奚 琳，裴九芳，時培成

安徽工程大學(xué)機械工程系，先進數(shù)控和伺服驅(qū)動技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽蕪湖，241000

現(xiàn)今，電動汽車以其環(huán)保優(yōu)勢超越了傳統(tǒng)汽柴油汽車，然而電動汽車制動裝置的效能與傳統(tǒng)汽車液壓制動裝置相比較略顯薄弱。如何提高純電動汽車制動裝置的效能，成為目前新能源汽車的研究問題之一［1］。本論文設(shè)計了一種磁助力啟動制動結(jié)構(gòu)，不僅助力于純電動汽車的制動過程，而且亦可助力于汽車起步過程。

1 EPB制動鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為磁助力電子駐車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總成。圖2為電子車輪制動鉗工作原理：制動盤1由摩擦襯塊2加以制動，而摩擦襯塊2的移動是由一對步進電機3和4來驅(qū)動的，對置電機通過聯(lián)軸器5帶動絲杠6旋轉(zhuǎn)，6的平移墊7作左右平動。一對平移墊通過開合動作，促使楔形塊8沿制動鉗軸向作平動，最終變成摩擦襯塊2相對于制動盤1動作。平移墊副作相合動作時，楔形塊擠壓摩擦襯塊，為制動過程；相反，平移墊副作分離動作時，楔形塊松開摩擦襯塊，為恢復(fù)過程。

圖1 磁助力啟動制動電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總成

執(zhí)行其指令的作動機構(gòu)是一雙對置的無刷電機。同時，在轉(zhuǎn)軸上配置有轉(zhuǎn)角增量記錄器，可準(zhǔn)確記憶當(dāng)前和累計的轉(zhuǎn)角位置數(shù)據(jù)。由一個扭矩傳感器向電控單元反饋制動力的強度現(xiàn)狀，以達成對制動全程的閉環(huán)監(jiān)控。對置的2個步進電機之間的“平移墊－絲杠”組合和“平移墊－楔形塊”組合都經(jīng)事先預(yù)緊而消除了空行程并被剛性支承，因而能把步進電機的轉(zhuǎn)動精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)換成沿絲杠的軸向移動，再借助于斜楔機制轉(zhuǎn)化成摩擦襯塊的制動行為（夾緊或松開）［2］。

圖2 電子駐車制動鉗工作原理

2 磁助力啟動制動結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 磁助力啟動制動裝置工作原理

圖3為磁助力再生制動裝置工作原理圖。結(jié)構(gòu)由外圈定子和內(nèi)圈轉(zhuǎn)子2部分組成。內(nèi)圈轉(zhuǎn)子、制動盤和車輪三者同軸共速。內(nèi)圈轉(zhuǎn)子上安裝了測速傳感器，時時感測車輪速度的變化。轉(zhuǎn)子上呈圓周陣列式布局6個永久磁體［3］。磁體材料選擇釹鐵硼稀土，并且選擇永磁材料釹鐵硼稀土中最大磁能積和較高剩余磁感應(yīng)強度的型號［4］。磁極為N極、S極相間排列。外圈定子的內(nèi)側(cè)呈圓周陣列式布局6個磁芯，磁芯上纏繞著電磁線圈。電磁線圈通電后在磁芯上產(chǎn)生磁極，磁極亦是N極、S極相間排列。

圖3 磁助力制動裝置工作原理圖

磁助力再生制動效果：利用磁性異性相吸、同性相斥的工作原理，設(shè)計再生制動裝置。隨著內(nèi)圈轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，外圈定子上的磁極也在不斷變化。轉(zhuǎn)子上每個磁極轉(zhuǎn)動的前方總是呈現(xiàn)同性的定子磁極，而后方總是呈現(xiàn)異性的定子磁極。這樣，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動的過程中始終受到前方同性相斥的阻力和后方異性相吸的引力，這兩種力共同起到磁助力制動效果。外圈定子上磁極的變換由電磁線圈的交變電流變換得到，而交變電流的頻率變換由轉(zhuǎn)子上測速傳感器測得的實時變速控制的。

磁助力啟動效果：也是利用磁性異性相吸、同性相斥的工作原理，設(shè)計再生制動裝置。但工作方式與助力制動過程剛好相反。轉(zhuǎn)子上每個磁極轉(zhuǎn)動的前方總是呈現(xiàn)異性的定子磁極，而后方總是呈現(xiàn)同性的定子磁極。這樣，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動的過程中始終受到前方異性相吸的引力和后方同性相斥的阻力，這兩種力共同起到磁助力啟動效果［5］。

此結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子測速傳感器的動態(tài)響應(yīng)速度要求較高。

