1 引言
我国“十三五”新能源汽车试点专项研发计划的目标之一是，电动汽车智能化水平达到SAE 3级，即自动驾驶系统在一定行驶条件下可以完全控制车辆纵向和横向驾驶任务[1-3]。线控化驻车制动(electronic parking brake,EPB)技术便是实现该目标的一个重要环节[4-8]。
根据使用场合不同，当前线控化驻车制动通常可分为2种实现形式，一种是机械式驻车制动线控技术，主要用于乘用车和轻型商用车；另一种是气压式驻车制动线控技术，用于采用气制动系统的商用车驻车制动。在机械式驻车制动线控方面，德国的天合汽车(ZF TRW)、博世、大陆汽车，韩国的万都，以及国内的吉林大学等均已研发出相关产品，以提高车辆的主动安全性、降低其驾驶操纵难度[9-14]。为改善商用车的坡道起步性能并实现自动驻车，国外的Wabco和Knorr、国内的南京理工大学和瑞立科密等均对气压式驻车制动线控技术进行了研发[15-17]。
目前，乘用车领域机械式驻车制动线控技术的应用已成普及之势；与之相比，气压式驻车制动线控技术的发展还处于发展阶段，绝大部分中、重型商用车依然采用手控驻车制动系统。对于现代商用车智能化发展趋势而言，驻车制动系统线控化是其智能化发展的必由之径。本文以某纯电动商用车为试验平台，结合起步工况和驻车操纵的工作特点，研发了气压式驻车制动线控技术，以电磁阀为执行元件，制定相应的驻车制动控制策略，开发了控制系统软硬件，实现了某纯电动商用车气压式驻车制动系统的智能化以线控制。
2 系统气压管路布置
试验车辆为某采用电动机中央驱动和气压制动系统的纯电动商用车，车辆可自动换挡。车辆气压制动回路如图1所示，后桥采用复合制动气室，行车制动为充气制动，放气解除制动；驻车制动为放气制动，充气解除制动。其中，驻车制动系统是以压缩气体为工作媒介，以手阀为操控机构，以复合制动气室为执行机构，以差动式继动阀为功率放大机构的先导式二级阀控系统(见图2)。行车制动采用快放阀来缩短解除时间。为保证车辆制动的可靠性，行车制动系统和驻车制动系统的气压回路相互独立。
对于驻车制动系统而言，当复合制动气室的驻车制动气室内无压缩气体时，制动推杆在弹簧的作用下伸出，促动制动蹄压紧在制动鼓上，车辆施加驻车制动；当驻车制动气室充满压缩气体时(气源额定气压为0.8 MPa)，弹簧在气压作用下压缩、制动推杆收回，制动蹄张开，车辆驻车制动释放。图1中差动式继动阀的2个控制口41、42分别接受脚阀和手阀的控制气压，并根据41、42口的压力来决定输出口2的压力，从而保证行车制动和驻车制动的正确性，并避免行车制动及驻车制动同时施加时产生制动重叠。
对于传统手控驻车制动而言，差动式继动阀控制口42的气压由手阀控制，不仅无法满足智能驾驶的使用要求，同时由于手阀布置在驾驶室内，存在控制气管路长、系统响应偏慢等问题。气压式驻车制动系统在管路布置上引入充气电磁阀、放气电磁阀和气压传感器(如图1红色部分所示)，取代传统手阀控制，实现驻车制动的安全智能控制。为使车辆在不同载荷、不同道路坡度下均能保证车辆平稳起步，此时电磁阀采用脉宽调制(pulse width modulation,PWM)驱动来控制充气压力，实现驻车制动力的实时调节。
图1 气动式驻车制动系统电-气线路图
Fig.1 Circuit of pneumatic parking brake system
图2 气压式线控驻车制动系统图
Fig.2 Pneumatic electronic parking brake system
3 线控驻车制动的电控系统设计
3.1 电控系统硬件设计
综合考虑整车特点，以及气压式线控驻车制动功能、性能和试验测试等的要求，按照模块化设计思维，开发气压式驻车制动电子控制系统硬件架构如图3所示。
1) CAN模块支持CAN2.0A和2.0B，通过CAN总线读取：驱动电机的转矩、转速和加速踏板信号，变速器的挡位信号，车辆的车速、电池SOC和制动踏板信号等。
2) 模拟电路处理气压测量信号。
3) 驱动电路将MCU的控制指令输出，控制驻车制动系统电磁阀的动作。
4) 电源模块为电控单元提供稳定电压并起保护作用。
5) 安全员的驻车制动意图通过开关操控体现，开关分为手动和自动2种模式，开关动作通过开关电路处理后输入MCU。
6) 电控单元内部还集成了坡度测量、程序存储、诊断存储等功能模块。电控系统的正常工作电压为24 V，正常工作电流≤ 0.5 A，休眠状态电流≤10 mA。
为满足实车使用要求，并保证工作过程的环境适应性和可靠性，电控系统还通过了高/低温、振动等环境试验和辐射发射、瞬态传导发射、辐射抗扰度等电磁性能试验的验证，符合我国相关标准要求。
图3 气动式线控驻车制动系统的硬件架构示意图
Fig.3 Electronic control hardware for pneumatic parking brake
3.2 电控系统软件设计
