電子駐車制動系統(tǒng)（Electronic Parking Brake, EPB）作為一項汽車底盤安全配置，被越來越多的駕駛者所認可。EPB相對機械手剎，具有以下明顯優(yōu)勢：首先EPB對于駕駛者更加友好，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，消除因溜坡帶來的安全隱患；其次EPB 與電動平臺具有更好的契合度，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，實現(xiàn) EPB 的緊急制動、AutoHold 等功能；最后隨著車輛自動駕駛技術的快速發(fā)展，EPB已經(jīng)具有線控駐車的執(zhí)行層，已經(jīng)可以擴展全自動泊車輔助系統(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成本和技術成熟度原因，在商用車型上應用較少，但是隨著EPB在乘用車的普遍配置，同時商用車駕駛?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采用液壓制動新能源商用車為例，該車型采用同軸式電驅(qū)動橋，駐車制動采用行、駐一體制動器，操縱系統(tǒng)采用EPB，對EPB開發(fā)過程的各個階段進行介紹，從而給從業(yè)人員帶來一種新的開發(fā)思路。
1 功能安全
EPB作為一項底盤功能安全配置，其熄火自動駐車、坡道起步功能只是其基本配置，在實際的開發(fā)過程中要考慮到多項使用場景，例如：車輛移動時意外斷電、車輛維修等。面對不同使用場景需要設置對應控制策略。
1.1 靜態(tài)駐車功能及判斷信號
靜態(tài)駐車功能指車輛點火信號打開，車輛處于靜止狀態(tài)，手動拉EPB開關，執(zhí)行駐車制動。判斷靜態(tài)駐車模式信號為ABS輪速有效性信號。
車輛熄火自動駐車功能指車輛靜止時，點火鑰匙轉(zhuǎn)至ACC位置后，自動執(zhí)行駐車制動（無需拉EPB開關）。判斷自動駐車模式信號：（1）ABS輪速有效性信號；（2）點火IGN+（Ignition）信號（包括硬線及控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network, CAN）線上報文）。
外部請求接口命令功能指可以響應其他控制模塊的駐車命令，實現(xiàn)AUTO HOLD或起停功能。
1.2 靜態(tài)釋放功能及判斷信號
靜態(tài)釋放功能指IGN ON時，踩下制動踏板，手動按EPB開關，釋放駐車制動。判斷靜態(tài)釋放模式信號：（1）制動踏板有效性信號；（2）IGN+信號（包括硬線及CAN線上報文）。
起步自動釋放功能指車輛上電狀態(tài)，擋位在前進或后退擋，駕駛員在座位上，車輛起步時，自動松開駐車制動，并根據(jù)坡度大小進行智能調(diào)整，以防溜坡。判斷起步自動釋放模式信號：（1）電機運行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速信號和扭矩信號及有效性信號；（2）油門踏板、擋位及駕駛員側(cè)門開關信號及有效性信號。
失效釋放功能指車輛在制動踏板和油門信號都失效情況下，EPB駐車狀態(tài)，長按EPB釋放開關5 s，駐車釋放。判斷失效釋放模式信號：（1）制動踏板、油門信號及有效性信號；（2）IGN+信號（包括硬線及CAN線上報文）。
維修釋放功能指車輛在靜止時，EPB進入完全釋放狀態(tài)，長按EPB釋放開關10 s～15 s，松開EPB開關，3 s內(nèi)按下EPB開關，EPB執(zhí)行釋放到底動作，用于制動系統(tǒng)更換維修。判斷維修釋放模式信號為ABS輪速有效性信號。
1.3 動態(tài)駐車功能及判斷信號
