一种电动汽车制动助力系统设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种电动汽车制动助力系统设计方法，包括制动系统校核、助力器选型、确定真空罐体积、确定真空泵控制策略和真空管路布置，制动系统校核电动汽车基本参数进行；在助力器选型时确保踏板力F适中；设定真空泵控制策略：包括根据真空助力器性能曲线和真空泵性能曲线，选择真空泵启停控制点；真空管路设计：包括在与真空助力器连接的快插接头内设置第一单向阀，在真空泵抽气口设置第二单向阀，所述真空管路连接真空泵、真空助力器和真空罐。本发明提高了电动汽车制动助力系统的设计效率，以及提高制动助力系统的安全性和可靠性。
【专利说明】
一种电动汽车制动助力系统设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电动汽车技术领域，特别是涉及一种电动汽车制动助力系统设计方 法。
【背景技术】
[0002] 近两年来环境和能源问题日益突出，在国家大力扶持下，各大汽车厂家大力投入 新能源汽车研发，开发车型多为纯电动车和混合动力车，绝大部分是基于传统车型进行二 次研发得到的。由于新能源纯电动车电池比较重，整车载荷发生变化，在制动时发动机提供 的真空助力也没有了，因此制动助力系统需要重新匹配校核，需要重新匹配独立电动真空 栗(传统汽车的真空助力采用发动机内的真空栗提供真空动力源），真空助力系统（即制动 助力系统中的部分)也需要重新匹配设计。如今驾驶者对驾驶舒适性要求越来越高，这也要 求对制动系统匹配更加合理。
[0003] 传统车型制动系统匹配校核已经成熟，但由于没有发动机，无法提供真空动力源， 需要匹配一个独立真空栗、真空罐，故需要重新设计真空助力系统，各个厂家的设计方案也 各有千秋，一直没有形成规范，有的还存在较多故障问题。现有的电动汽车制动系统是在传 统汽车车型上改进得到的，不仅工作量大，而且很难得到设计的制动性能要求。
[0004] 现有技术是通过真空压力传感器控制真空栗的启停，当真空罐内压力值高于某一 压力时真空栗开始工作，当真空罐内压力值低于某一压力值时真空栗停止工作，由于控制 策略设计不合理存在真空栗寿命低且踏板感受差的问题。
[0005] 纯电动车市场真空助力系统售后问题较多，主要反馈是真空栗的故障，而大部分 电动车对真空栗的控制策略都是简单通过压力传感器控制真空栗的启停，或者增加报警功 能。如果控制策略不合理会带来以下问题：
[0006] 1、真空栗频繁工作，降低续航里程；
[0007] 2、控制策略不完善，影响驾驶安全性；
[0008] 3、真空栗噪声大；
[0009] 4、管路布置不合理，降低真空栗使用寿命。
【发明内容】
[0010] 为解决上述技术问题，本发明提供一种电动汽车制动助力系统设计方法，用于解 决现有技术中电动汽车制动助力系统设计工作量大，难以满足设计要求的问题。
[0011] 本发明是这样实现的：
[0012] -种电动汽车制动助力系统设计方法，包括以下步骤：
[0013] 获取电动汽车基本参数，包括汽车质量m、汽车质心高度hg、轴距L、汽车质心至前 轴中心线的距离b、汽车质心至后轴中心线的水平距离a和汽车减速度f ;
[0014] 根据公式.y = G^ + m^Λ(6和i?i = (6??-?"^ Λs计算地面对汽车前轮的法向反作用力Fzl 和地面对汽车后轮的法向反作用力Fz2，其中G为汽车重力；
[0015] 根据地面对汽车前轮的法向反作用力Fzl、地面对汽车后轮的法向反作用力Fz2以 及汽车前后轮在附着系数为P的路面上抱死的条件:前、后轮制动器制动力之和 等于汽车与地面附着力ΡΦ = (ΡΦ1+ΡΦ2)，并且前、后轮制动器制动力分别等于各自的 附着力巧1、尽2，计算汽车前制动器的制动力Fm和后制动器的制动力Fu2，建立和Fu 2的关 系曲线I，根据Fu和Fu2的关系曲线I选择汽车前后制动器；
[0016] 根据公式
选择真空助力器规格，其中，F为踏板力，所述F小于170N，ri为 踏板机构及液压传动效率，等于〇. 85，is为真空助力比，ip为踏板杠杆比，dm为主缸直径，p 为管路压力；
[0017]计算真空罐体积，包括：