与电子控制系统硬件相匹配，功能模块化设计的气压式线控驻车制动系统软件结构如图4所示。
图4 气压式线控驻车制动软件结构框图
Fig.4 Software architecture of pneumatic parking brake
气压式线控驻车制动系统通过CAN总线与车辆电控系统互联，并与上位机采集与调试软件相连实现数据采集和实车调试测试。内部控制程序主要包括以下几种功能模块：
1) 测试功能。当通过上位机采集界面向下位机发送测试指令时，系统进入测试功能模块，主要用于电磁阀等零部件功能的测试。
2) 休眠功能。若车辆处于熄火状态，则电控系统进入休眠功能模块，减少系统能耗。
3) 标定功能。当上位机发送参数标定指令时，系统进入控制参数的初始标定功能模块。
4) 安全员手动操控功能。ECU运行过程中不断检测开关状态，如果检测到开关手动操作，系统进入手动操控功能模块，此时驻车及其释放通过手动操控开关来完成。
5) 自动控制功能。若ECU运行过程中无开关干预动作，则系统按照自动控制功能运行，此时气压式驻车系统自动控制车辆驻车及释放。
6) 应急制动功能。若行车过程中，安全员发现临时突发情况无法保证车速的安全可控，此时通过操控开关，系统进入人工接管应急制动功能模块，提高行车安全性。
7) 故障诊断功能。系统运行过程中，不断检测软硬件工作情况，实现故障诊断与存储，并在故障模式下进行安全降级，以保证车辆“跛行回家”。
3.3 试验数据采集与分析系统
为了实时监测车辆气压式线控驻车制动系统在实车运行过程中的状态，同时，便于参数标定、系统调试、控制改进、实验数据的存储和分析等，基于VB语言设计开发了试验数据采集与分析系统，如图5所示。
图5 气压式线控驻车制动系统的测试数据采集、 存储框图和数据分析接口曲线
Fig.5 Testing data acquisition for pneumatic parking brake
4 试验
针对所开发的气压式线控驻车制动系统，在完成零部件测试与台架测试之后，进行某纯电动商用车搭载道路试验，试验主要参照GB 12676—2014《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》的要求进行。
气压式线控驻车制动系统充气电磁阀、放气电磁阀和气压传感器在车辆底盘的安装布置如图6所示。电控单元、安全员操纵开关和CAN数据通讯采集如图7所示。
图6 气压式线控驻车制动系统底盘安装布置图
Fig.6 Installation of pneumatic EPB in the vehicle chassis
图7 气压式线控驻车制动系统实车安装与测试图
Fig.7 Installation and test of pneumatic EPB
图8为满载工况坡道(道路坡道8°)手动驻车/起步自动释放多次试验结果曲线。由图8可见，气压式线控驻车制动系统能正确迅速响应安全员的手动驻车指令，将车辆可靠停稳；通过对车辆状态信息的综合判定，能正确实现车辆的起步意图而无需安全员操作，且车辆起步平稳，无溜车或前冲现象(见图8( a)中的车速曲线)。可见，气压式驻车制动系统线控技术实现了驻车制动智能化控制，为整车智能化提供支撑，同时还改善了车辆坡道起步时的平稳性。
图8 满载和1挡时车辆坡道停车和启动试验结果曲线
Fig.8 The time histories of vehicular ramp parking and start test,with full load and 1st gear
图9是在水平路面、满载工况下的模拟驾驶员/安全员忘记驻车的自动驻车控制试验曲线。停车后，变速器挂入空挡(图9(a))，车辆安全员未进行驻车操作，在105.2 s时刻将点火钥匙由ON→OFF(图9(d))，驻车阀即工作(图9 (c))，驻车气压随之下降，在105.8 s时刻气压降为0(图9(b))，即实现驻车，点火钥匙重新上电后，系统显示驻车状态(图9(c))。可见，气压式驻车制动系统线控技术工作响应逻辑正确、工作响应时机准确，能够有效消除停车时忘记驻车的安全隐患，提升了整车安全性。
图9 车辆自动停车试验曲线(安全员在不停车的情况下拔出钥匙)
Fig.9 The time histories of vehicular automatic parking (the keys pulled out without parking)
5 结论
1) 在对某纯电动商用车气压制动系统工作特性研究的基础上，完成了气压式驻车制动系统线控化设计，开发了气压式线控驻车制动的软硬件和实验数据采集分析系统；
2) 实车试验结果表明，气压式驻车制动线控技术能够良好实现该纯电动商用车驻车制动系统的自动控制，能够提升车辆安全性，满足商用车智能化发展的技术需求。
[1] 廖自力,疏歆,蔡立春.四轮独立电驱动军用车辆双重转向控制研究[J].兵器装备工程学报,2021,42(06)：69-74.