動態(tài)駐車功能指在車輛行進中，拉住EPB開關不放，EPB可以通過駐車制動進行減速，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。判斷動態(tài)駐車模式信號：（1）ABS輪速有效性信號；（2）ABS工作狀態(tài)有效性信號；（3）點亮后尾燈請求信號。
1.4 自動駐車關閉功能及判斷信號
自動駐車關閉功能按下EPB開關保持3 s內(nèi)熄火，可以臨時關閉自動駐車功能。判斷自動駐車關閉信號為IGN+信號（包括硬線及CAN線上報文）。
2 技術路線
目前市場上主流的EPB系統(tǒng)分為拉索式電子駐車制動系統(tǒng)和集成式電子駐車制動系統(tǒng)。
2.1 拉索式電子駐車系統(tǒng)
拉索式電子駐車制動系統(tǒng)屬于手剎制動的改進版，使用電機轉(zhuǎn)動代替人力操縱駐車手柄，利用電機的正反轉(zhuǎn)控制駐車拉索行程的變化，從而進行駐車和釋放，其整體機構則與手剎基本相同。如圖1所示。
當車輛駐車時，電機正轉(zhuǎn)，通過雙級齒輪減速機構進行駐車力矩的增加，再通過絲杠螺母機構，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動，從而拉動駐車拉索。當絲杠上的拉力傳感器達到設定的閥值時，電機停止轉(zhuǎn)動，車輛保持駐車。如果此時整車出現(xiàn)意外斷電情況，因絲杠螺母機構具有自鎖功能，則會保持當前駐車狀態(tài)。
圖1 拉索式EPB結構圖
當駐車釋放時，電機反轉(zhuǎn)，通過減速齒輪和絲杠螺母機構帶動駐車拉索釋放，當達到設定的釋放拉索行程時，電機停止轉(zhuǎn)動。
2.2 集成式電子駐車系統(tǒng)
集成式電子駐車制動系統(tǒng)主要由四部分構成：電機、減速機構、絲杠螺母和制動器[5]。如圖2所示。
1—制動電機；2—減速增力機構；3—絲杠螺母機構的滑動絲杠；4—絲杠螺母機構的螺母；5—制動活塞；6—摩擦塊；7—摩擦盤；8—制動卡鉗。
圖2 集成式EPB結構圖
駐車制動時，電機輸出力矩傳遞到減速機構，減速機構則將傳導的力驅(qū)動絲杠螺母機構的心軸旋轉(zhuǎn)，推動壓力螺母直線運動，從而作用到制動活塞上，制動活塞再推動右制動蹄片擠壓制動盤，達到駐車制動效果。
2.3 EPB結構與適用車型對比
集成式電子駐車制動器與行車制動器集成，因為布置空間影響，目前駐車電機的輸出力基本最大達到3 kN，多應用于乘用車，以及3.5 t以下皮卡和商務車型。而拉索式電子駐車制動系統(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。本車型因為總質(zhì)量達到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，需要滿載狀態(tài)的車輛能在設計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所能達到的極限坡度，所謂極限坡度指整車在一定坡度上駐車時，即使駐車制動力繼續(xù)增加，車輛依然無法在此坡道上駐車。然后根據(jù)整車設計開發(fā)要求，校核車輛在滿載狀態(tài)下能否在設計的最大坡度上平穩(wěn)駐車。
式（1）為車輛所能達到的極限上坡坡度計算公式；式（2）為車輛所能達到的極限下坡坡度計算公式[1]。
（1）
（2）
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駐車的極限坡度。
表1 整車及制動器參數(shù)
表2 整車空滿載上、下坡極限坡度
整車在滿載狀態(tài)設計的最大坡度為30%，小于車輛的極限坡度，因此，校核在各個坡度下EPB的電機輸出力，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電機力
