混合動力汽車制動系統簡析

◆文/上海 周曉飛

一、混合動力制動系統概述

電動汽車(電動汽車包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車)的制動系統與其他汽車基本相同。不同的是，在電動汽車上，一般還有電磁制動裝置，它可以利用驅動電動機的控制電路實現電動機的發電運行，使減速制動時的能量轉換成對蓄電池充電的電流，從而得到再生利用。

混合動力汽車的制動系統不僅僅用于使車輛可靠、穩定地減速。它還能使車輛的制動能量不轉化為熱量，而是回收利用制動能量并通過主動變速器內的電動機將其轉化為電能。為了配合全混合動力驅動方式獲得最大燃油經濟性，制動系統必須回收利用盡可能多的制動能量。

在電子伺服制動控制系統中，制動踏板與制動系統其他部分(制動助力器)之間不再永久保持機械聯結。在系統中，通過電子方式感知駕駛員的制動要求，隨后將制動要求劃分為電氣部分和液壓部分。電氣部分通過主動變速器的電動機轉化為電能并存儲在高電壓蓄電池內。液壓部分通過傳統行車制動器產生減速度。劃分制動要求時會考慮到制動強度、行駛情況和混合動力組件狀態。通過這種方式，混合動力制動系統可以純電動方式實現最高3m/s2 的減速度。但更為重要的一個參數是在所有行駛情況下可以回收利用的制動能量百分比。就這一數值而言，這樣的制動系統可以達到80%以上，也就是說，在所有制動能量中只有10%至20% 通過行車制動器轉化為無用熱量。

二、混合動力制動系統主要部件

混合動力制動系統由以下重要組件組成：帶有傳感器系統和關閉單元的制動踏板、主動式制動助力器、真空供給裝置、SBA單元 (混合動力制動作用轉換，電子感應制動作用)、動態穩定控制系統、車輪制動器(圖1)。

圖1 混合動力制動系統組件

1.SBA單元

在寶馬的混合動力制動系統中，SBA單元即“混合動力制動作用轉換”指的是由控制單元和液壓單元構成的單元(圖2)。它是混合動力制動系統的一個重要組件，該組件將駕駛員的制動要求劃分成回收利用部分和液壓部分。進行維修時只能將其作為一個單元更換。

圖2 SBA單元

SBA控制單元對制動控制執行主控功能。它探測駕駛員的制動要求，將整個制動力矩劃分為能量回收部分和液壓部分。為此，SBA控制單元帶有以下電氣接口：制動踏板角度傳感器、關閉單元關斷閥、關閉單元壓力傳感器、制動助力器內的電磁閥、制動助力器內的隔膜行程傳感器、制動助力器內的制動真空壓力傳感器、電動真空泵(控制和監控)、供電、總線系統PT-CAN和H-CAN02。

為了實現能量回收，SBA控制單元通過混合動力CAN2、混合動力接口模塊和混合動力CAN與混合動力主控控制單元進行通信。液壓部分由SBA控制單元通過直接控制制動助力器內的電磁閥來實現。與所有對液壓制動系統進行干預時的情況一樣，在此DSC控制單元也是SBA控制單元的一個重要通信設備。

2. 電動真空泵

以純電動方式行駛期間，發動機處于靜止狀態，因此也不會驅動機械真空泵。為了在此期間同樣確保提供制動真空壓力，例如寶馬E72上裝有一個附加電動真空泵(圖3)。

泵元件是一個雙膜片泵。其內部結構基本對稱，因此兩個端面上分別帶有一個輸入閥和一個輸出閥。根據殼體蓋板的形狀可以識別出這兩個閥門。泵輸入端與真空管路相連。真空泵通過輸入端吸入空氣并產生真空壓力。吸入的空氣通過殼體蓋板上的輸出孔向外輸送。

圖3 電動真空泵

電動真空泵的電機由SBA控制單元和兩個繼電器供電，這兩個繼電器串聯連接。在正常運行模式下，SBA控制單元從總線端30g接通起就會接通電動機械式繼電器。但電動真空泵的實際接通和關閉由半導體繼電器負責(圖4)。

如果內燃機啟動后可以通過機械真空泵正常提供制動真空壓力，即使出現電動真空泵故障，混合動力制動系統也會保持在電子伺服模式下。否則，混合動力制動系統就會切換為傳統模式。