2.2 磁助力啟動制動力矩計算方法

磁助力啟動制動力矩是由旋轉(zhuǎn)磁場的磁通和轉(zhuǎn)子電流的有功分量相互作用而產(chǎn)生的。計算公式為：

其中，M－磁助力啟動制動力矩；Cm－轉(zhuǎn)矩常數(shù)；φ－旋轉(zhuǎn)磁場的磁通；I2s－相電流有效值；cosφ2s－轉(zhuǎn)子邊功率因數(shù)。

將以上參數(shù)代入，得：

可以看出力矩M是關(guān)于滑差S的函數(shù)。當(dāng)S∈［0，1］時，磁助力裝置起到助力啟動的作用；當(dāng)S≥1時，磁助力裝置起到助力制動的作用。

2.3 磁助力啟動制動控制電路設(shè)計

圖4為磁助力啟動制動裝置加減速控制電路圖，其中運放AJ1是積分器。

圖4 磁助力啟動制動裝置加減速控制電路

當(dāng)電動汽車起步，即磁助力啟動裝置加速時，積分電容C初始電壓為0，于t＝0時將開關(guān)Q調(diào)至加速端，故運放AJ1的輸出電壓是：

運放AJ2是加法電路，可以使VCO的范圍端獲得較高電壓，VCO范圍端電壓越高，輸出頻率則越低。運放AJ2的輸出電壓是：

由此可見，V02隨時間增加而減少。將V02作為VCO范圍端的輸入電壓，當(dāng)V02降低，則近似看成VCO的輸出頻率隨時間增加而增加。當(dāng)VCO輸出頻率達到電動汽車所需的運行頻率范圍時，令此時刻t＝t1，則將開關(guān)Q調(diào)至常態(tài)工作端。由于常態(tài)工作端接地，則此后運放AJ1的輸出電壓與時間無關(guān)，并保持不變，故

同理，運放AJ2的輸出電壓也保持不變，那么

此電壓加載在VCO的范圍端，使VCO的輸出頻率保持常態(tài)工作值。

當(dāng)電動汽車制動，即磁助力制動裝置減速時，在t＝t2時刻將開關(guān)調(diào)至減速端，運放AJ1的輸出電壓為：

運放AJ2的輸出電壓為：

即V02隨時間增加，則VCO的輸出頻率隨時間減少。當(dāng)VCO頻率降至一定程度時，則在停止控制端加高電平，VCO輸出脈沖停止，從而實現(xiàn)磁助力制動裝置的助力減速效果。加速的快慢能夠通過Vi1和電阻R的調(diào)節(jié)來改變；減速的快慢能夠通過Vi2的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。并且Vi1、Vi2是由轉(zhuǎn)子測速傳感器控制的［6］。

2.4 基于ECE法規(guī)制動力分配算法

ECE－R－13制動法規(guī)是由歐洲經(jīng)濟委員會（ECE）制定的，為了確保汽車在制動過程中的方向穩(wěn)定性和制動效能，針對汽車前后軸制動力所提出的要求。

設(shè)計前后軸制動力分配策略，應(yīng)將制動力盡量多地分配到驅(qū)動軸上?；贓CE法規(guī)，最大整車制動強度為：

其中，F(xiàn)r－再生制動力，N；M－整車質(zhì)量，kg；g－重力加速度，9.8kg／m2。

其中，P－當(dāng)前制動功率，kw；v－當(dāng)前車速，km／h；η－總傳遞效率。

依據(jù)全球居多城市工況，制動強度小于0.2。因此，在制動強度較小時應(yīng)盡量將制動力分配在驅(qū)動軸上，以得到最大的能量回收。

3 結(jié)束語

本研究設(shè)計了磁助力啟動制動裝置，根據(jù)磁場力基本原理，推理出磁助力啟動制動力矩的計算方法，設(shè)計了啟動制動控制電路，依據(jù)ECE法規(guī)設(shè)計了制動力分配算法，為純電動汽車改善行車啟動制動效能提供了新的思路。

［1］張繼紅.純電動汽車液制動系統(tǒng)再生制動控制策略研究［D］.吉林：吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2011：5

［2］齊志鵬.汽車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理與檢修［M］.北京：人民郵電出版社，2002：15

［3］李賀.純電動汽車的再生制動系統(tǒng)與ABS集成控制策略研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，2012：5

［4］田超賀.輪轂電機驅(qū)動電動汽車再生制動控制策略研究［D］.北京：北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，2012：7

［5］趙國柱.電動汽車再生制動若干關(guān)鍵問題研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，2012：3

［6］趙小波.永磁式渦流緩速器電磁特性與制動性能研究［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與車輛工程系，2009：5