整車在滿載狀態(tài)設計的最大坡度為30%，其EPB電機需求輸出力為971 N，而本車型采用的EPB電機輸出力達到1 400 N，完全滿足車型的開發(fā)需求。
4 駐車系統(tǒng)布置
駐車制動系統(tǒng)的布置不僅影響駐車的可靠性，同時影響駐車系統(tǒng)拉索的效率和EPB電機輸出力的有效性，從而影響整車駐車效果。
該車型采用輪邊駐車制動器，通過主副拉索將左右駐車制動器連接起來，再通過杠桿機構，將主拉索與EPB電機推桿相連。如圖3所示。
圖3 EPB系統(tǒng)布置圖
EPB輸出拉索與杠桿機構連接臂呈垂直狀態(tài)時，EPB的電機輸出力將全部轉(zhuǎn)化為主拉索的拉力。當EPB輸出拉索與杠桿機構連接臂呈現(xiàn)一個夾角α時，只有部分拉索拉力會轉(zhuǎn)化為有效輸出力。
F有效=F?sin α （3）
根據(jù)計算，夾角與垂直狀態(tài)偏差5°時，有效輸出力損失0.38%；偏差10°時，有效輸出力損失1.52%。因此，杠桿臂與拉索的夾角應保持在（90±5）°以內(nèi)。
在駐車制動過程中，EPB初始運動行程為駐車制動器的空行程，隨著制動蹄片與制動鼓接觸，拉索拉力開始變的越來越大，直至車輛完全駐車，拉索拉力達到最大。因此，設置在拉索的終止位置，杠桿臂與拉索的夾角應保持在（90±5）°以內(nèi)。
在拉索與固定支架的連接處，拉索是通過兩個固定螺母與支架緊固連接，在極端情況下，存在螺栓松動、拉索脫落的風險，一旦拉索脫落，整車駐車系統(tǒng)將失去駐車能力。通過在拉索與支架的連接處設置倒L形卡槽，即使拉索緊固螺母松動，但因為采用此卡槽結構，駐車拉索依然不能脫出，大大增加駐車系統(tǒng)的安全性。如圖4、圖5所示。
圖4 拉索與杠桿臂簡圖
圖5 固定支架倒L行簡圖
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)使用場景則分為靜態(tài)駐車、坡度輔助起步、動態(tài)駐車、AUTOHOLD和車輛緊急制動。
5.1 駐車與釋放判斷邏輯
車輛駐車，一般是車輛保持長久的靜止狀態(tài)。而駐車釋放，是車輛從靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)。因此，車輛駐車時，操縱EPB開關即可。而為了防止駐車誤釋放，一般駐車釋放時，不僅要操縱EPB開關，同時要伴隨著有效的剎車信號或油門信號，EPB才會釋放駐車。
EPB在駐車時采用拉力作為判斷信號，在釋放時采用行程做判斷信號，其主要原因在于，車輛駐車時，整車需要達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，可以直接施加相應的駐車力矩。而駐車釋放時，因為隨著制動器的磨損，拉索行程會變得越來越長，如果采用駐車力矩作為釋放判斷信號，容易造成駐車釋放不到位，而采用固定行程作為判斷信號，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，同時包含低速的情況。通常會設計一個速度閾值，閾值速度之下的情況屬于靜態(tài)模式。閾值通常設置在安全車速以內(nèi)，一般≤5 km/h，即在這個速度以內(nèi)車輪抱死，車輛也不會產(chǎn)生危險狀況。
靜態(tài)制動的過程是，按下EPB開關，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡的車速信號判斷工作模式，若是車速低于5 km/h，執(zhí)行器以常規(guī)方式制動，電機正轉(zhuǎn)至所需力矩時，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，會根據(jù)角度傳感器提供的信號值計算出當前坡道角度，從而施加相應的力矩。