[0018] 根据公式:SD=匕Τ?/】）,计算真空助力器主缸实际行程，其中，So为主缸实际行 4 程，Vm为主缸容积，dm为主缸直径；
[0019] 根据真空助力器的尺寸，计算一次全行程所消耗的真空度体积；
[0020] 根据真空栗停止工作后第一次全行程制动后真空罐内真空度变化关系式
_空栗停止工作后第二次全行程制动后真空罐内真空度变化关系式
1以及两次全行程制动后真空罐的真空度P2不低于-50kPa为条件，计算真 ， 空罐体积，其中，VI初步选取真空罐体积，P为真空栗可提供真空度，V2为真空助力器有效容 积，V3为真空管路有效体积；
[0021] 设定真空栗控制策略:包括根据真空助力器性能曲线和真空栗性能曲线，选择真 空栗启停控制点；
[0022] 真空管路设计:包括在与真空助力器连接的快插接头内设置第一单向阀，在真空 栗抽气口设置第二单向阀，所述真空管路连接真空栗、真空助力器和真空罐。
[0023] 进一步的，在所述"建立和Fu2的关系曲线Γ之后还包括:计算制动器制动力分 配系数β，其中
[0024] 进一步的，在所述"计算制动器制动力分配系数r之后还包括：计算同步附着系 数，同步附着系数为动器制动力分配系数β曲线和I曲线的交叉点；
[0025]根据条件：汽车穿载时同步附着系数>0.56,满载时同步附着系数等于0.85~ 0.95，调整汽车前后制动器的性能参数，制动器的性能参数包括卡钳缸径和摩擦片摩擦系 数。
[0026]进一步的，真空栗的控制策略包括：
[0027]真空罐内的气体压力大于等于70kPa时，控制真空栗停止工作；
[0028]真空罐内的气体压力小于等于50kPa时，控制真空栗开启工作；
[0029]真空罐内的气体压力小于等于30kPa时，输出报警信号。
[0030]进一步的，真空栗的控制策略还包括：
[0031 ] 真空栗过电压大于18V超过0.5s时，控制真空栗停止工作；
[0032]真空栗低电压低于8V时，控制真空栗停止工作；
[0033]真空栗电流大于20A超过0.1s时，控制真空栗停止工作。
[0034] 本发明的有益效果为:本发明电动汽车制动助力系统设计方法提供了一套完整的 根据汽车基本参数设计制动助力系统的方案，不再是在现有的汽车车型上改进得到，重新 匹配了独立电动真空栗，提高了制动助力系统的设计效率;本发明根据电动汽车的基本参 数计算地面对车轮的作用力，并根据地面对车轮的作用力计算出汽车前后轮制动力的关 系，根据所述关系曲线选择前后制动器，有效保证前后制动器具有足够的制动力；进一步 的，本发明根据制动踏板的踏板力F选择真空助力器的规格，不仅具有舒适的踏板力，同时 还有效保证足够的输出；本发明还根据制动过程与真空罐内真空度的变化关系，选择真空 罐的体积，使真空栗失效时仍然能保证一定的制动需求，大大提高了制动系统的安全性和 可靠性;本发明还对真空栗的控制策略和真空管路的设计进行优化，降低了助力系统的能 耗，延长电动汽车的有效续航里程，同时还提高了真空管路的使用寿命和可靠性。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明实施方式电动汽车制动助力系统设计方法的基本流程；
[0036]图2为本发明实施方式中汽车制动工况受力简图；
[0037]图3为一实施方式中真空助力器在不同真空度下的输入-输出特性曲线；
[0038]图4为一实施方式中踏板力与主缸压力特性曲线；
[0039] 图5为一实施方式中真空栗性能曲线；
【具体实施方式】
[0040] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式 并配合附图详予说明。
[0041] 请参阅图1，本发明实施方式一种电动汽车制动助力系统设计方法，该制动助力系 统设计方法包括制动系统校核、助力器选型(包括确定助力器尺寸、主缸缸径和助力比）、确 定真空罐体积、确定真空栗控制策略和真空管路布置。其中，所述汽车制动助力系统设置于 汽车制动踏板与液压助力装置之间，液压助力装置连接汽车制动器，制动踏板的踏板力通 过所述汽车制动助力系统输出至液压助力装置，由液压助力装置驱动汽车制动器进行制 动。
