基于能量回收的新型電磁摩擦制動(dòng)系統(tǒng)研究*

王浩　劉暢　郭小紅　盧劍偉

【摘要】為了提高車輛制動(dòng)安全性，設(shè)計(jì)了一種新型電磁摩擦制動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在電子控制單元（ECU）中加入制動(dòng)器的輔助控制算法，分析新型制動(dòng)系統(tǒng)在不同工況下制動(dòng)時(shí)的工作原理，推導(dǎo)了不同車速下制動(dòng)力矩、制動(dòng)盤渦流與車速和外加磁場(chǎng)的關(guān)系，并建立了車輛動(dòng)力學(xué)模型、電磁制動(dòng)器模型和車輛電源模型，基于Simulink和Maxwell平臺(tái)的聯(lián)合仿真結(jié)果表明：在傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化電磁制動(dòng)器可以顯著縮短制動(dòng)距離，提升制動(dòng)性能。最后，通過能量回收裝置成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛動(dòng)能的回收和再利用。

關(guān)鍵詞：電磁制動(dòng) 能量回收 摩擦制動(dòng)

中圖分類號(hào)：U463.51? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230114

Research on A New Electromagnetic Friction Braking System Based

on Energy Recovery

Wang Hao， Liu Chang， Guo Xiaohong， Lu Jianwei

（Hefei University of Technology， Hefei 230009）

【Abstract】A new electromagnetic friction braking system was designed in an attempt to improve vehicle braking safety. Structure of the traditional braking system was optimized， and the auxiliary control algorithm of the brake was added to the Electronic Control Unit （ECU）， and the working principle of the new braking system under different working conditions was analyzed， the relationship between braking torque at different speeds， the eddy current of the brake disc and the vehicle speed and the applied magnetic field was derived， and the vehicle dynamics model， electromagnetic brake model and vehicle power supply model were established. The joint simulation was carried out based on the Simulink and Maxwell platforms. The results show that on the basis of the traditional braking system， the braking distance can be significantly shortened and the braking performance can be improved by optimizing the electromagnetic brake. And the energy recovery device has successfully realized the recovery and reuse of the vehicles kinetic energy.

Key words： Electromagnetic braking， Energy recovery， Friction braking

【引用格式】王浩， 劉暢， 郭小紅， 等. 基于能量回收的新型電磁摩擦制動(dòng)系統(tǒng)研究[J]. 汽車工程師， 2024（6）： 22-28.

WANG H， LIU C， GUO X H， et al. Research on A New Electromagnetic Friction Braking System Based on Energy Recovery[J]. Automotive Engineer， 2024（6）： 22-28.

1 前言

傳統(tǒng)的車輛制動(dòng)系統(tǒng)存在許多因老化導(dǎo)致的安全問題[1]，如制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓磨損、制動(dòng)片或制動(dòng)蹄片厚度減小、制動(dòng)液更換周期過長(zhǎng)以及制動(dòng)溫度長(zhǎng)時(shí)間超過摩擦片或制動(dòng)蹄片的承受范圍，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)失效。此外，制動(dòng)摩擦產(chǎn)生的銅、鐵和錳等金屬微粒也會(huì)造成環(huán)境污染。而電磁制動(dòng)技術(shù)[1]具有無磨耗、制動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)迅速并能與ABS很好兼容等優(yōu)點(diǎn)，在提升車輛制動(dòng)性能的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，且降低了對(duì)環(huán)境的污染程度，是汽車制動(dòng)系統(tǒng)新的發(fā)展方向[2]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電磁和摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)合開展了大量研究工作。Lee和Park首次將傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)器與電磁制動(dòng)器相結(jié)合構(gòu)成混合制動(dòng)器[2]，通過試驗(yàn)獲得了電磁制動(dòng)器的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及制動(dòng)力矩的計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，涂琨、何仁教授團(tuán)隊(duì)對(duì)電磁制動(dòng)器在汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析[3]，通過比較現(xiàn)有的電磁制動(dòng)與制動(dòng)能量回收系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)方案，提出了集成制動(dòng)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向，為電磁制動(dòng)在汽車制動(dòng)器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。陳萌三、馬建等將電磁制動(dòng)器安裝在某客車上，研究了車輛在水平路面高速行駛狀態(tài)下電磁制動(dòng)器的制動(dòng)效果及其溫度和能耗，并研究了下長(zhǎng)坡制動(dòng)條件下其對(duì)車輛性能的影響[4]。

