新能源汽車IBS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

蔣開洪+毛睿

摘 要：通過(guò)對(duì)新能源汽車IBS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以三維造型軟件NX UG為平臺(tái)，建立虛擬樣機(jī)模型，同時(shí)通過(guò)對(duì)IBS系統(tǒng)在CAE軟件中進(jìn)行有限元計(jì)算，在設(shè)計(jì)階段完成對(duì)IBS系統(tǒng)的強(qiáng)度評(píng)估。按照汽車電子行業(yè)的ISO26262標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IBS系統(tǒng)的電控部分進(jìn)行研發(fā)，通過(guò)快速原型樣件與控制策略驗(yàn)證電控單元對(duì)機(jī)械裝置的控制能力。將IBS系統(tǒng)機(jī)械部分與電控單元集成在一起，進(jìn)行制動(dòng)性能臺(tái)架試驗(yàn)和整車路試，滿足制動(dòng)法規(guī)與主機(jī)廠規(guī)范要求。最終形成IBS系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，提高我國(guó)汽車零部件行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：新能源汽車IBS系統(tǒng)；有限元分析；機(jī)械裝置；電控單元；測(cè)試平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0161-04

Abstract： Through the structure design of the IBS system of the new energy vehicle， the virtual prototype model is established on the platform of the 3D modeling software NX UG， and the finite element calculation of the IBS system in the CAE software is carried out at the same time. The strength evaluation of the IBS system is completed during the design phase. According to the ISO26262 standard of automobile electronics industry， the electronic control part of IBS system is researched and developed， and the control ability of electronic control unit to mechanical device is verified by rapid prototyping sample and control strategy. The mechanical part of the IBS system is integrated with the electronic control unit， and the bench test of braking performance and the whole vehicle road test are carried out to meet the requirements of the brake regulations and the specifications of the main engine factory. Finally， the industrial application of IBS system is formed to fill the gap of domestic technology and improve the international competitiveness of China's auto parts industry.

Keywords： new energy vehicle IBS system； finite element analysis； mechanical device； electronic control unit； test platform

1 概述

隨著環(huán)境污染與能源危機(jī)問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，新能源汽車如混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池車等逐漸成為各國(guó)的研發(fā)熱點(diǎn)。新能源汽車是一種電力或混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的、節(jié)能的、極少污染的新型汽車，是未來(lái)汽車發(fā)展的重要方向。目前制約新能源汽車發(fā)展的重要因素之一是車用電池儲(chǔ)存容量偏小、充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。而在城市工況下行駛的汽車大約有1/3到1/2用于直接驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行的能量被消耗在制動(dòng)過(guò)程中，若能對(duì)這部分耗散的能量加以回收利用，可大大提高整車能量經(jīng)濟(jì)性。

制動(dòng)能量回收，又稱回饋制動(dòng)或再生制動(dòng)，對(duì)于電驅(qū)動(dòng)車輛而言，是指在減速或制動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于電池中，同時(shí)施加電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩于驅(qū)動(dòng)軸，對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)。該技術(shù)的應(yīng)用一方面增加了電驅(qū)動(dòng)車輛一次充電的續(xù)駛里程，另一方面減少了傳統(tǒng)制動(dòng)器的磨損，同時(shí)還改善了整車動(dòng)力學(xué)的控制性能。該技術(shù)的核心零部件之一是電控制動(dòng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱IBS系統(tǒng)）。

本文所闡述的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化針對(duì)新能源汽車IBS系統(tǒng)，進(jìn)行創(chuàng)新性研究，解決其中共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的穩(wěn)定可靠、綠色環(huán)保的新能源汽車IBS系統(tǒng)。

2 該技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀與必要性

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

IBS系統(tǒng)是屬于典型的科技含量高、資金密集型、利潤(rùn)高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家汽車設(shè)計(jì)開發(fā)水平的重要標(biāo)志，在很大程度上決定了整車的質(zhì)量、盈利水平和新產(chǎn)品開發(fā)能力，決定國(guó)家制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)汽車零部件領(lǐng)域與國(guó)外巨頭相比，存在起步晚、設(shè)計(jì)開發(fā)能力弱、競(jìng)爭(zhēng)力弱、科技含量不高等問(wèn)題。