[0042] 在进行制动系统校核过程中，主要是根据汽车的基本参数重新选择汽车前后制动 器的规格参数，所述汽车的基本参数包括汽车质量m、汽车质心高度h g、轴距L、汽车质心至 前轴中心线的距离b、汽车质心至后轴中心线的水平距离a和汽车减速度
[0043] 请参阅图2,为本实施方式中汽车制动工况受力简图，如图2所示，对汽车后轮接地 点进行受力分析，并取力矩可得到： _]
(1-1)
[0045] 式中:Fzl为地面对前轮的法向反作用力，单位为N;
[0046] G为汽车重力，单位为N;
[0047] b为汽车质心至后轴中心线的水平距离，单位为m;
[0048] m为汽车质量，单位为kg;
[0049] 心为汽车质心高度，单位为m;
[0050] L为轴距，单位为m;
[0051 ] 为汽车减速度，单位为m/s2。
[0052]对汽车前轮接地点进行受力分析，并取力矩可得到：
[0053]
- (1-2);
[0054]式中Fz2为地面对后轮的法向反作用力，单位为N;
[0055] a为汽车质心至前轴中心线的距离，单位为m。
[0056] 令1 = ? z称为制动强度，则可求得地面法向反作用力为： ，：
[0057] Fzi = G(b+zh g)/L；
[0058] Fz2 = G(a-zhg)/L (1-3)；
[0059] 若在不同附着系数的路面上制动，前、后轮都抱死(不论是同时抱死还是分别先后 抱死），此时匕=?或f=地面作用于前、后车轮的法向反作用力为：
[0060] (1-4)。
[0061 ] I曲线计算：
[0062]在附着系数为P的路面上，前、后车轮同步抱死的条件是：
[0063] 前、后轮制动器制动力之和?11 = ?111+?1^等于汽车与地面附着力ΡΦ=(ΡΦ1+Ρ Φ2);并 且前、后轮制动器制动力Ρμ1、Ρμ2分别等于各自的附着力^>2艮口： J
[0064]
[0065]
[0066] 将式（1-4)代入上式，得：
[0067]
(61-6)[0068] 根据式α-4)、（1_5)及（1-6)式，消去变量得：
[0069]
[0070]
[0071] h u-y;；
[0072] 由此可以建立由Fui和Fm2的关系曲线，即I曲线，根据I曲线进行前后制动器选型。 [0073]常用前制动器制动力与汽车总制动器制动力之比来表明分配比例，称为制动器制 动力分配系数β;在建立由Fm和Fu 2的关系曲线I之后，还包括曲线β线计算，具体为：
[0074]制动力分配系数：
[0075] (1-10);
[0076] 同步附着系数：
[0077] β线和I曲线在图中交于一点处的附着系数为同步系数，该系数是由汽车结构参数 决定的，反映了汽车制动性能。
[0078] 式（1-10)又可表达为：
[0079] (1-11),
[0080] 将式（1 一 6)代入上式，得同步附着系数：
[0081]
[0082] (M2);
[0083]根据经验空载时同步附着系数>0.56，满载时同步附着系数在0.9左右。
[0084]因此，在本实施方式中，还根据所述空载时同步附着系数和满载时同步附着系数 调整原前后制动器的性能参数，如卡钳缸径、摩擦片摩擦系数、有效半径等，使空满载同步 附着系数调整到合理范围内。
[0085]所述助力器选型即为确定真空助力器规格，在本实施方式中具体包括：
[0086] 根据公式：
[0087]选择合理的真空助力器尺寸、助力比、主缸缸径，得到良好的踏板感，其中，
[0088] F为踏板力，设定最大踏板力F在130N到170N之间；
[0089] η为踏板机构及液压传动效率，等于〇. 85; is为真空助力比；
[0090] ip为踏板杠杆比；
[0091] dm为主缸直径，单位为mm;
[0092] p为管路压力，单位为MPa。
[0093] 所述确定真空罐体积具体为：
[0094] 根据公式：
[0095]
[0096]算出真空助力器主缸实际行程，再根据选定的真空助力器尺寸，算出真空助力器 一次全行程所消耗真空罐的真空度体积。其中 [0097] So为主缸实际行程；
[0098] Vm为主缸容积，等于前后轮缸工作容积；
[0099] dm为主缸直径。
[0100] 为保证行车安全，在本实施方式中考虑真空栗失效时，确保真空罐体积可满足两 脚全制动：
