集成式电子液压制动系统

本文英文版于2017年12月22日发表在《Science》杂志专刊《Reimagining new energy vehicles: Research innovations at Tongji University》（文章内容稍有删改）。
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汽车电动化和智能化对于制动系统提出了新的需求。电动汽车的再生制动控制和智能汽车的运动控制均需要制动系统进行制动力主动控制，乘用车的制动系统正由人力伺服液压制动向线控制动转型[1]。

Robert Bosch公司提出了制动力完全可控的iBooster+ESP Hev（Two-box）方案，分成主动建压单元和轮缸阀控单元2个功能模块。进一步，把主动建压单元和轮缸阀控单元集成，形成更为紧凑、成本更低的One-box方案，如Continental公司的MKC1和ZF TRW公司的IBC。这种One-box的集成式电子液压制动系统(integrated electro-hydraulic brake system, I-EHB)已经成为制动系统的发展方向。

集成式电子液压制动系统设计方案



图1 电子液压制动系统拓扑架构

如图1所示，电子液压制动系统（electro-hydraulic brake system, EHB）共分成4大部分：制动踏板单元、液压驱动单元、液压调节单元、控制系统。通过其中关键部件的组合、互联、重构，可以形成许许多多的构型方案。

Hitachi公司E-ACT
以外包形电机作为制动动力源，电机转子与滚珠丝杠集成一体作为液压驱动单元。该系统应用于Nissan第一代Leaf上，取得了较好的效果。

Continental公司MK C1
集成ABS、ESC等功能的One-box方案。在正常模式下，制动主缸只作为踏板模拟器，另外还有一个液压缸，在电控液压驱动单元的推动下建立制动液压力，去除了制动系统的主要噪声源（真空泵和ESC的多活塞液压泵）。

ZF TRW公司IBC
集成ABS、ESC等功能的One-box方案。以一个包括超高速无刷电机的集成单元取代了低真空或无真空系统所需的大量独立部件。该系统采用了一套独立的液压单元作为踏板感觉模拟器。

Robert Bosch公司iBooster
具有踏板感觉可调、可配合ESP Hev实现再生制动等特点。第一代减速机构采用双蜗轮齿轮形式，对称布置在齿条两侧，齿条受力均匀，具有高动态响应能力。第二代将二级蜗轮蜗杆改为一级滚珠丝杠减速，体积大幅度缩小，控制精度有所提高。



图2 集成式电子液压制动系统设计方案

集成式电子液压制动系统中，踏板和轮缸通常解耦，以实现液压力主动调节。如何在保证满足失效安全要求的前提条件下，提出空间紧凑、制造方便、成本低、可靠性高的创新设计方案是集成式电子液压制动系统开发的首要问题。

同济大学提出了一种利用4个电磁阀（基于管路复用原则）进行液压主动调控的集成式电子液压制动系统[2]（图2所示）和具有双电机动力单元形式的集成式电子液压制动系统[3]。

主缸液压力控制

面向制动系统的液压力主动精确控制需求，针对I-EHB系统的摩擦等非线性因素导致的液压力控制过程的爬行、死区与失稳问题，同济大学提出了I-EHB系统主缸液压力控制算法。值得注意的是，以下多种控制算法的有机结合能够大大提高系统的性能。

摩擦补偿
基于颤振信号[4]。通过试验优化信号的幅值、频率等参数，摩擦爬行现象消失，系统的线性度提高。
基于摩擦模型[5]。设计了自适应控制律补偿摩擦模型参数的变化，在动态响应中有更高的控制精度。

压力反馈控制
分段比例-积分控制[6]。基于田口方法优化得到控制器的最优控制参数。鲁棒性强，响应迅速，在500次试验内均保持稳健。
积分抗饱和滑模控制[7]。系统响应跟踪变幅值和变频率目标的效果良好，控制精度更高。

针对创新I-EHB架构的控制
无压力传感器I-EHB系统[8]。采用非线性观测器观测出PV特性曲线的关键特征参数，再利用串级控制器精确跟踪目标压力，取得了良好的跟踪效果。
双电机驱动I-EHB系统[3]。一个电机作为液压驱动单元，提供主缸压力；另一个电机作为踏板模拟器的动力源，用来主动模拟踏板感觉。该方案能够实现踏板感觉可调，可以作为未来线控制动系统的参考。