本文提出一種將傳統(tǒng)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器相結(jié)合的制動(dòng)系統(tǒng)，通過在MATLAB中建立車輛動(dòng)力學(xué)模型和鋰電池模型，在Maxwell中建立電磁學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證該制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)效能和能量回收方面的可行性。

2 制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了與車輛原有的制動(dòng)系統(tǒng)兼容，本文在原有制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加部分設(shè)備和模塊，組成新型電磁摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。與傳統(tǒng)的車輛制動(dòng)系統(tǒng)相比，新型制動(dòng)系統(tǒng)融入了信號(hào)采集轉(zhuǎn)化、磁場(chǎng)控制、磁場(chǎng)激發(fā)和能量回收4個(gè)模塊[3]。

2.1 信號(hào)采集與轉(zhuǎn)化裝置

該制動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)采集設(shè)備為一個(gè)速度傳感器和一個(gè)位移傳感器。速度傳感器安裝于車輪輪轂，實(shí)時(shí)檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，將電信號(hào)輸送給電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）；位移傳感器安裝在車輛制動(dòng)踏板上，與制動(dòng)踏板串聯(lián)，采用測(cè)量范圍為0～150 mm（誤差小于0.1%）的線性傳感器檢測(cè)駕駛員踩下制動(dòng)踏板的深度，并將采集到的踏板位移信號(hào)以電壓信號(hào)的形式發(fā)送至ECU；ECU處理位移信號(hào)和速度信號(hào)，并輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)到電動(dòng)機(jī)和可編程控制器（Programmable Logical Controller，PLC），進(jìn)一步控制制動(dòng)設(shè)備工作。

2.2 磁場(chǎng)控制設(shè)備

磁場(chǎng)控制設(shè)備由信號(hào)放大電路和PLC組成，信號(hào)放大電路部署在ECU中，將輸出信號(hào)變換到電動(dòng)機(jī)和PLC可以接收的范圍，而PLC串聯(lián)在磁場(chǎng)激發(fā)器和ECU之間，控制磁場(chǎng)激發(fā)裝置工作[5]。

2.3 磁場(chǎng)激發(fā)器

磁場(chǎng)激發(fā)裝置包括伺服電機(jī)、亥姆霍茲線圈和鐵芯。亥姆霍茲線圈安裝在車輛輪轂的兩側(cè)，見圖1，可以產(chǎn)生恒定的電磁場(chǎng)，覆蓋輪轂邊緣；伺服電機(jī)用于接收PLC的信號(hào)，進(jìn)而精確控制亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的強(qiáng)度和時(shí)間。

2.4 能量回收模塊

能量回收模塊由超級(jí)電容、保護(hù)電路、蓄電池、復(fù)位彈簧和導(dǎo)流電路組成。導(dǎo)流電路和復(fù)位彈簧位于輪轂處，制動(dòng)時(shí)將回收的電能導(dǎo)出；超級(jí)電容、保護(hù)電路和蓄電池串聯(lián)安裝在底盤上，導(dǎo)出的電能存放于電容中，經(jīng)保護(hù)電路輸送給蓄電池二次使用。

3 制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

制動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)處理流程如圖2所示。駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，位移傳感器將采集的信號(hào)以電信號(hào)的形式傳輸?shù)紼CU。ECU將當(dāng)前的制動(dòng)踏板位移與參考值x0進(jìn)行比較，如果小于參考值，則處于制動(dòng)踏板的空行程階段，無制動(dòng)動(dòng)作，否則根據(jù)車速，將制動(dòng)系統(tǒng)后續(xù)工作分為3種情況：

a. 高速階段（車速大于55 km/h）。高速階段車速較快，亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，電磁制動(dòng)力較高，能夠有效回收制動(dòng)能量，并減少制動(dòng)摩擦片的磨損，因而在制動(dòng)時(shí)僅采用電磁制動(dòng)。