[0101] 初步选取真空罐体积为VI，真空栗可提供真空度为P，真空助力器有效容积为V2， 真空管路有效体积V3，可得:第一脚全行程制动后真空罐内真空度变化关系式：
[0102]
[0103] 第二脚全行程制动后真空罐内真空度变化关系式：
[0104]
[0105] 要求两脚后的真空度P2不低于_50kPa，最终确定真空罐体积。但真空罐也不宜选 择过大体积，避免造成真空栗工作时间过长。
[0106] 所述确定真空栗控制策略具体为：
[0107] 结合真空助力器性能曲线及选定真空栗的性能曲线，选择合理的启停控制点。选 择真空栗的原则是:抽真空效率高，使用寿命长，噪声低;如一实施方式中，选择某厂家电子 真空栗性能参数，具体为：外接4L真空舱，3.5s内达到-50kPa，7s内达到-30kPa，噪声:在真 空栗上侧250mm处检测噪音小于78dB，使用寿命不低于90万次、1200小时，额定电压为14V， 额定电流15A。
[0108] 请参阅图3和图4,图3为一实施方式中真空助力器在不同真空度下的输入-输出特 性曲线；图4为踏板力与主缸压力特性曲线。
[0109] 请参阅图5,为真空栗性能曲线，在本实施方式中，真空栗的启停选取原则是：
[0110] 1、真空栗停止工作点应满足踏板力及主缸压力要求，既最大踏板力F在130N-170N 之间，所能达到的最大主缸压力大于9Mpa，如图4,选取停止工作压力值为70kpa比较合理。
[0111] 2、开启工作点选取既不能过低，也不能过高，过低会影响助力效果;过高会导致真 空栗频繁工作，影响使用寿命，如图4,真空度为50kpa以上时能提供常规助力效果，故初步 选取50kpa为开启工作点。
[0112] 3、真空栗停止和开启点要选取在真空栗工作效率高的区间，如图4,真空栗在 1 OOkpa到30kpa时工作效率较高。
[0113] 在本实施方式中，设定真空栗控制策略具体为：
[0114] 真空罐内的气体压力大于等于70kPa时，真空栗停止工作；
[0115] 真空罐内的气体压力小于等于50kPa时，真空栗开启工作；
[0116]真空罐内的气体压力小于等于30kPa时，输出报警信号；
[0117] 过电压18V以上，超过0.5s，真空栗停止工作；
[0118] 低电压8V以下，真空栗停止工作；
[0119] 电流20A以上，超过0.1 s，真空栗停止工作；
[0120] 当真空停止工作时通过仪表向驾驶员以文字或者声音提示停车检查，检查确认故 障排除后，必须整车下点后，重新启动，解除报警，如不能现场解决故障需得带售后人员协 助解决问题。
[0121]通过这种策略可以降低真空栗的开启次数，并保证驾驶舒适性，合理利用真空栗 高效率工作区间，降低噪音，提高使用寿命，在出现故障时提示驾驶原安全停车，确保驾驶 人身安全。
[0122] 真空管路布置设计
[0123] 真空管路连接真空栗、真空助力器、真空罐，合理的管路布置和选型有利于真空助 力系统工作可靠。
[0124] 首先选择管路材料：由于真空栗在工作时会震动，所以连接真空栗的管路避免使 用橡胶管，如使用橡胶管，短期内没有影响，但长时间橡胶管会老化再加上真空栗的震动， 橡胶管口容易破损，导致管路泄漏。
[0125] 其次单向阀位置的布置选择，真空管路一般可采用两个单向阀，第一个可集成在 与真空助力器配合的快插接头内，第二个单向阀布置要尽可能靠近真空栗抽气口，因为真 空栗停止工作时，如果抽气口与单向阀之间的管路过长，将会残留一段负压，导致真空倒吸 灰尘或水汽，进而影响真空栗使用寿命。
[0126] 本方案对燃油车改为纯电动车真空助力系统提出了解决方案，完善真空栗控制策 略、选择合适的真空罐体积、补充管路设计要求，提高了真空栗使用寿命，减少工作噪声，保 证驾驶安全，减少真空助力系统故障率。