雖然歐美發(fā)達(dá)國(guó)家五年之前已經(jīng)對(duì)IBS系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模研發(fā)，而我國(guó)在該領(lǐng)域才剛剛開始起步，但是近年來(lái)國(guó)家對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策支持力度日益加大，國(guó)內(nèi)汽車廠商也在大力發(fā)展新能源汽車，尤其以比亞迪、北汽、上汽、長(zhǎng)安、吉利與奇瑞等為首的自主品牌廠家陸續(xù)推出新能源汽車，為國(guó)內(nèi)汽車零部件廠家發(fā)展IBS系統(tǒng)提供了有利市場(chǎng)保證。目前國(guó)內(nèi)的電控制動(dòng)供應(yīng)商非常少，基本被歐美日發(fā)達(dá)國(guó)家供應(yīng)商所壟斷，而國(guó)外供應(yīng)商一般存在對(duì)此類系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)封鎖，并且售價(jià)高、客戶響應(yīng)速度慢、配合程度低等問(wèn)題，IBS系統(tǒng)已經(jīng)成為制約國(guó)內(nèi)新能源汽車大規(guī)模應(yīng)用的重要瓶頸。endprint

2.2 必要性

IBS系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外新能源汽車非常核心的技術(shù)之一，已經(jīng)成為制約國(guó)內(nèi)自主品牌新能源汽車發(fā)展的瓶頸，并且基本為歐美日發(fā)達(dá)國(guó)家零部件廠商所壟斷。但隨著國(guó)內(nèi)自主品牌新能源汽車的迅猛發(fā)展，IBS系統(tǒng)需求將大大增長(zhǎng)，并且隨著產(chǎn)量的進(jìn)一步增加與成本降低，有望在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上使用，以提升整車科技水平。

從目前市場(chǎng)看，常規(guī)的真空助力系統(tǒng)已經(jīng)非常普及，并且價(jià)格很低，利潤(rùn)也不高，并且也滿足不了新能源汽車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)方面的要求，由于產(chǎn)業(yè)原因，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)IBS系統(tǒng)的研發(fā)比國(guó)內(nèi)要早五年，目前有歐美日發(fā)達(dá)國(guó)家能研發(fā)此類產(chǎn)品。但與國(guó)內(nèi)企業(yè)相比，國(guó)外企業(yè)響應(yīng)速度慢、成本高等劣勢(shì)在新能源汽車發(fā)展中將凸顯出來(lái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國(guó)內(nèi)汽車廠家對(duì)IBS系統(tǒng)的需求。為拓展國(guó)內(nèi)新能源汽車零部件市場(chǎng)和提升汽車技術(shù)水平，滿足國(guó)內(nèi)整車廠家對(duì)IBS系統(tǒng)的最新需求，需要一種成本低廉、技術(shù)可靠的IBS系統(tǒng)，從而填補(bǔ)國(guó)內(nèi)IBS系統(tǒng)市場(chǎng)空白，提升國(guó)內(nèi)汽車零部件行業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

新能源汽車IBS研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)技術(shù)研發(fā)成果向經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)集成各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，結(jié)合IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與三維造型設(shè)計(jì)，IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)械部分虛擬仿真研究，IBS系統(tǒng)電控單元結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)，IBS系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)與控制算法優(yōu)化，IBS系統(tǒng)直流無(wú)刷電機(jī)研發(fā)技術(shù)，IBS系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)，IBS系統(tǒng)整車性能驗(yàn)證分析等研發(fā)出具有集成創(chuàng)新高效新能源汽車IBS系統(tǒng)。打破新能源汽車助力系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)技術(shù)壁壘，有效加快國(guó)內(nèi)新能源汽車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)IBS系統(tǒng)市場(chǎng)空白，提升國(guó)內(nèi)汽車零部件行業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。具體關(guān)鍵技術(shù)如下：

3.1 IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與三維造型設(shè)計(jì)

IBS系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮常規(guī)真空助力系統(tǒng)的助力特性、空間尺寸布置以及不同主機(jī)廠的需求差異等因素，綜合國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)相關(guān)產(chǎn)品的特性，對(duì)其進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，吸取其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，在三維軟件UG中進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。