b. 中速階段（車速范圍為36～55 km/h）。車速下降后，電磁制動(dòng)力下降，導(dǎo)致整車制動(dòng)力不足，故啟動(dòng)摩擦制動(dòng)裝置進(jìn)行輔助制動(dòng)。

c. 低速階段（車速小于36 km/h）。低速狀態(tài)下，車輪的轉(zhuǎn)速不足以產(chǎn)生足夠的電磁制動(dòng)力，為了減小磁能的損耗，關(guān)閉電磁制動(dòng)設(shè)備，以摩擦制動(dòng)方式減速。

ECU向電磁制動(dòng)器發(fā)出信號(hào)后（該系統(tǒng)的摩擦制動(dòng)過程與傳統(tǒng)車輛一致，本文不再贅述），經(jīng)過功率放大電路，使信號(hào)可以被PLC接收并識(shí)別，PLC控制伺服電機(jī)工作，由伺服電機(jī)精確控制亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，使車輛減速。車輪受到電磁制動(dòng)力減速后，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，能量回收裝置開始工作。

能量回收設(shè)備利用電磁感應(yīng)定律回收電能，結(jié)合超級(jí)電容器儲(chǔ)能量大和快充電、慢放電的特點(diǎn)，恰好適應(yīng)車輛制動(dòng)時(shí)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量能量的情況，并用額定功率將能量輸入電池。電磁制動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)后，輪轂上被磁場(chǎng)覆蓋的區(qū)域迅速產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)超級(jí)電容的導(dǎo)流電路一端與車輪半軸相連，另一端在線圈磁場(chǎng)的吸附作用下與輪轂的邊緣接觸，將車輪處產(chǎn)生的電能輸送到超級(jí)電容中，制動(dòng)過程結(jié)束后，線圈的磁場(chǎng)消失，在復(fù)位彈簧的作用下，與輪轂外緣相連的導(dǎo)流電路被拉回到原位。之后，電容器和蓄電池的保護(hù)電路連接，該保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，LM317是一款可調(diào)線性穩(wěn)壓器芯片，C為普通電容，C0、C1為可調(diào)電容，D2為穩(wěn)壓二級(jí)管，R1為電阻，R2為可調(diào)電阻。輸入電流經(jīng)過電容C1濾波后，在LM317芯片的作用下輸出電壓維持在1.25 V左右，再經(jīng)過D2穩(wěn)壓二級(jí)管后輸出穩(wěn)定的電壓，最終以1 A、9～40 V的形式進(jìn)入蓄電池，完成能量回收[6]。

4 性能分析

4.1 制動(dòng)盤磁場(chǎng)分布

在Maxwell的瞬態(tài)場(chǎng)（Transient）中建立電磁制動(dòng)器和電磁制動(dòng)盤模型（以車輛前進(jìn)方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸，車軸方向?yàn)閆軸）：在三維坐標(biāo)系中繪制制動(dòng)盤和勵(lì)磁線圈，2個(gè)勵(lì)磁線圈分別位于制動(dòng)盤的兩側(cè)；以Z軸為轉(zhuǎn)軸，在模型中設(shè)置制動(dòng)盤以不同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)；設(shè)置求解時(shí)間和步長(zhǎng)。仿真結(jié)束后，繪制磁場(chǎng)的分布云圖和渦流矢量圖，并查看制動(dòng)力矩。為簡(jiǎn)化問題，在磁場(chǎng)分析階段，只保留電磁制動(dòng)盤與勵(lì)磁線圈的模型，忽略其他設(shè)備。制動(dòng)器的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

將制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速范圍設(shè)為300～900 r/min，記錄制動(dòng)盤上的峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度，并通過計(jì)算器（Calculator）模塊計(jì)算制動(dòng)盤的峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度和平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)果如圖5所示。

由仿真結(jié)果可知，制動(dòng)盤的峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.05 T，并未超過材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度[7]。