轮缸液压力控制

由于电机伺服可以实现快速增减压控制，相比传统ESC，集成式电子液压制动系统可以用更少的阀实现轮缸液压力控制。针对图2所示具有新型液压力调节单元的I-EHB，每个轮缸都通过唯一的管路连接到主缸，在增压和减压过程中液压力控制是由同一个电磁阀来实现，即管路复用原则。在同一时刻各轮缸需求的压力值可能不同，也可能处于不同的增、减压状态。由于任意时刻液压驱动单元只能提供一个液压力值，各轮轮缸液压力独立、快速调节是控制算法设计面临的重要挑战，其结果是计算得到最优的主缸目标压力。同济大学提出了一系列创新的控制算法。

轮询调度法[9]
每1/4个周期控制一个轮缸，在这段时间内，对应轮缸的电磁阀打开，其他三缸的电磁阀均保持关闭，主缸目标压力等于该轮缸的目标压力，完成该轮缸增压/减压的需求，但在剩余3/4个周期内，该轮缸均处于保压状态。试验结果证明了该算法的有效性。

主缸定频调压法[9]
当4个轮缸给出各自的目标压力时，令电机推动主缸活塞作往复的抖动，令主缸的压力范围覆盖4个轮缸的目标压力，且其抖动的频率大大高于各轮缸目标压力的频率，每当主缸压力靠近轮缸的目标压力时，适时的开闭电磁阀以使得轮缸压力跟踪目标压力变化。试验结果表明轮缸压力跟随效果优于采用轮询调度法的跟踪效果，原因是该算法能够满足更多轮缸的增/减压需求。

基于轮缸压力均衡法[10]
借鉴了带有高、低压蓄能器的电子液压制动系统的工作原理。根据各轮缸压力需求决策出最优的主缸目标压力，使液压驱动单元能够尽可能多地满足轮缸增/减压需求。将该算法用于车辆稳定性控制研究，试验结果表明，实际液压力能够快速跟踪ESC策略给出的目标液压力。

结论与展望

满足车辆电动化和智能化需求的集成式电子液压制动系统(I-EHB)是制动系统发展的趋势，不同公司和科研机构提出了多种创新设计方案，能够有效实现系统集成，并满足制动系统失效安全要求。

在制动系统液压制动力控制方面，相关的主缸液压力控制科研成果能够有效克服系统摩擦等非线性问题，实现高精度液压力控制。面向少阀压力调节单元的I-EHB系统，也提出了多种创新的轮缸液压力调节算法和解决方案。

未来I-EHB系统的设计优化、工程化和制造成本控制是需要解决的问题，基于I-EHB实现再生制动功能的复合制动协调控制、ADAS控制(AEB等)也需进一步研究。

参考文献

[1]熊璐，汪阳光，广学令，徐松云.电子液压制动系统失效保护设计和分析[J].机床与液压.2015, 43(19):140-145.
[2] Yu Z, Xu S, Xiong L, Han W. An Integrated-Electro-Hydraulic Brake System for Active Safety[C]. SAETechnical Paper 2016-01-1640.
[3] Xiong L, Yuan B, Guang X, Xu S. Analysis and Design of Dual-Motor Electro-HydraulicBrake System[C]. SAE Technical Paper 2014-01-2532.
[4] 熊璐，徐松云，余卓平. 基于颤振补偿的电子液压制动系统液压力优化控制[J]. 机械工程学报. 2016, 52(12):100-106.
[5] Li H, Yu Z, Xiong L, Han W. Hydraulic control ofintegrated electronic hydraulic brake system based on LuGre friction model[C]. SAETechnical Paper 2017-01-2513.
[6] 余卓平，徐松云，熊璐，广学令. 集成式电子液压制动系统鲁棒性液压力控制[J]. 机械工程学报. 2015, 51(16):22-28.
[7] 余卓平，韩伟，熊璐. 集成式电子液压制动系统液压力变结构控制[J]. 汽车工程. 2017, 39(1): 52-60.
[8] Han W, Xiong L, and Yu Z. Braking Pressure TrackingControl of a Pressure Sensor Unequipped Electro-Hydraulic Booster based on aNonlinear Observer[C]. SAE Technical Paper 2018-01-0581.
[9] Zhang H, Han W, Xiong L, Xu S. Design and Research on Hydraulic Control Unit for aNovel Integrated-Electro-Hydraulic Braking System[C]. 2016 IEEE TRANSPORTATION ELECTRIFICATION ConFERENCE AND EXPO, ASIA-PACIFIC (ITEC ASIA-PACIFIC). 2016:139-144.
[10] 韩伟，熊璐，李彧，侯一萌，余卓平. 基于集成式电子液压制动系统的横摆稳定性控制策略研究[J]. 机械工程学报. 2017, 53(24): 161-169.