SBA控制單元可以通過半導體輸出端與電動機械式繼電器開關觸點間分出的監控導線識別出部件故障。

圖4 電動真空泵的操控電路

SBA控制單元測量該監控導線上的電壓并將其與所需切換狀態決定的期望值(繼電器接通或關閉)進行比較。

SBA控制單元根據內燃機是否運轉以及制動助力器上制動真空壓力測量值的信息控制按需接通和關閉電動真空泵。制動真空壓力過低時就會接通電動真空泵。

因此維修時，只能將電動真空泵作為整個單元進行更換。

三、混合動力制動系統主要功能

1.分布式功能

SBA控制單元是混合動力制動系統的主控控制單元。它控制從探測制動要求直至控制制動系統執行機構的所有過程。能量回收式制動的執行機構是傳動系統：通過供電電控箱控制電動機使其以發電機方式工作。為了使其能夠產生電能，必須以機械方式對其進行驅動。因此電動機吸收作用在傳動系統上的制動力矩。在減速度最高3m/s2的情況下，如果制動力矩僅作用在后橋上就會導致不穩定的行駛情況出現。因此進行能量回收式制動時，分動器內的片式離合器也會接合。隨后，前橋和后橋達到相同轉速從而為制動力矩在兩個車橋上的平均分配創造前提條件。在這種“電子伺服模式”下會盡可能地回收利用制動能量，即通過第一個電動途徑輸送。只有在減速度高于3m/s2或混合動力驅動裝置無法轉化所有制動能量時，才會針對剩余能量使用傳統行車制動器。為此，SBA控制單元控制主動式制動助力器。后者產生用于兩個制動回路的制動壓力，制動壓力通過動態穩定控制系統發布到四個車輪制動器上(圖5)。

圖5 混合動力制動系統功能

只有在故障情況或特殊情況下才會提供應急功能，此時SBA控制單元不再執行主控功能。例如在不穩定的行駛情況下，動態穩定控制系統就會執行主控功能，從而以高優先級使車輛穩定下來。此時無法繼續進行能量回收式制動。

能量回收式制動所需的某一組件失靈或供電失靈時，混合動力制動系統就會由“電子伺服模式”切換為傳統模式。在傳統模式下會使制動踏板與行車制動器重新建立起機械連接。這樣可使車輛通過傳統液壓制動系統實現可靠減速。

2.電子伺服模式

混合動力制動系統在接通供電后對電子伺服模式正常工作所需的所有系統組件進行自檢。順利結束自檢后就會啟用電子伺服模式。否則，混合動力制動系統就會保持傳統模式。

在電子伺服模式下(圖6)，制動踏板與制動助力器的機械連接斷開。SBA控制單元通過制動踏板角度傳感器分析出駕駛員的制動要求。根據行駛情況和混合動力組件狀態將制動要求劃分為能量回收和液壓部分。

SBA控制單元為此向混合動力主控控制單元發送一個規定值用于實現能量回收?；旌蟿恿χ骺乜刂茊卧S即通過混合動力電動機控制裝置控制單元執行該規定值。

由電動機通過這種方式產生的電能存儲在高電壓蓄電池內。在此也需要供電電控箱控制單元的參與(改變電壓和電流強度)。

圖6 在電子伺服模式下的制動操縱示意圖

為了實現液壓部分，SBA控制單元為主動式制動助力器內的電磁閥供電。這樣可使空氣流入工作室內并通過真空壓力在制動主缸內的活塞上產生作用力。從而將壓桿拉入制動助力器內。這樣，插入壓桿叉形端部的制動踏板銷也不會碰到機械限位位置。因此不會在操作制動踏板時產生反作用力。

但是踏板力模擬器會產生反作用力。所實現的作用力傳遞與傳統制動系統基本相同。在電子伺服模式下，關閉單元的作用就像一個剛性元件。密閉其中的制動液無法被壓縮。在這種狀態下，制動液也無法溢出到帶有彈簧的膨脹室內，因為膨脹室被一個電磁閥封住。

3.傳統模式

傳統模式是混合動力制動系統的基本機械模式(圖7)。在該模式下會使制動踏板與制動助力器重新建立起機械連接。因此駕駛員可以像在帶有制動助力裝置的傳統車輛上一樣在液壓制動系統內產生一個制動壓力并使車輛可靠減速。在傳統模式下無法進行能量回收式制動。全部制動力均由液壓制動系統提供。

圖7 在傳統模式下的制動操縱示意圖

駕駛員在傳統模式下操作制動踏板時，主動式制動助力器內的電磁閥不會受控工作。此時壓桿不會移動。因此在操作制動踏板期間，銷子與壓桿端部限位位置間的間隙閉合且建立起上述機械連接。從駕駛員的角度來說，這表明空行程增大。駕駛員幾乎不會感覺到任何反作用力，直至銷子到達限位位置?？梢赃@樣來解釋：在傳統模式下，關閉單元內的電磁閥打開。因此關閉單元內的制動液可以向上方空間流動。那里有一個移動活塞可以克服彈簧力向上移動。關閉單元內彈簧產生的反作用力明顯低于踏板力模擬器內的彈簧。因此在這種情況下，踏板力模擬器內的彈簧根本不會壓縮。也可以說踏板力模擬器在此不起任何作用。僅有的反作用力來源于關閉單元內的彈簧，而且該作用力非常小。

如果內部監控功能發現可導致無法繼續在電子伺服模式下可靠運行的故障，就會自動啟用傳統模式。識別到踏板角度傳感器失靈、關閉單元內的壓力傳感器失靈、關閉單元內的電磁閥不再正常工作、隔膜行程傳感器失靈、主動式制動助力器內的電磁閥失靈、真空供給裝置失靈、真空壓力傳感器失靈、SBA控制單元或供電失靈、SBA單元內的壓力傳感器失靈以及通信受到干擾故障時就會啟用傳統模式，通過亮起警告燈和發出檢查控制信息告知駕駛員進入傳統模式。