[0127] 本发明实施方式电动汽车制动助力系统设计方法，提供了一套完整的根据汽车基 本参数设计制动助力系统的方案，不再是在现有的汽车车型上改进得到，重新匹配了独立 电动真空栗，提高了制动助力系统的设计效率;本发明根据电动汽车的基本参数计算地面 对车轮的作用力，并根据地面对车轮的作用力计算出汽车前后轮制动力的关系，根据所述 关系曲线选择前后制动器，有效保证前后制动器具有足够的制动力;进一步的，本发明根据 制动踏板的踏板力F选择真空助力器的规格，不仅具有舒适的踏板力，同时还有效保证足够 的输出；本发明还根据制动过程与真空罐内真空度的变化关系，选择真空罐的体积，使真空 栗失效时仍然能保证一定的制动需求，大大提高了制动系统的安全性和可靠性;本发明还 对真空栗的控制策略和真空管路的设计进行优化，降低了助力系统的能耗，延长电动汽车 的有效续航里程，同时还提高了真空管路的使用寿命和可靠性。
[0128]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种电动汽车制动助力系统设计方法，其特征在于，包括W下步骤： 获取电动汽车基本参数，包括汽车质量m、汽车质屯、高度hg、轴距L、汽车质屯、至前轴中屯、 线的距离b、汽车质屯、至后轴中屯、线的水平距离a和汽车减速度 根据公式心= + 和F:;￡ = G。-计算地面对汽车前轮的法向反作用力Fzi和地 面对汽车后轮的法向反作用力Fz2,其中G为汽车重力； 根据地面对汽车前轮的法向反作用力Fzl、地面对汽车后轮的法向反作用力Fz2W及汽车 前后轮在附着系数为的路面上抱死的条件:前、后轮制动器制动力之和町=町1+町2等于汽 车与地面附着力Ρφ = (Ρφ1+Ρφ2)，并且前、后轮制动器制动力町1、町2分别等于各自的附着力 巧>1、巧，计算汽车前制动器的制动力町谢后制动器的制动力町2,建立F山和帖的关系曲线 I，根据町1和町2的关系曲线I选择汽车前后制动器； 根据公式：壶择真空助力器规格，其中，F为踏板力，所述F小于170N，ri为踏板 机构及液压传动效率，等于0.85，is为真空助力比，ip为踏板杠杆比，dm为主缸直径，P为管 路压力； 计算真空罐体积，包括： 根据公式：S〇=Fm的），计算真空助力器主缸实际行程，其中，So为主缸实际行程， Vm为主缸容积，dm为主缸直径； 根据真空助力器的尺寸，计算一次全行程所消耗的真空度体积； 根据真空累停止工作后第一次全行程制动后真空罐内真空度变化关系式真空累停止工作后第二次全行程制动后真空罐内真空度变化关系式W及两次全行程制动后真空罐的真空度P2不低于-50k化为条件，计算真 空罐体积，其中，VI初步选取真空罐体积，P为真空累可提供真空度，V2为真空助力器有效容 积，V3为真空管路有效体积； 设定真空累控制策略:包括根据真空助力器性能曲线和真空累性能曲线，选择真空累 启停控制点； 真空管路设计:包括在与真空助力器连接的快插接头内设置第一单向阀，在真空累抽 气口设置第二单向阀，所述真空管路连接真空累、真空助力器和真空罐。2. 根据权利要求1所述的电动汽车制动助力系统设计方法，其特征在于，在所述"建立 Fl^l和Fパ的关系曲线Γ'之后还包括：计算制动器制动力分配系数β，其中，3. 根据权利要求2所述的电动汽车制动助力系统设计方法，其特征在于，在所述"计算 制动器制动力分配系数护之后还包括:计算同步附着系数，同步附着系数为动器制动力分 配系数β曲线和I曲线的交叉点； 根据条件:汽车穿载时同步附着系数>0.56,满载时同步附着系数等于0.85~0.95,调 整汽车前后制动器的性能参数，制动器的性能参数包括卡错缸径和摩擦片摩擦系数。4. 根据权利要求1所述的电动汽车制动助力系统设计方法，其特征在于，真空累的控制 策略包括： 真空罐内的气体压力大于等于70k化时，控制真空累停止工作； 真空罐内的气体压力小于等于50kPa时，控制真空累开启工作； 真空罐内的气体压力小于等于30kPa时，输出报警信号。5. 根据权利要求4所述的电动汽车制动助力系统设计方法，其特征在于，真空累的控制 策略还包括： 真空累过电压大于18V超过0.5s时，控制真空累停止工作； 真空累低电压低于8V时，控制真空累停止工作； 真空累电流大于20A超过0.1s时，控制真空累停止工作。
【文档编号】G06F17/50GK105975652SQ201610235674
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】董振, 刘心文, 吴贵新
【申请人】福建省汽车工业集团云度新能源汽车股份有限公司