汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)的研究初探
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20世紀(jì)80年代后期，世界汽車技術(shù)領(lǐng)域最顯著的成就就是防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的應(yīng)用和推廣。ABS 集微電子、精密加工、液壓控制技術(shù)為一體，是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。它的安裝大大提高了汽車的主動(dòng)安全性和操縱性。車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要是控制技術(shù)的發(fā)展。一方面，是擴(kuò)大控制范圍、增加控制功能；另一方面，是采用優(yōu)化控制理論，實(shí)施伺服控制和高精度控制。經(jīng)過100多年的發(fā)展，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的形式已經(jīng)基本固定。隨著電子，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的形式也將發(fā)生變化。如凱西一海斯(K-H)公司在一輛實(shí)驗(yàn)車上安裝了一種電一液(EHB)制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)徹底改變了制動(dòng)器的操作機(jī)理。
目前以最新技術(shù)形態(tài)出現(xiàn)的汽車電子系統(tǒng)是從飛機(jī)控制系統(tǒng)引來的，電子控制系統(tǒng)(X-by—Wire)用電子信號(hào)代替有形的連接，最終可望把駕駛員的控制裝置與轉(zhuǎn)向、制動(dòng)機(jī)構(gòu)之間機(jī)械的或液壓的連接件，包括轉(zhuǎn)向柱、中間軸、泵、軟管、液壓油、皮帶、增壓器及制動(dòng)總泵等，通通淘汰出局，而且可以使用各種電機(jī)作動(dòng)器，外加腳踏板和轉(zhuǎn)向感覺模擬器，不僅減輕了重量，降低油耗和制造成本，相應(yīng)也提高了可靠性和安全性。由于電線走向布置的靈活性，汽車操縱部件的布置也具有靈活性，提高了汽車設(shè)計(jì)的自由空間。美國通用汽車公司研制的“自主魔力”概念車，轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、動(dòng)力系統(tǒng)采用了X-by-Wire形式，使其整車控制采用電子而不是傳統(tǒng)的機(jī)械方式進(jìn)行。
2 國內(nèi)外研究狀況
在汽車電子技術(shù)研發(fā)上，著眼于解決環(huán)保和能源問題，不少國家在經(jīng)濟(jì)和政策上給予大力支持。
國外的大公司在電子控制技術(shù)上較為領(lǐng)先，ITT Automotive Europe進(jìn)行了多年電子制動(dòng)方面的研究，Continental Teves公司已推出幾代制動(dòng)執(zhí)行器。馬自達(dá)LS使用了壓力分配的電子制動(dòng)技術(shù)，它是利用汽車負(fù)載改變前后剎車轉(zhuǎn)換。以氣動(dòng)ABS聞名的Wabco公司已經(jīng)推出了電動(dòng)制動(dòng)的ABS系統(tǒng)。
在國內(nèi)，目前僅擁有電動(dòng)汽車的整車開發(fā)與試驗(yàn)設(shè)施，對(duì)電動(dòng)汽車主要零部件電動(dòng)化開發(fā)與試驗(yàn)還沒有有效工具和方法，所以電動(dòng)汽車的研發(fā)基本上還處于燃油汽車輔助系統(tǒng)動(dòng)力源的電動(dòng)化改裝階段。
3 電子制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
電子制動(dòng)是指正常工作時(shí)在制動(dòng)踏板和制動(dòng)器之間沒有機(jī)械連接，用電線取代部分或全部制動(dòng)管路，并省去制動(dòng)系統(tǒng)的很多閥。此外，在電子控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)相應(yīng)程序，操縱電控元件來控制制動(dòng)力的大小以及各軸的制動(dòng)力分配，可完全實(shí)現(xiàn)使用傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)所能達(dá)到的 ABS及ASR等功能。與傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)相比，所有油壓管道、油壓元件都被電子線路、電子元件所取代，安裝也方便很多。此外對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)功能的整合也有很大幫助，包括ABS、制動(dòng)力輔助系統(tǒng)、巡航控制、穩(wěn)定性控制等，這些系統(tǒng)在傳統(tǒng)的液(氣)壓制動(dòng)系統(tǒng)上體現(xiàn)為獨(dú)立、分離的單一硬件系統(tǒng)，而在BBW系統(tǒng)上只是整體系統(tǒng)中的子程序體現(xiàn)在控制程序的軟件，而且可以輕易加入更多的輸入信息和函數(shù)。
