蔣開洪+毛睿

摘 要：通過對新能源汽車IBS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以三維造型軟件NX UG為平臺，建立虛擬樣機模型，同時通過對IBS系統(tǒng)在CAE軟件中進行有限元計算，在設(shè)計階段完成對IBS系統(tǒng)的強度評估。按照汽車電子行業(yè)的ISO26262標準對IBS系統(tǒng)的電控部分進行研發(fā)，通過快速原型樣件與控制策略驗證電控單元對機械裝置的控制能力。將IBS系統(tǒng)機械部分與電控單元集成在一起，進行制動性能臺架試驗和整車路試，滿足制動法規(guī)與主機廠規(guī)范要求。最終形成IBS系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，填補國內(nèi)技術(shù)空白，提高我國汽車零部件行業(yè)的國際競爭力。

關(guān)鍵詞：新能源汽車IBS系統(tǒng)；有限元分析；機械裝置；電控單元；測試平臺

中圖分類號：TP311.52 文獻標志碼：A 文章編號：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)境污染與能源危機問題的日益嚴峻，新能源汽車如混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池車等逐漸成為各國的研發(fā)熱點。新能源汽車是一種電力或混合動力驅(qū)動的、節(jié)能的、極少污染的新型汽車，是未來汽車發(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存容量偏小、充電時間過長等。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)動車輛運行的能量被消耗在制動過程中，若能對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)濟性。

制動能量回收，又稱回饋制動或再生制動，對于電驅(qū)動車輛而言，是指在減速或制動過程中，驅(qū)動電機工作于發(fā)電狀態(tài)，將車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能儲存于電池中，同時施加電機回饋轉(zhuǎn)矩于驅(qū)動軸，對車輛進行制動。該技術(shù)的應(yīng)用一方面增加了電驅(qū)動車輛一次充電的續(xù)駛里程，另一方面減少了傳統(tǒng)制動器的磨損，同時還改善了整車動力學(xué)的控制性能。該技術(shù)的核心零部件之一是電控制動系統(tǒng)（簡稱IBS系統(tǒng)）。

本文所闡述的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化針對新能源汽車IBS系統(tǒng)，進行創(chuàng)新性研究，解決其中共性關(guān)鍵技術(shù)問題，研制具有自主知識產(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、利潤高的機電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)水平的高低是衡量一個國家汽車設(shè)計開發(fā)水平的重要標志，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，決定國家制造業(yè)的國際競爭力。我國汽車零部件領(lǐng)域與國外巨頭相比，存在起步晚、設(shè)計開發(fā)能力弱、競爭力弱、科技含量不高等問題。

雖然歐美發(fā)達國家五年之前已經(jīng)對IBS系統(tǒng)進行大規(guī)模研發(fā)，而我國在該領(lǐng)域才剛剛開始起步，但是近年來國家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策支持力度日益加大，國內(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，為國內(nèi)汽車零部件廠家發(fā)展IBS系統(tǒng)提供了有利市場保證。目前國內(nèi)的電控制動供應(yīng)商非常少，基本被歐美日發(fā)達國家供應(yīng)商所壟斷，而國外供應(yīng)商一般存在對此類系統(tǒng)進行技術(shù)封鎖，并且售價高、客戶響應(yīng)速度慢、配合程度低等問題，IBS系統(tǒng)已經(jīng)成為制約國內(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)達國家零部件廠商所壟斷。但隨著國內(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，并且隨著產(chǎn)量的進一步增加與成本降低，有望在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車上使用，以提升整車科技水平。

