一种应用于EBS系统的单通道桥控模块研究

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摘要：随着经济的不断发展，我国汽车保有量不断增加，尤其是商用车产销量快速增长，为商业运输、工业建设作出了巨大贡献。传统商用车制动系统存在制动响应时间长、制动不平稳等问题，而新一代EBS制动系统能够实现电控制动，很好地解决汽车驾驶过程中司机经验不足、传统制动系统制动响应时间长等问题。该文分析新一代EBS制动系统关键技术，对应用于EBS系统的单通道桥控模块进行探讨。
关键词：EBS；制动系统；单通道桥控模块

作者简介：
李传武，瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司工程师，研究方向为汽车制造生产；
曾云柽，瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司工程师，研究方向为汽车制造生产；
杨柳，瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司高级工程师，研究方向为汽车零部件设计；
王鲜艳，瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司高级工程师，研究方向为汽车制造生产；
史延涛，瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司高级工程师，研究方向为车辆工程。

1 项目概况

在经济大发展背景下，汽车工业得到了迅猛发展。汽车制动系统是汽车的重要组成部分，关系到车辆行驶安全。在相关交通事故中，由驾驶员驾驶操作问题引发的交通事故占绝大多数，由制动系统不灵敏、制动力分配不均匀等问题引发的交通事故，也占很大一部分比例。商用车制动系统主要分为纯机械阀类制动系统、纯机械阀加 ABS 电磁阀类制动系统、电子控制制动系统（简称 EBS）3 类 [1]。纯机械阀类制动系统是较为原始的制动系统，商用车在最开始的时候装的是这类系统，缺点是制动响应慢，对司机的驾驶技术与经验要求较高，车辆制动效果全凭司机脚感，输出的制动力大小不稳定。纯机械阀加ABS电磁阀类控制系统是在原纯机械阀类制动系统基础上，在车辆前桥及后桥增加ABS电磁阀，形成4S/4M或6S/6M等配置，前桥增加ABS电磁阀能够使车轮具有防抱死功能。防抱死制动系统（Antilock Brake System，简称ABS），作用是在汽车制动时，根据传感器发出的车轮速度信号，以最短时间判定车轮的锁死状态，对制动气室的压力进行控制，使车轮不被抱死，处于边滚边滑的状态，以保证车轮与地面的附着力在最大值。但ABS并不会增加或者减少车辆的制动力，无法实现整车电子制动力的分配。电子控制制动系统EBS（Electronically Controlled Brake System）应运而生，能够解决上述问题。EBS系统采用电子化方式控制，系统中的阀类高度集成，减少了制动系统的响应时间，结合ABS轮速传感器、气压传感器、横摆率传感器等配置，能够解决制动力分配问题，实现牵引车与挂车之间的制动一致性。同时，结合横摆率传感器、转向角传感器及ABS，可以实现汽车电子稳定控制系统（ESC），提升车辆行驶的侧向稳定性[2]。而单通道桥控模块作为该系统最关键的部件之一，它的质量直接影响到EBS制动控制系统的性能。2 项目背景2.1 国外研究现状国外对EBS电子控制制动系统的研发起步较早，大部分主机厂已装有最新的EBS电子制动控制系统。电子制动控制系统主要由中央控制模块、单通道桥控模块、双通道桥控模块、ABS电磁阀、电控挂车控制阀、制动信号输出器等零部件组成[3]。当驾驶员促动制动踏板时，制动信号输出器内置的位移传感器记录驾驶员踩踏板的速度和踏板的行程，并将此信号传送中央控制模块，中央控制模块根据输入信号判断驾驶员需求的减速度。另外，中央控制模块根据整车重量、相应的每根轴的载荷、输入的制动器单位压力下的制动扭矩计算出此减速度对应的每个制动气室需要的制动压力。中央控制模块通过EBS系统内部CAN总线发出相关指令控制单通道桥控模块、单通道桥控模块等，控制各个车轮制动气室输出相应的制动压力。目前，国外WABCO公司也推出了EBS系列产品，其EBS单通道桥控模块内置进气电磁阀、排气电磁阀、备压电磁阀及压力传感器，接收来自中央控制模块的指令，进行制动压力实时控制，避免安全事故出现。2.2国内研究现状目前，EBS系统在国内汽车中的应用有待加强，但很多汽车制造商在新推出来车型上都选配了EBS系统。在客车公交方面，已有选配EBS系统的车辆在销售，不过年销售量不大。虽然中国商用车市场广阔，但中国的汽车产品还未大批量安装EBS，所以市场前景广阔。如今，汽车企业正积极寻找厂家开发EBS系统，国内有几家大的汽车制造商已经开始和国外公司进行合作，开展EBS在重型车中的应用研究[4]。从历史角度看，最近几十年制动标准也发生了非常大的变化，从20世纪60年代双回路气制动系统和20世纪70年代感载比例阀的引入，到20世纪80年代ABS的引入，到目前为止，ABS系统已成为欧洲商用车的标准配置。3 EBS电子控制制动系统关键技术EBS电子控制制动系统功能强大，具有制动力分配、减速度控制、制动辅助控制、制动蹄片磨损控制、主挂车一致性控制、坡道起步功能等，EBS电子控制制动系统如图1所示。这些功能的实现，离不开中央控制模块、桥控模块及相应传感器的协同配合，下面对EBS电子控制制动系统中的部分重要部件加以说明。