4.2 電磁制動(dòng)力

4.2.1 低速區(qū)電磁制動(dòng)建模

當(dāng)電磁制動(dòng)盤在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)E，低速工況下，E=vB，在制動(dòng)盤的材料確定（即金屬的導(dǎo)電率確定）的情況下，電磁制動(dòng)力矩與制動(dòng)盤中電渦流強(qiáng)度成正比，因此，可確定電磁制動(dòng)力矩與制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速和磁場(chǎng)強(qiáng)度存在某種函數(shù)關(guān)系。

復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中，僅電磁制動(dòng)起作用時(shí)對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行受力分析，以電磁線圈為研究對(duì)象，穿過圓盤的磁通量為：

φ=F/R （1）

式中：F為磁動(dòng)勢(shì)，R為金屬的磁阻。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：

B=（μ0Ni）/La （2）

式中：μ0為空氣磁導(dǎo)率，N為線圈匝數(shù)，i為電流強(qiáng)度，La為制動(dòng)盤與線圈的氣隙。

此時(shí)，圓盤上的電流強(qiáng)度i為：

i=γ（R[θ]×B） （3）

式中：γ為制動(dòng)盤電導(dǎo)率，θ為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

如果產(chǎn)生的能量均以渦流的形式消耗，則耗散的功率Pd與力矩Tb滿足：

Tb=Pd/[θ] （4）

以熱量的形式在輪轂處耗散的功率為：

Pd=ρI2×V=γR2Sd[θ]2B2 （5）

式中：ρ為制動(dòng)盤電阻率，I為制動(dòng)盤產(chǎn)生的等效電流，V為修正因數(shù)，S為磁軛面積，d為制動(dòng)盤厚度。

求解得：

Tb=γR2Sd（μ0N/La）i2[θ] （6）

當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速小于臨界值（車速vc<55 km/h）時(shí)，電磁制動(dòng)力矩為：

Tb=Tii2[θ] （7）

式中：Ti=αCγr12（μ0N/La）為臨界速度vc下的制動(dòng)力矩，[α=1-12π[4tanξ+ξln1+1ξ2-1ξln （1+ξ2）]、[C=121-bhπ1+r1r2r-r12]為修正因子，ξ=h/b為高寬比，r1為外加磁場(chǎng)作用半徑，r為制動(dòng)盤半徑，b、h分別為磁軛截面長(zhǎng)度和寬度。

4.2.2 高速區(qū)電磁制動(dòng)建模

當(dāng)制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速大于閾值v0時(shí)，電磁制動(dòng)力矩為：

[Tbc=2Tiv0∕vc+vc∕v0] （8）

式中：[T]=[cζ?π4r22?LarNLa]為計(jì)算系數(shù)，c為比例因子，ζ為比例系數(shù)。

根據(jù)[T]的推導(dǎo)，在Maxwell中計(jì)算不同車輪轉(zhuǎn)速（300～900 r/min）下制動(dòng)盤的電磁制動(dòng)力矩，結(jié)果如圖6所示，可見，對(duì)于電磁制動(dòng)力矩：在車輛高速運(yùn)行工況下，產(chǎn)生的電磁制動(dòng)力大于傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，但隨著車輪轉(zhuǎn)速的下降，制動(dòng)力矩也減?。辉谥兴俟r下，需要通過盤式制動(dòng)器配合制動(dòng)；車輛進(jìn)入低速狀態(tài)（車輪轉(zhuǎn)速<300 r/min）后，產(chǎn)生的電磁制動(dòng)力急劇下降，并且考慮到產(chǎn)生磁場(chǎng)需要的能量可能小于車輛回收的能量等其他因素，故關(guān)閉電磁制動(dòng)器，使用傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)力矩為車輛減速?？紤]到摩擦片表面溫升、形變、化學(xué)變化和磨損等對(duì)制動(dòng)盤摩擦因數(shù)的影響，為了使摩擦制動(dòng)力矩保持在一定范圍（約1 000～1 200 N·m），通過單片機(jī)的信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)工作，進(jìn)一步調(diào)整真空助力器的真空度以改變對(duì)制動(dòng)盤的壓力，進(jìn)而保證制動(dòng)系統(tǒng)輸出摩擦制動(dòng)力矩的恒定性[8]。