電子制動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2是該系統(tǒng)的配置圖。其主要包含以下部分。
(2)電子制動(dòng)控制單元(ECU)。接收制動(dòng)踏板發(fā)出的信號(hào)，控制制動(dòng)器制動(dòng)；接收駐車制動(dòng)信號(hào)，控制駐車制動(dòng)；接收車輪傳感器信號(hào)，識(shí)別車輪是否抱死、打滑等，控制車輪制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)防抱死和驅(qū)動(dòng)防滑。由于各種控制系統(tǒng)如衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)變速系統(tǒng)、無級(jí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)與制動(dòng)控制系統(tǒng)高度集成，所以ECU還得兼顧這些系統(tǒng)的控制。
(3)輪速傳感器。準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)獲得車輪速度。
(4)線束。給系統(tǒng)傳遞能源和電控制信號(hào)。
(5)電源。為整個(gè)電制動(dòng)系統(tǒng)提供能源。與其他系統(tǒng)共用?？梢允歉鞣N電源，也包括再生能源。
從結(jié)構(gòu)上可以看出上述電子制動(dòng)系統(tǒng)具有傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
·縮短制動(dòng)距離，優(yōu)化穩(wěn)定性；由于制動(dòng)執(zhí)行器和制動(dòng)踏板之間沒有了液壓和機(jī)械連接取而代之是數(shù)據(jù)線，無疑這將大大減少制動(dòng)器的作用時(shí)間，進(jìn)而有效地縮短制動(dòng)距離；
無需制動(dòng)液，有利于環(huán)保；
·制動(dòng)踏板可調(diào)，使舒適性和安全性更好；
·抗碰撞性能提高；
·在ABS模式下踏板無回彈振動(dòng)；
·節(jié)省空間，零件減少；
·幾乎無噪聲；
·安裝簡(jiǎn)易；
·可實(shí)現(xiàn)所有制動(dòng)和穩(wěn)定功能，如ABS、EBD、TCS、ESP、BA、ACC等；
·可與未來的交通管理系統(tǒng)輕松聯(lián)網(wǎng)；．方便的集成附加功能，如電子駐車制動(dòng)。
4 電子制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵問題
BBW系統(tǒng)由于沒有機(jī)械或液壓后備，所以系統(tǒng)的可靠 性要求高，并且系統(tǒng)必須能容錯(cuò)。因此，系統(tǒng)需要有下列特點(diǎn)：可靠的能源來源、容錯(cuò)的通信協(xié)議和一些硬件的冗余等。下面是一些開發(fā)中的關(guān)鍵部分。
(1) 驅(qū)動(dòng)能源問題。鼓式制動(dòng)需100 W的功率，而盤式制動(dòng)則需要1 kW。12 V的車輛電器系統(tǒng)難以支持執(zhí)行電氣制動(dòng)的高功率需求。因此，建立42V電壓系統(tǒng)機(jī)構(gòu)十分重要，同時(shí)需要解決高電壓帶來的安全問題。
(2)對(duì)容錯(cuò)的要求。在完全取消了液壓元件的系統(tǒng)中，沒有獨(dú)立的后備執(zhí)行系統(tǒng)。此時(shí)，與其使用能安全停止工作的系統(tǒng)，不如采用容錯(cuò)或自動(dòng)防故障系統(tǒng)。雖然許多技術(shù)能提高容錯(cuò)系統(tǒng)的安全性，更為根本的辦法還是提供后備系統(tǒng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)或電子控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，在不破壞現(xiàn)有系統(tǒng)完整性的情況下，啟用后備裝置。容錯(cuò)程度應(yīng)隨應(yīng)用場(chǎng)合而不同，但重要的傳感器和控制器都應(yīng)有備份。另外，系統(tǒng)中每一節(jié)點(diǎn)之間的串行通信必須支持容錯(cuò)。而容錯(cuò)就需要開發(fā)相應(yīng)的通信協(xié)議。因?yàn)楝F(xiàn)在車輛應(yīng)用的一些普通通信系統(tǒng)，如CAN等都不能滿足容錯(cuò)要求。實(shí)現(xiàn)電子制動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)失效時(shí)的信息交流協(xié)議，如TTP／C。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，立即發(fā)出信息，確保信息傳遞符合法規(guī)。最適合的方法是采用時(shí)分多路復(fù)用電路控制(TDMA)，它可以保證不出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的信息滯后，TTP／C協(xié)議就是根據(jù)TDMA制定的。
評(píng)論