首先對(duì)IBS系統(tǒng)進(jìn)行整體造型設(shè)計(jì)，以確定其邊界尺寸，然后在對(duì)內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如齒輪傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對(duì)局部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后通過(guò)UG軟件對(duì)各部件進(jìn)行裝配、干涉檢查、運(yùn)動(dòng)仿真等分析，從而在設(shè)計(jì)階段消除一些零件的結(jié)構(gòu)存在的風(fēng)險(xiǎn)，提高IBS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的性能。IBS系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，IBS系統(tǒng)主要由直流無(wú)刷電機(jī)、減速齒輪、滾珠絲杠、控制器ECU、踏板位移傳感器、制動(dòng)主缸等結(jié)構(gòu)組成。

3.2 IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)械部分虛擬仿真研究技術(shù)

IBS系統(tǒng)機(jī)械部分包括鑄鋁外殼、頂桿、齒輪與絲杠等部件，在IBS系統(tǒng)工作過(guò)程中，這些部件都承受較大載荷，為確保其在使用過(guò)程中不出現(xiàn)疲勞斷裂或失效，需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行CAE虛擬仿真。

虛擬仿真步驟是：先對(duì)機(jī)械部件進(jìn)行有限元前處理，比如網(wǎng)格劃分等，然后在定義好其邊界約束與加載條件，通過(guò)求解器進(jìn)行計(jì)算，獲取部件在薄弱位置處的應(yīng)力應(yīng)變等變量，從而最終通過(guò)材料的機(jī)械性能指標(biāo)來(lái)評(píng)估部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。通過(guò)傳動(dòng)齒輪在CAE軟件中的模型與部分計(jì)算結(jié)果可以評(píng)估IBS系統(tǒng)中的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。同理，該虛擬仿真技術(shù)，對(duì)IBS系統(tǒng)其他機(jī)械部分進(jìn)行虛擬仿真分析，從而最終得到最合理化的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保IBS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的性能最優(yōu)化。

3.3 IBS系統(tǒng)電控單元結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)技術(shù)

電控單元是IBS系統(tǒng)的靈魂，而電控單元硬件部分是承載靈魂的物理部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞直接影響到IBS系統(tǒng)在整車中的制動(dòng)效果。結(jié)合IBS系統(tǒng)空間要求和性能要求，在Catia軟件中對(duì)電控單元進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)緊湊，符合電子與電氣方面的技術(shù)要求，并在Flotherm軟件中進(jìn)行熱仿真分析，以確定電控單元的結(jié)構(gòu)方案的合理性。

IBS系統(tǒng)電控結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括電控單元與直流無(wú)刷電機(jī)，其中電控單元由外殼、PCBA、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、基板與引腳等組成。IBS系統(tǒng)電控單元接受來(lái)自踏板位移傳感器的信號(hào)，然后內(nèi)部通過(guò)MCU等進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)查表輸出制動(dòng)助力值，電機(jī)功率模塊根據(jù)助力值輸出電流對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，然后電機(jī)進(jìn)行減速傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)踏板往前推進(jìn)，在整個(gè)過(guò)程中都是通過(guò)電控單元發(fā)出指令對(duì)IBS系統(tǒng)進(jìn)行控制，駕駛員無(wú)需額外干預(yù)。

3.4 IBS系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)與控制算法優(yōu)化

IBS系統(tǒng)電控硬件設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其進(jìn)行控制策略與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的汽車電控系統(tǒng)開發(fā)模式存在開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、程序修改復(fù)雜、靈活性補(bǔ)強(qiáng)的弊端，而V型設(shè)計(jì)模式理念是一種近年來(lái)興起的控制系統(tǒng)開發(fā)新模式，是現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)的典型開發(fā)流程，具有開發(fā)周期短，靈活度高等特點(diǎn)。V型設(shè)計(jì)模式流程如圖主要有需求分析、功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、建模及自動(dòng)代碼生成、單元測(cè)試、集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試。通過(guò)對(duì)IBS系統(tǒng)控制器、被控對(duì)象的仿真測(cè)試，軟件仿真和硬件在環(huán)仿真取得較明顯效果的情況下再進(jìn)入到IBS系統(tǒng)整車道路試驗(yàn)，縮短道路試驗(yàn)周期，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)與開發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的IBS系統(tǒng)的快速開發(fā)。