图1 EBS电子控制制动系统3.1中央控制模块中央控制模块是EBS的核心，相当于人体的大脑，属于级别较高的部件，具有识别驾驶员驾驶意图、制动力分配、直接控制EBS系统中的各个部件及控制牵引车与挂车制动的协调同步性等功能。3.2 制动信号输出器制动信号输出器的特点主要有3点。第一，具有双管路控制系统，当其中一条机械气管路失效时，另一条机械气管路依然可以正常使用，确保车辆行驶过程中司机、乘客及车辆安全。第二，制动信号输出器具有电子制动控制功能，但在密封性上略有不足，不过不会影响EBS电子制动的效果。制动信号输出器主要是向中央控制模块提供电信号，而不是气信号[5-6]。第三，当电子控制回路失效时，气动回路自动启动，确保行驶中的车辆安全停车。3.3 EBS单通道桥控模块EBS单通道桥控模块内置了1个独立ECU、1个进气电磁阀、1个排气电磁阀、1个备压电磁阀、1个继动阀及1个压力传感器。其作用一般为控制前桥制动气室的制动，通常与ABS电磁阀配合使用。3.4 EBS双通道桥控模块EBS双通桥控模块内置了1个独立ECU、2个进气电磁阀、2个排气电磁阀、2个备压电磁阀、2个继动阀及2个压力传感器。其作用一般为控制后桥制动气室的制动，并具有ABS功能。4 EBS单通道桥控模块关键技术在EBS电子制动系统中，EBS具有常规制动及电控制动两种功能。常规制动一般在电控制动失效状态下才启动，车辆在正常行驶状态下的制动为电控制动[7]。EBS单通道桥控模块内部设置了1个独立ECU、1个进气电磁阀、1个排气电磁阀、1个备压电磁阀、1个继动阀及1个压力传感器，如图2所示。当车辆在行驶过程中需要制动时，司机踩下制动信号输出器，制动信号输出器内部的位移传感器发出位移工作信号。制动信号输出器将位移工作信号传递给中央控制模块，由中央控制模块根据制动信号输出器内置传感器的工作信号，将行车制动所需的压力传递给EBS单通道桥控模块内置ECU。EBS单通道桥控模块会接收到来自中央控制模块的压力工作信号，通过内置的进气电磁阀、排气电磁阀、备压电磁阀、继动阀及压力传感器进行压力的增压、保压及减压工作。EBS单通道桥控模块将输出口的工作压力传递给制动气室，产生行车制动使车辆停车。

图2 EBS单通道桥控模块原理图EBS单通道桥控模块中进气电磁阀、排气电磁阀及备压电磁阀均是结构相同的电磁阀。该类型电磁阀由电磁线圈、动铁芯、静铁芯及弹簧等组成。电磁阀的主要性能指标包括电磁阀的温升、电磁阀的响应时间等。EBS单通道桥控模块是EBS电子制动控制系统中的核心模块，在车辆行驶过程中，司机每一次重刹车或点刹车，都将触动EBS单通道桥控模块工作，内部的电磁阀都会做相应的动作。电磁阀的每一次吸合，都会使电磁阀的线圈通电一次，尤其是车辆在长下坡路段，电磁阀通电工作更加频繁。电磁阀线圈通电会产生温升，长时间温度过高的线圈将会使电磁阀性能下降，严重时会将线圈烧毁，使EBS电子制动控制系统失效。在产品设计开发过程中，需要对电磁阀线圈温升进行计算，计算公式见式（1）。

在式（1）中，

是线圈的平均温升，单位为℃；

是线圈在发热情况下的温度，单位是℃；

是线圈热态电阻时周围空气温度，单位为℃；

是线圈冷态电阻时周围空气温度，单位是℃；

是线圈温度为

时的电阻值，单位为Ω；

是线圈温度为

时的电阻值，单位为Ω；是在0 ℃时被测线圈导体材料的电阻温度系数。EBS单通道桥控模块内置电磁阀的响应时间，是EBS电子制动控制系统中的一个重要指标。进气电磁阀、排气电磁阀的响应时间快慢，直接关系到EBS单通道桥控模块内置继动阀压力建立与释放的速度。在产品设计开发过程中，需要对电磁阀的响应时间进行分析计算，可以采用AMESim软件对电磁阀响应时间进行有限元分析，用该软件搭建EBS单通道桥控模块局部系统管路图。由AMESim软件搭建EBS单通道桥控模块局部系统管路图分析出电磁阀建压时间，如图3所示。为了确保产品设计的机械强度，在产品开发设计过程中，需要对零部件强度进行有限元分析，以提高设计的准确度。图4是采用ANSYS有限元分析软件对活塞强度进行分析的结果。