Liao Z L,Shu X,Cai L C.Research on dual-steering control for military vehicles with four wheel independent electric drive[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2021,42(06)：69-74.
[2] 徐磊,何晓晖,王强.油液混合动力车驱动/制动系统及其控制策略分析[J].兵器装备工程学报,2018,39(02)：56-60.
Xu L,He X H,Wang Q.Analysis of hydraulic hybrid vehicle driving / braking system and its control strategy[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2018,39(02)：56-60.
[3] 刘春光,马晓军,王科淯.军用多轮分布式电动车辆驱动力协调控制[J].兵器装备工程学报,2021,42(02)：35-39.
Liu C G,Ma X J,Wang K Y.Coordinated drive force control of the military electric vehicle with multi-wheel[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2021,42(02)：35-29.
[4] 欧阳明高.中国新能源汽车的研发及展望[J].科技导报,2016,34(06)：13-20.
Ouyang M G.New energy vehicle research and development in China[J].Science & Technology Review,2016,34(06)：13-20.
[5] 《中国公路学报》编辑部.中国汽车工程学术研究综述·2017[J].中国公路学报,2017,30(06)：1-197.
Editorial Department of China Journal of Highway and Transport.Review on china's automotive engineering research progress：2017[J].China Journal of Highway and Transport,2017,30(06)：1-197.
[6] 张瑞琳.自动驾驶车辆电控制动技术研究[D].北京：北京理工大学,2016.
Zhang R L.Research on electrical braking technology of autonomous vehicles[D].Beijing：Beijing Institute of Technology,2016.
[7] 朱敏,陈慧岩,熊光明.无人驾驶轮式车辆电控气压制动技术研究[J].兵工学报,2015,36(11)：2017-2023.
Zhu M,Chen H Y,Xiong G M.Research on electropneumatic brake for unmanned wheeled vehicle[J].Acta Armamentarii,2015,36(11)：2017- 2023.
[8] 于钦.气压式电子驻车制动系统设计研究[D].南京：南京理工大学,2015.
Yu Q.Design and research of pneumatic electronic parking brake system[D].Nanjing：Nanjing Univ.Sci.& Tech.,2015.
[9] Lee Y O,Jang M,Lee W,et al.Novel clamping force control for electric parking brake systems[J].Mechatronics,2011,21(7)：1156-1162.
[10]Wang B,Guo X X,Zhang C C,et al.Modeling and control of an integrated electric parking brake system[J].Journal of the Franklin Institute,2015,352(02)：626-644.
[11]Wang B,Guo X X,Zhang C C,et al.Simulation and experiment on electrical parking brake system[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(08)：45-49.
[12]Wang E L,Tao G,Chen H Y.On control strategy of automatic transmission starting process[C]//2012 IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety (ICVES’12).Istanbul,Turkey,2012.
[13]初亮,马文涛,祁富伟,等.基于EPB的应急制动后轮防抱死控制策略[J].北京理工大学学报,2016,36(11)：1136-1140.
Chu L,Ma W T,Qi F W,et al.Control strategy of emergency brake rear-wheel anti-lock based on EPB[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2016,36(11)：1136-1140.
[14]闫佳伟.汽车智能驻车与辅助起步控制系统研究[D].长春：吉林大学,2015.
Yan J W.Research on intelligent parking and start assisting control system of vehicle[D].Changchun：Jilin University,2015.
[15]王洪亮,苑庆泽,钟焕祥,等.基于EPB的汽车坡道起步自动控制技术[J].北京理工大学学报,2014,34(04)：344-348.
Wang H L,Yuan Q Z,Zhong H X,et al.Research on the hill-start auto control for the vehicles with EPB[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2014,34(04)：344-348.
[16]王洪亮,谷文豪,张庆渴,等.汽车坡起中EPB的Bang-Bang控制研究[J].北京理工大学学报,2017,37(01)：46-49.
Wang H L,Gu W H,Wang E L,et al.Research on Bang-Bang control of EPB system in vehicle hill start[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2017,37(01)：46-49.
[17]Moon B J,Jung H G,Lee S G,et al.Parallel model based fault detection algorithm for electronic parking brake system[J].International Journal of Automotive Technology,2014,15(03)：483-494.