從目前市場看，常規(guī)的真空助力系統(tǒng)已經(jīng)非常普及，并且價格很低，利潤也不高，并且也滿足不了新能源汽車對制動系統(tǒng)方面的要求，由于產(chǎn)業(yè)原因，國外發(fā)達國家對IBS系統(tǒng)的研發(fā)比國內(nèi)要早五年，目前有歐美日發(fā)達國家能研發(fā)此類產(chǎn)品。但與國內(nèi)企業(yè)相比，國外企業(yè)響應(yīng)速度慢、成本高等劣勢在新能源汽車發(fā)展中將凸顯出來，遠遠滿足不了國內(nèi)汽車廠家對IBS系統(tǒng)的需求。為拓展國內(nèi)新能源汽車零部件市場和提升汽車技術(shù)水平，滿足國內(nèi)整車廠家對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)，從而填補國內(nèi)IBS系統(tǒng)市場空白，提升國內(nèi)汽車零部件行業(yè)在國際市場上的競爭力。

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，是實現(xiàn)技術(shù)研發(fā)成果向經(jīng)濟效益和社會效益轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過集成各個關(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，IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機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，IBS系統(tǒng)控制策略設(shè)計與控制算法優(yōu)化，IBS系統(tǒng)直流無刷電機研發(fā)技術(shù)，IBS系統(tǒng)性能測試平臺的設(shè)計開發(fā)技術(shù)，IBS系統(tǒng)整車性能驗證分析等研發(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)的國內(nèi)技術(shù)壁壘，有效加快國內(nèi)新能源汽車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，填補國內(nèi)IBS系統(tǒng)市場空白，提升國內(nèi)汽車零部件行業(yè)在國際市場上的競爭力。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

IBS系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮常規(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廠的需求差異等因素，綜合國外競爭相關(guān)產(chǎn)品的特性，對其進行對標分析，吸取其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，在三維軟件UG中進行三維造型設(shè)計。

首先對IBS系統(tǒng)進行整體造型設(shè)計，以確定其邊界尺寸，然后在對內(nèi)部傳動機構(gòu)如齒輪傳動、絲杠傳動等進行設(shè)計，最后對局部進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后通過UG軟件對各部件進行裝配、干涉檢查、運動仿真等分析，從而在設(shè)計階段消除一些零件的結(jié)構(gòu)存在的風(fēng)險，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)主要由直流無刷電機、減速齒輪、滾珠絲杠、控制器ECU、踏板位移傳感器、制動主缸等結(jié)構(gòu)組成。

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

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

虛擬仿真步驟是：先對機械部件進行有限元前處理，比如網(wǎng)格劃分等，然后在定義好其邊界約束與加載條件，通過求解器進行計算，獲取部件在薄弱位置處的應(yīng)力應(yīng)變等變量，從而最終通過材料的機械性能指標來評估部件結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理。通過傳動齒輪在CAE軟件中的模型與部分計算結(jié)果可以評估IBS系統(tǒng)中的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理。同理，該虛擬仿真技術(shù)，對IBS系統(tǒng)其他機械部分進行虛擬仿真分析，從而最終得到最合理化的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)計好壞直接影響到IBS系統(tǒng)在整車中的制動效果。結(jié)合IBS系統(tǒng)空間要求和性能要求，在Catia軟件中對電控單元進行硬件設(shè)計，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刷電機，其中電控單元由外殼、PCBA、電機驅(qū)動模塊、基板與引腳等組成。IBS系統(tǒng)電控單元接受來自踏板位移傳感器的信號，然后內(nèi)部通過MCU等進行計算，通過查表輸出制動助力值，電機功率模塊根據(jù)助力值輸出電流對直流無刷電機進行驅(qū)動，然后電機進行減速傳動，驅(qū)動制動踏板往前推進，在整個過程中都是通過電控單元發(fā)出指令對IBS系統(tǒng)進行控制，駕駛員無需額外干預(yù)。