4.3 能量回收率

在MATLAB中建立車輛的鋰電池模型[9]，該模型包括電流表（Current Scope）、減法器（Subtract）、時(shí)鐘信號(hào)（Out.simout1、Out.simout2）、荷電狀態(tài)計(jì)算（State Of Charge Calculate，SOC Calculate）模塊、RC參數(shù)計(jì)算（RC Parameter Calculate）模塊和電壓計(jì)算（Voltage Calculate）模塊，RC參數(shù)計(jì)算模塊根據(jù)當(dāng)前SOC計(jì)算相關(guān)參數(shù)，并將結(jié)果輸送至電壓計(jì)算模塊。仿真模型如圖7所示。

利用MATLAB中鋰電池模型的相關(guān)參數(shù)，在Maxwell中對(duì)電磁制動(dòng)器在不同車速下的瞬時(shí)能量回收率進(jìn)行仿真，并計(jì)算當(dāng)前的SOC，結(jié)果如圖8、圖9所示。

4.4 整車制動(dòng)仿真

在MATLAB中建立某車型制動(dòng)工況下的動(dòng)力學(xué)模型（模擬環(huán)境為干瀝青路面，無坡度），該車型部分參數(shù)如表2所示[8]。在本文所模擬的車速范圍內(nèi)，分別計(jì)算電磁制動(dòng)力、摩擦制動(dòng)力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力，建立模型如圖10所示[10]。

制動(dòng)仿真結(jié)果和散點(diǎn)圖如圖11所示，可以看出，車輛中、低速（小于55 km/h）行駛工況下，由于摩擦制動(dòng)力在ECU的調(diào)控下變化幅度較小，且電磁制動(dòng)力較小，可將車輛的制動(dòng)過程視為恒力制動(dòng)，故制動(dòng)距離和制動(dòng)初速度構(gòu)成的函數(shù)圖像近似為拋物線，滿足關(guān)系式vc2=2ax，其中，a為制動(dòng)減速度，x為制動(dòng)距離。

車輛高速行駛工況下，電磁制動(dòng)力發(fā)揮主要作用，而根據(jù)對(duì)電磁制動(dòng)的建模結(jié)果和制動(dòng)力矩仿真結(jié)果，電磁制動(dòng)力與車速有關(guān)，隨速度增大而增大，所以制動(dòng)距離與初速度呈線性關(guān)系[11]。

車輛在不同工況下的制動(dòng)過程仿真結(jié)果與車輛模型的理論分析結(jié)果基本吻合，且電磁制動(dòng)的性能隨著車速的提高而顯著優(yōu)于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)，與該制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果相符，即在高速工況下，可有效縮短車輛的制動(dòng)距離[12]。

5 結(jié)束語

本文從理論上推導(dǎo)了電磁制動(dòng)系統(tǒng)力矩與車速和磁場(chǎng)的關(guān)系，并在Maxwell中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，在外加磁場(chǎng)作用下，制動(dòng)力矩隨制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的提高而增大，在不同范圍內(nèi)均與理論推導(dǎo)的結(jié)果具有良好的一致性。

同時(shí)，基于MATLAB搭建了車輛動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)Maxwell仿真所得的制動(dòng)力矩，模擬了干瀝青路面上某車型在不同車速下的制動(dòng)情況并計(jì)算制動(dòng)距離，結(jié)果表明：電磁摩擦制動(dòng)系統(tǒng)在高速工況下提高了車輛制動(dòng)性能，且對(duì)車輛制動(dòng)性能的優(yōu)化程度隨著車速的提高而增大。最后，在Simulink中建立鋰電池模型，通過Simulink和Maxwell的聯(lián)合仿真對(duì)不同車速下制動(dòng)時(shí)的能量回收功率進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)果顯示：電磁制動(dòng)器的能量回收率與速度的平方成正比，高速工況下能量回收率較高，隨速度下降而下降，當(dāng)車速低于閾值時(shí)，考慮到成本的原因，將不再使用電磁制動(dòng)系統(tǒng)。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年4月29日。