基于滑移率和ABS的電動商用車制動性能控制研究

張 譽, 龐中華, 劉 凱, 李建英, 徐麗鑫, 潘連波

(北京福田歐輝新能源汽車有限公司, 北京 昌平 102206)

商用車(如城市客車、物流車等)在雨雪天氣等低附著系數[1]路面行駛時,常常會激活ABS。根據裝用ABS的電動商用車的特點[2],ABS激活后,電制動直接撤銷,此時車輛制動減速度會突然減小,車輛會突然“向前沖”,制動平順性極差,容易發生交通事故。

1 原因分析

電動商用車低附著力路面制動平順性差是由ABS制動系統“電氣”混合制動的特性引起的[3]。電動商用車ABS制動系統一般由電制動和氣制動兩部分組成,制動踏板行程的前約30%為電制動,后約70%為電制動和氣制動混合制動。商用車的駕駛員為了最大限度回收動能,在減速時(非緊急制動)控制制動踏板行程一般小于30%,此時僅有電制動。而若此時ABS因路況自動激活,VCU如果立即撤掉電制動,則車輛會出現瞬間“加速”現象;為了糾正此時的制動偏差,駕駛員可能會本能超量增大制動踏板開度(使用氣剎去制動),進而引發車輛制動“點頭”問題,從而加重了制動的不平順性。

針對此問題,目前電動轎車一般采用EBS[4],這在一定程度上改善了制動不平順性。由于成本等原因,目前電動商用車還是配置傳統的ABS。解決制動平順性問題主要有兩種方案,一是在儀表臺上加裝“雨雪模式”開關,遇到雨雪天氣等濕滑低附著系數路面時,按下此開關,車輛的電制動功能取消,此時駕駛員僅使用氣剎去制動,此方案不僅增加了駕駛疲勞感,而且嚴重影響車輛經濟性;另一種方案是在ABS激活后,電制動階梯降低,此方法在一定程度上可以緩解制動不平順性[5],但效果有限。

為此,本文設計一種基于滑移率和ABS的制動平順性控制系統。該系統在ABS激活前通過改變制動扭矩控制滑移率,降低ABS激活概率;在ABS激活后綜合考慮原有電制動MAP,控制電制動取消速度(即濾波斜率),以保障制動平順性。

2 控制系統設計

基于滑移率和ABS的制動平順性控制系統主要包括整車控制器、ABS控制器、儀表、驅動電機控制器等,如圖1所示。ABS控制器與整車控制器通過CAN線相連,發送四個輪速信號(用于計算整車滑移率)及ABS信號給到整車控制器,輪速信號傳遞周期可設置為10 ms,以保障整車計算滑移率的實時性;ABS信號的傳遞周期可設置為100 ms,以降低整車CAN線負載率;整車控制器接收ABS控制器輸出的輪速等信號和電機控制器實際扭矩、電流等反饋值后,通過運算輸出駕駛員請求扭矩、電機控制模式等信號;電機控制器執行整車控制器指令并反饋當前狀態;儀表主要用于在系統故障時顯示相應的“故障名稱”,以提醒駕駛員及時對有故障的系統進行檢修。

圖1 控制系統架構圖

基于滑移率和ABS的制動平順性控制系統扭矩輸出控制策略分為兩個階段,第一階段為ABS激活之前,主要參考實時滑移率;第二階段為ABS激活之后,主要參考ABS激活信號及濾波斜率。

2.1 第一控制階段

首先,整車控制器需根據輪速(后輪平均輪速)及車速信號計算出車輛實時滑移率[1](輪胎發出牽引力或制動力時,在輪胎與地面之間都會發生相對運動,即為滑移率)?；坡蕇的計算公式如下:

s=(u-uw)/u×100%

式中:u為整車車速;uw為整車輪速。

當車輪純滾動時,uw=u,s= 0;當車輪抱死純滑動時,uw= 0,s=100%;當車輪邊滾邊滑時,u>uw,0

其次,在進行制動扭矩輸出調節之前,根據車輛制動性能等指標,在原有制動MAP基礎上(制動踏板開度、主電機轉速),乘以制動強度系數Ks,形成優化后的制動MAP,即制動扭矩輸出值=Ks×原制動扭矩,具體如下:

1) 滑移率s≤15%時,制動強度系數Ks為100%。在此階段車輛無滑移或滑移率很低,本控制系統不參與電制動控制,車輛正常行駛。

2) 15%<滑移率s≤25%時,制動強度系數Ks為(100%,50%](50%可另外標定)。此階段車輛出現較大滑移,本控制系統逐步介入,以降低滑移率,從而降低ABS激活的概率[6]。

3) 滑移率s>25%時(此參數參考ABS供應商廠家標定),此時ABS已激活,系統進入第二控制階段。

2.2 第二控制階段

在ABS激活后,整車控制器接收到ABS控制器發送的ABS激活信號,控制系統進入第二控制階段。

首先整車控制器對ABS信號進行濾波預處理。當ABS激活時間<100 ms時,系統返回第一控制階段;當ABS激活時間≥100 ms時,整車控制器進入如圖2所示的控制流程。