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

IBS系統(tǒng)電控硬件設(shè)計后，需要對其進行控制策略與系統(tǒng)軟件設(shè)計。傳統(tǒng)的汽車電控系統(tǒng)開發(fā)模式存在開發(fā)時間長、程序修改復(fù)雜、靈活性補強的弊端，而V型設(shè)計模式理念是一種近年來興起的控制系統(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。V型設(shè)計模式流程如圖主要有需求分析、功能架構(gòu)設(shè)計、功能設(shè)計、建模及自動代碼生成、單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試。通過對IBS系統(tǒng)控制器、被控對象的仿真測試，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入到IBS系統(tǒng)整車道路試驗，縮短道路試驗周期，降低開發(fā)風(fēng)險與開發(fā)成本，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的IBS系統(tǒng)的快速開發(fā)。

將IBS系統(tǒng)物理模型簡化成簡單的力學(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，并進行虛擬仿真，若各方面技術(shù)指標滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，則將Simulink模型自動生成代碼，下載到IBS系統(tǒng)電控單元當中，然后進行硬件在環(huán)測試。

3.5 IBS系統(tǒng)直流無刷電機關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

IBS系統(tǒng)一個極大的優(yōu)勢是在緊急制動時響應(yīng)非?？?，所以要求電機必須響應(yīng)速度快。此外也要求電動機功耗小、輸出的力矩大。另外在制動過程中，電機將在“堵轉(zhuǎn)”的惡劣環(huán)境下工作，因此對電機的可靠性要求高，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。因此針對上述問題，需要研究開發(fā)一種適用于IBS系統(tǒng)的直流無刷電機，該電機使用高磁能積永磁材料的勵磁，具有慣量小、功率高、動態(tài)性能好等優(yōu)良特征，能夠滿足電控制動系統(tǒng)的要求。通過根據(jù)系統(tǒng)計算分析，該電機的輸出最大轉(zhuǎn)速在3500-5000rpm，輸出扭矩在2.5-3.5Nm。endprint

3.6 IBS系統(tǒng)性能測試平臺設(shè)計開發(fā)

IBS系統(tǒng)性能指標是否滿足系統(tǒng)要求，必須通過試驗臺架進行性能測試，由于此類系統(tǒng)近年來剛剛興起，國內(nèi)還沒有現(xiàn)成的性能測試平臺，即便在國外該類測試平臺也較少，多被大型汽車商所壟斷，為此有必要自主研發(fā)IBS系統(tǒng)性能測試平臺，滿足自身需求的同時，為國內(nèi)同類研發(fā)企業(yè)提供相關(guān)檢測服務(wù)，整體提高國內(nèi)IBS系統(tǒng)研究開發(fā)水平。通過對常規(guī)制動系統(tǒng)性能測試平臺的研究分析，再結(jié)合IBS系統(tǒng)自身性能特點，設(shè)計IBS系統(tǒng)性能測試平臺。

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

3.7 IBS系統(tǒng)整車性能驗證分析

IBS系統(tǒng)研發(fā)成功之后，雖然研發(fā)過程中對各個部件、各方面的性能都有相關(guān)的檢測，但是IBS系統(tǒng)的性能優(yōu)勢還是取決于其是否滿足整車上性能要求，最終需要通過裝車進行整車性能試驗與路試。在與整車廠同步開發(fā)IBS系統(tǒng)過程中，公司將抓住一切可能的裝車與路試機會，對IBS系統(tǒng)進行整車驗證，整車評價項主要有常規(guī)制動、緊急制動、操縱穩(wěn)定性評價、振動噪聲評價，通過這些整車性能測試中出現(xiàn)的問題，進行根本原因查找，將IBS系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)風(fēng)險降低到最低。

4 結(jié)束語

本項技術(shù)研究的新能源汽車IBS系統(tǒng)能夠在不借助內(nèi)燃機產(chǎn)生真空環(huán)境的情況下，通過電動機來提供制動助力，從而實現(xiàn)車輛制動。通過制動能量回收，為純電動車增加高達20%的續(xù)航里程。同時它不僅可以縮短制動距離，而且當碰撞不可避免時，它還有助于降低撞擊速度，從而降低對當事人的傷害，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，填補國內(nèi)技術(shù)空白，提高我國汽車零部件行業(yè)的國際競爭力。

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