將IBS系統(tǒng)物理模型簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的力學(xué)模型，建立IBS系統(tǒng)的力學(xué)特性，在Simulink中建立IBS系統(tǒng)的抽象數(shù)學(xué)模型，將控制策略與算法集成到Simulink模型，并進(jìn)行虛擬仿真，若各方面技術(shù)指標(biāo)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，則將Simulink模型自動(dòng)生成代碼，下載到IBS系統(tǒng)電控單元當(dāng)中，然后進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試。

3.5 IBS系統(tǒng)直流無(wú)刷電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

IBS系統(tǒng)一個(gè)極大的優(yōu)勢(shì)是在緊急制動(dòng)時(shí)響應(yīng)非?？?，所以要求電機(jī)必須響應(yīng)速度快。此外也要求電動(dòng)機(jī)功耗小、輸出的力矩大。另外在制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)將在“堵轉(zhuǎn)”的惡劣環(huán)境下工作，因此對(duì)電機(jī)的可靠性要求高，而且必須結(jié)構(gòu)小巧緊湊、便于安裝、能在各種惡劣的環(huán)境下可靠工作。因此針對(duì)上述問(wèn)題，需要研究開發(fā)一種適用于IBS系統(tǒng)的直流無(wú)刷電機(jī)，該電機(jī)使用高磁能積永磁材料的勵(lì)磁，具有慣量小、功率高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)良特征，能夠滿足電控制動(dòng)系統(tǒng)的要求。通過(guò)根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算分析，該電機(jī)的輸出最大轉(zhuǎn)速在3500-5000rpm，輸出扭矩在2.5-3.5Nm。endprint

3.6 IBS系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)

IBS系統(tǒng)性能指標(biāo)是否滿足系統(tǒng)要求，必須通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行性能測(cè)試，由于此類系統(tǒng)近年來(lái)剛剛興起，國(guó)內(nèi)還沒有現(xiàn)成的性能測(cè)試平臺(tái)，即便在國(guó)外該類測(cè)試平臺(tái)也較少，多被大型汽車商所壟斷，為此有必要自主研發(fā)IBS系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)，滿足自身需求的同時(shí)，為國(guó)內(nèi)同類研發(fā)企業(yè)提供相關(guān)檢測(cè)服務(wù)，整體提高國(guó)內(nèi)IBS系統(tǒng)研究開發(fā)水平。通過(guò)對(duì)常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)的研究分析，再結(jié)合IBS系統(tǒng)自身性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)IBS系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)。

該IBS系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)集成ABS、剎車盤、液壓卡鉗、制動(dòng)管等零件，可實(shí)現(xiàn)在不同工況下的力環(huán)、位移環(huán)、扭矩環(huán)控制?？蛇M(jìn)行無(wú)助力情況下性能、有助力情況下性能、行程限制、液壓建立響應(yīng)、壓力滯后等性能測(cè)試，該測(cè)試平臺(tái)的研發(fā)成功，將大大提高國(guó)內(nèi)IBS系統(tǒng)的研發(fā)水平。

3.7 IBS系統(tǒng)整車性能驗(yàn)證分析

IBS系統(tǒng)研發(fā)成功之后，雖然研發(fā)過(guò)程中對(duì)各個(gè)部件、各方面的性能都有相關(guān)的檢測(cè)，但是IBS系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)還是取決于其是否滿足整車上性能要求，最終需要通過(guò)裝車進(jìn)行整車性能試驗(yàn)與路試。在與整車廠同步開發(fā)IBS系統(tǒng)過(guò)程中，公司將抓住一切可能的裝車與路試機(jī)會(huì)，對(duì)IBS系統(tǒng)進(jìn)行整車驗(yàn)證，整車評(píng)價(jià)項(xiàng)主要有常規(guī)制動(dòng)、緊急制動(dòng)、操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、振動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)，通過(guò)這些整車性能測(cè)試中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行根本原因查找，將IBS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)降低到最低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)技術(shù)研究的新能源汽車IBS系統(tǒng)能夠在不借助內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生真空環(huán)境的情況下，通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)提供制動(dòng)助力，從而實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)。通過(guò)制動(dòng)能量回收，為純電動(dòng)車增加高達(dá)20%的續(xù)航里程。同時(shí)它不僅可以縮短制動(dòng)距離，而且當(dāng)碰撞不可避免時(shí)，它還有助于降低撞擊速度，從而降低對(duì)當(dāng)事人的傷害，提高汽車駕駛安全性能。最終形成IBS系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，提高我國(guó)汽車零部件行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

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