閾值，閾值速度之下的情況屬于靜態(tài)模式。閾值通常設(shè)置在安全車速以內(nèi)，一般≤5 km/h，即在這個(gè)速度以內(nèi)車輪抱死，車輛也不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)狀況。
靜態(tài)制動(dòng)的過(guò)程是，按下EPB開關(guān)，系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的車速信號(hào)判斷工作模式，若是車速低于5 km/h，執(zhí)行器以常規(guī)方式制動(dòng)，電機(jī)正轉(zhuǎn)至所需力矩時(shí)，按鈕燈和儀表盤指示燈燈亮起，表示已正常駐車。坡道駐車時(shí)，會(huì)根據(jù)角度傳感器提供的信號(hào)值計(jì)算出當(dāng)前坡道角度，從而施加相應(yīng)的力矩。
5.3 坡道輔助功能
坡道輔助起步功能在于，車輛需要起步時(shí)，只需踩下油門踏板，EPB系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，當(dāng)電機(jī)的起步力矩達(dá)到設(shè)定的駐車力矩時(shí)，即自動(dòng)解除駐車制動(dòng)。
車輛在進(jìn)行EPB坡道起步功能標(biāo)定時(shí)，選取從小到大不同的坡度如：0%坡度，10%坡度，20%坡度，標(biāo)定此坡度下需求的駐車力矩和起步力矩，當(dāng)起步力矩達(dá)到設(shè)定的駐車力矩，無(wú)需駕駛員操作EPB按鈕，EPB則釋放駐車。其他坡度采用插值法，即可實(shí)現(xiàn)從最小坡度到最大坡度功能的完善[3]。
5.4 動(dòng)態(tài)模式
駕駛員按下EPB開關(guān)后，若車速高于7 km/h而低于30 km/h，則會(huì)按照動(dòng)態(tài)模式進(jìn)行處理，如果車速高于30 km/h，則會(huì)按照緊急制動(dòng)控制策略處理。EPB在動(dòng)態(tài)模式下，如果駕駛員沒有踩下制動(dòng)踏板，只拉起EPB開關(guān)，則EPB系統(tǒng)判斷駕駛員并沒有駐車意圖，只是誤操作。如果車輛需要?jiǎng)討B(tài)制動(dòng)時(shí)，則需要踩下制動(dòng)踏板，同時(shí)常拉EPB開關(guān)，此時(shí)EPB電機(jī)會(huì)采取輪速信號(hào)，在保證2.2 m/s2制動(dòng)減速度的情況下，同時(shí)還要保證車輪不能抱死，此時(shí)EPB電機(jī)需要不斷的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，即不斷的駐車和釋放。
5.5 AUTO HOLD
自動(dòng)駐車（AUTO HOLD）是電子駐車系統(tǒng)的衍生功能，其極大提高了車輛的操縱舒適性和操縱方便性，尤其是針對(duì)城市工況的擁堵馬路。其控制關(guān)鍵在于對(duì)駕駛員的駕駛意圖能夠準(zhǔn)確判斷，通過(guò)坡度傳感器由控制器給出準(zhǔn)確的駐車力，在起步時(shí)，駐車控制單元通過(guò)油門踏板傳感器等提供的信息通過(guò)計(jì)算，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于行駛阻力時(shí)自動(dòng)釋放駐車制動(dòng)，從而使汽車能夠平穩(wěn)起步。AUTO HOLD在觸發(fā)時(shí)必須同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：（1）擋位為空擋；（2）車速為靜態(tài)模式。
AUTO HOLD功能有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是通過(guò)EPB的電機(jī)制動(dòng)，一種是通知ESC模塊進(jìn)行液壓制動(dòng)。前者的優(yōu)點(diǎn)在于控制邏輯簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)在于制動(dòng)的作用時(shí)間稍長(zhǎng)，噪音稍大，頻繁使用可能降低電機(jī)壽命。而ESC模塊通過(guò)電機(jī)加壓和關(guān)閉閥的制動(dòng)時(shí)間通常在100 ms以內(nèi)，釋放制動(dòng)力時(shí)只需打開相應(yīng)的閥減壓，閥的開閉時(shí)間在100 ms以內(nèi)。因此，AUTO HOLD功能基本都是通過(guò)ESC模塊協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)[4]。
5.6 緊急制動(dòng)控制策略
緊急制動(dòng)是指車輛在行車制動(dòng)失效情況下，EPB提供制動(dòng)力使車輛停下的功能。因?yàn)槟壳败囕v上行車制動(dòng)都是采用雙回路制動(dòng)，因此，完全失效的概率極低。緊急制動(dòng)在一般情況下不會(huì)觸發(fā)，只是作為行車制動(dòng)的補(bǔ)充功能。當(dāng)車速高于30 km/h時(shí)，駕駛員需要踩下制動(dòng)踏板，并且常拉EPB開關(guān)，EPB則會(huì)以最大的輸出力矩進(jìn)行駐車。因?yàn)榇藭r(shí)EPB電機(jī)以最大負(fù)荷工作，可能會(huì)造成EPB執(zhí)行器不可恢復(fù)的損傷，從而影響系統(tǒng)的壽命甚至損壞，所以EPB緊急觸發(fā)的的頻率應(yīng)該是極低的，同時(shí)所需要的觸發(fā)條件也是嚴(yán)格的。
EPB依據(jù)以下條件判斷當(dāng)前狀況是否采取緊急制動(dòng)：（1）車速大于30 km/h；（2）制動(dòng)踏板達(dá)到最大行程；（3）油門踏板行程為零；（4）EPB按鈕一直按下。只有同時(shí)滿足四個(gè)條件時(shí)，EPB則進(jìn)行緊急制動(dòng)控制，一旦EPB開關(guān)放下，則駐車功能停止。
6 試驗(yàn)驗(yàn)證
通過(guò)對(duì)4.5 t新能源液制動(dòng)商用車EPB功能的標(biāo)定，靜態(tài)駐車、釋放，動(dòng)態(tài)駐車和自動(dòng)駐車功能都滿足了設(shè)定的功能要求。對(duì)于坡度起步功能標(biāo)定結(jié)果，如圖6所示。EPB標(biāo)定了平地，5%坡度，10%坡度，15%坡度，20%坡度，30%坡度下的駐車力矩和驅(qū)動(dòng)力矩，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩大于駐車力矩，EPB自動(dòng)釋放，整車平穩(wěn)起步。對(duì)于其他的坡度，利用插值法可計(jì)算所有坡度下整車需要的駐車力矩和起步驅(qū)動(dòng)力矩。
圖6 各坡度下整車駐車力矩和驅(qū)動(dòng)力矩
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