图3 电磁阀建压时间EBS单通道桥控模块内置的压力传感器，实时将该模块输出口的气压值传递给EBS单通道桥控模块的内置ECU，内置ECU根据内置压力传感器反馈的气压值信号，对进气电磁阀、排气电磁阀进行通断电控制，从而准确控制EBS单通道桥控模块输出口压力，控制制动气室的压力，达到稳定停车的目的。EBS单通道桥控模块11口接储气筒气源，4口接制动信号输出器的输出口，21口、22口接制动气室。司机踩下制动信号输出器，制动信号输出器输出口气压到达EBS单通道桥控模块4口的备压电磁阀处。当制动信号输出口内置位移传感器工作时，中央控制模块将位移传感器工作信号通过CAN传递给EBS单通道桥控模块内置ECU，内置ECU控制备压电磁阀通电工作，备压电磁阀由导通状态转换为截止状态。由于电信号传递速度远远快于气压信号的传递速度，所以备压电磁阀通电工作时，制动信号输出器的输出口的气压还未到达EBS单通道桥控模块4口备压电磁阀附近。备压电磁阀在EBS电子制动系统中是EBS单通道桥控模块电控制动与机械制动相互切换的关键部件。备压电磁阀通电工作时，截止来自制动信号输出器的输出口的气压，使EBS单通道桥控模块的增压、保压及减压工作，由进气电磁阀、排气电磁阀来完成，以达到完成电控制动的效果。当备压电磁阀不工作时，备压电磁阀将一直处于导通状态，将来自制动信号输出器的输出口的压力传递到EBS单通道桥控模块4口附近。气压通过备压电磁阀通道到达继动阀上腔，推动活塞下移，使来自整车气源1口的压力输出到2口，输出口气压推动制动气室产生行车制动，使车辆停止。在EBS电子制动系统中，EBS单通道桥控模块进行电控制动时首先要对备压电磁阀进行通电工作。备压电磁阀通电截止并阻止来自制动信号输出器的输出口的压力，是EBS单通道桥控模块正常运行的一个条件，目的是使来自4口的气压不能对继动阀上腔的气压进行干扰。

图4 活塞强度有限元分析备压电磁阀、进气电磁阀、排气电磁阀均为二位二通电磁阀。在实现电子控制输出管路增加的过程前，储气筒气源压力通过11口到达进气电磁阀处。EBS单通道桥控模块内置ECU控制进气电磁阀通电工作，此时11口气压到达进气电磁阀与排气电磁阀之间，并且压力处于继动阀上腔。由于活塞下行，压力降低，11口气压流至2口最终到达制动气室，完成电控制动。进气电磁阀通电工作是电控增压的过程，当压力达到目标值时进气压力传感器断电，EBS单通道桥控模块处于保压状态。由于此时进气电磁阀与排气电磁阀均为常闭式二位二通电磁阀，常闭式二位二通电磁阀的特点是不通电时气路处于截止状态，通电后气路是导通的，并且通电后断电气压依旧保持原来状态。当需要对输出口压力进行减压时，EBS单通道桥控模块内置ECU控制排气电磁阀通电，完成减压操作。EBS单通道桥控模块在对输出管路完成电控增压、电控保压及电控减压的过程中，均是通过对备压电磁阀、进气电磁阀及排气电磁阀的通电、断电来完成的。在电控制动过程中，EBS输出口的压力传感器将实时监测输出口压力，并将监测到的压力信息实时传递到EBS单通道桥控模块内置ECU，由内置ECU控制上述三种电磁阀完成相应的控制操作，以达到对输出口压力进行准确控制的效果。5 结束语EBS单通道桥控模块以其自身卓越的性能，在ESC、ACC等诸多汽车电控系统中得到广泛应用，为商用车的电子化、智能化发展作出了一定贡献，推动了汽车行业进一步发展。

参考文献：

[1]梁全.谢基晨.聂利卫.Amesim机电一体化仿真教程[M].北京:机械工业出版社,2021:32.[2]陈艳霞.ANSYS Workbench 2020有限元分析:从入门到精通[M].电子工业出版社,2020:45.[3]瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司.一种EBS桥控装置及安装该装置的汽车:CN201820347365.5[P]. 2018-11-23.[4]瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司.一种集成式EBS后桥制动装置及安装该装置的汽车:CN201820347817.X[P].2019-05-24.[5]瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司.带节流功能的集成式EBS新型挂车阀:CN201810031627.1[P]. 2018-07-06.[6]金宁,周茂军,康晓敏.CAD/CAM技术[M].北京理工大学出版社.2010:37.[7]范伟军,李君,翟俭超,等.EBS桥模块检测系统研究[J].中国测试,2020(1):140-146.

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