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，只需踩下油門踏板，EPB系統(tǒng)經(jīng)過分析計算，當電機的起步力矩達到設定的駐車力矩時，即自動解除駐車制動。
車輛在進行EPB坡道起步功能標定時，選取從小到大不同的坡度如：0%坡度，10%坡度，20%坡度，標定此坡度下需求的駐車力矩和起步力矩，當起步力矩達到設定的駐車力矩，無需駕駛員操作EPB按鈕，EPB則釋放駐車。其他坡度采用插值法，即可實現(xiàn)從最小坡度到最大坡度功能的完善[3]。
5.4 動態(tài)模式
駕駛員按下EPB開關后，若車速高于7 km/h而低于30 km/h，則會按照動態(tài)模式進行處理，如果車速高于30 km/h，則會按照緊急制動控制策略處理。EPB在動態(tài)模式下，如果駕駛員沒有踩下制動踏板，只拉起EPB開關，則EPB系統(tǒng)判斷駕駛員并沒有駐車意圖，只是誤操作。如果車輛需要動態(tài)制動時，則需要踩下制動踏板，同時常拉EPB開關，此時EPB電機會采取輪速信號，在保證2.2 m/s2制動減速度的情況下，同時還要保證車輪不能抱死，此時EPB電機需要不斷的正轉(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，尤其是針對城市工況的擁堵馬路。其控制關鍵在于對駕駛員的駕駛意圖能夠準確判斷，通過坡度傳感器由控制器給出準確的駐車力，在起步時，駐車控制單元通過油門踏板傳感器等提供的信息通過計算，當驅(qū)動力大于行駛阻力時自動釋放駐車制動，從而使汽車能夠平穩(wěn)起步。AUTO HOLD在觸發(fā)時必須同時滿足以下兩個條件：（1）擋位為空擋；（2）車速為靜態(tài)模式。
AUTO HOLD功能有兩種實現(xiàn)方式，一種是通過EPB的電機制動，一種是通知ESC模塊進行液壓制動。前者的優(yōu)點在于控制邏輯簡單，但缺點在于制動的作用時間稍長，噪音稍大，頻繁使用可能降低電機壽命。而ESC模塊通過電機加壓和關閉閥的制動時間通常在100 ms以內(nèi)，釋放制動力時只需打開相應的閥減壓，閥的開閉時間在100 ms以內(nèi)。因此，AUTO HOLD功能基本都是通過ESC模塊協(xié)同工作實現(xiàn)[4]。
5.6 緊急制動控制策略
緊急制動是指車輛在行車制動失效情況下，EPB提供制動力使車輛停下的功能。因為目前車輛上行車制動都是采用雙回路制動，因此，完全失效的概率極低。緊急制動在一般情況下不會觸發(fā)，只是作為行車制動的補充功能。當車速高于30 km/h時，駕駛員需要踩下制動踏板，并且常拉EPB開關，EPB則會以最大的輸出力矩進行駐車。因為此時EPB電機以最大負荷工作，可能會造成EPB執(zhí)行器不可恢復的損傷，從而影響系統(tǒng)的壽命甚至損壞，所以EPB緊急觸發(fā)的的頻率應該是極低的，同時所需要的觸發(fā)條件也是嚴格的。
EPB依據(jù)以下條件判斷當前狀況是否采取緊急制動：（1）車速大于30 km/h；（2）制動踏板達到最大行程；（3）油門踏板行程為零；（4）EPB按鈕一直按下。只有同時滿足四個條件時，EPB則進行緊急制動控制，一旦EPB開關放下，則駐車功能停止。
6 試驗驗證
通過對4.5 t新能源液制動商用車EPB功能的標定，靜態(tài)駐車、釋放，動態(tài)駐車和自動駐車功能都滿足了設定的功能要求。對于坡度起步功能標定結果，如圖6所示。EPB標定了平地，5%坡度，10%坡度，15%坡度，20%坡度，30%坡度下的駐車力矩和驅(qū)動力矩，當驅(qū)動力矩大于駐車力矩，EPB自動釋放，整車平穩(wěn)起步。對于其他的坡度，利用插值法可計算所有坡度下整車需要的駐車力矩和起步驅(qū)動力矩。
圖6 各坡度下整車駐車力矩和驅(qū)動力矩
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