圖2 第二控制階段控制流程圖

1) ABS激活后,以初始制動扭矩T0(ABS觸發瞬間的電制動扭矩)為基準[7],以一定斜率K降低電制動扭矩,得到過程制動扭矩Ti(初始電制動扭矩按照一定斜率降低的過程扭矩),同時實時計算當前實際需求制動扭矩T2(整車控制器通過查制動MAP扭矩表得到的扭矩值)。

①Ti=T0-K·t(t為時間,單位ms)

②T2通過查制動MAP表所得,該值為正常狀態下由制動踏板開度、驅動電機轉速兩個變量耦合得到。

2) 當過程制動扭矩Ti降低到T0的50%(可另外標定)或特定制動扭矩T1(T1本系統取350 N·m,也可另外標定,當T0本身就不是很大時,設置T1可保障電制動的最小值)中的較大值時,過程制動扭矩Ti不再降低,取0.5T0和T1兩者的較大值。

3) 在此過程中,對比2)的輸出制動扭矩和當前實際需求制動扭矩T2,實際輸出制動扭矩T3(整車控制器最終輸出的電制動扭矩)取兩者中的較小值。

4) 在整個過程中,如果ABS激活信號失效:①若ABS激活時間≤0.5 s,實際輸出制動扭矩T3維持到0.5 s后,根據設定濾波斜率恢復到當前實際需求制動扭矩T2;②若ABS激活時間>0.5 s,實際輸出制動扭矩T3根據設定濾波斜率及時恢復到當前實際需求扭矩T2。

5) 在整個第二控制階段,氣制動力不受本控制系統影響,即氣制動力輸出大小完全由ABS控制器控制,不受整車控制器控制。

3 實車測試

3.1 試驗方案

以一款8.5 m純電動城市客車為例,根據測試條件和驗證優化內容,選擇在交通部公路交通試驗場(北京通州)的專用低附著系數路面進行參數標定和測試驗證。在車速50 km/h左右開始踩制動踏板,激活ABS,使用CAN數據總線記錄儀記錄不同工況下制動扭矩的輸出情況,根據駕駛員主觀評價和試驗數據(主要參考驅動電機轉速波動范圍[8])進行分析和標定(可標定參數如斜率K、特定扭矩等),最終得出控制方案。

然后參照GB/T 36987—2018《 汽車防抱制動系統(ABS)性能檢測方法》[9],對整車控制策略進行優化,確保車輛制動性能符合要求。

3.2 試驗結果

3.2.1 未采用本控制系統的數據

試驗車輛在未配置基于滑移率和ABS的制動平順性控制系統后,在車速50 km/h左右踩制動踏板,當車速25 km/h左右時ABS激活,從CAN總線記錄儀上采集的數據分析,電制動扭矩快速減為零,驅動電機轉速瞬間升高出現較大波動(在0.48 s內升高627轉),如圖3所示。

圖3 優化前數據

3.2.2 采用本控制系統后的數據

1) 測試1:試驗車輛在配置基于滑移率和ABS的制動平順性控制系統時,在車速50 km/h左右踩制動踏板,當車速20 km/h左右時激活ABS。一方面,從CAN總線記錄儀上采集的數據分析,電制動扭矩按照預定值變化波動,主電機轉速出現小范圍波動(在0.49 s內升高99轉),如圖4所示;另一方面,駕駛員主觀評價為“減速平穩”。

圖4 測試1數據

2) 測試2:試驗車輛在配置基于滑移率和ABS的制動平順性控制系統后,在車速50 km/h左右踩制動踏板,當車速35 km/h左右時激活ABS。一方面,從CAN總線記錄儀上采集的數據分析,電制動扭矩按照預定值變化波動,主電機轉速出現小范圍波動(在0.41 s內升高101轉),如圖5所示;另一方面,駕駛員主觀評價為“減速平穩”。

圖5 測試2數據

3.2.3 安全性測試及評價

某ABS供應商根據GB/T 36987—2018對采用本控制系統的車輛進行整車的制動性能和安全性能測試,測試結果[10]如圖6所示。ABS 控制器通過判斷車輪滑移率進行防抱死控制[11],對ABS調節器進行氣壓控制,同時將 ABS工作狀態進行報文發送,整車VCU系統可以通過監控ABS激活信(ABS-active)進行能量回收狀態的響應或退出,無安全性問題,制動性能符合要求。

圖6 安全及制動性能測試結果

4 結束語

針對商用電動車在低附路面運營中制動不平順的問題[12],一方面,在ABS激活前通過制動扭矩降低ABS激活概率;另一方面,在ABS激活后控制電制動取消速率,并綜合考慮原有電制動MAP,以保障整車的制動平順性。實測結果表明,在低附路面ABS激活后駕駛員不過多干預[13]的情況下,能夠很好地控制ABS激活頻次以及激活后制動的平順性,提高了車輛的安全性能,減少了駕駛員的焦慮感及駕駛疲勞感,對ABS制動系統電動商用車的推廣具有重大意義。