基于ESP系統的新型汽車儲能式剎車盤

刁建偉

（中山大學，廣東廣州 510275）

0 前言

當今社會，能源危機、空氣污染問題日益突出。在城市中，汽車屬于主要的能耗以及污染源，隨著機動車保有量的快速增加，這一問題更加凸顯。因此許多城市對于汽車采取限行限購的政策，嚴重制約了汽車工業的發展。

針對油電混合動力系統成本高、電池壽命短；高速轉子儲能系統技術復雜、難以推廣等問題，基于ESP系統的硬件及控制模塊，提出了一種新型汽車儲能裝置。

1 研究目的

通過汽油發動機的速度特性曲線和液力變矩器特性曲線可知，汽油發動機、液力變矩器在低速、大扭矩的情況下，有效功率極低，耗油量極高，工作狀態極差，廢氣污染物排放較多[1]。

如果在汽車低速、大扭矩的情況下，如果能夠提供一個外力，從而減輕發動機在汽車起步時的負載，提高液力變矩器的傳遞效率，有效降低油耗，縮短在惡劣工況下的發動機工作時間，減少此工況下的有害氣體排放，從而達到節能環保的目的。

因電池技術的瓶頸，限制了油電混合系統的發展，因此基于ESP系統選用了恒力彈簧作為儲能源。但是恒力彈簧作為儲能源存在以下問題：

（1）傳統的恒力彈簧儲能與釋能方向相反，汽車前進時儲存的能量在釋放時會讓汽車后退，不能直接應用作為儲能源應用；

（2）恒力彈簧受到現有材料及生產技術限制，儲能總量相對較少，如果不加以改造，對于汽車節能環保作用不大。

（3）現有汽車剎車系統技術成熟、穩定，本設計作為汽車剎車輔助系統技術，既要完美融入傳統的剎車系統，又要保證剎車安全性，創新技術難度極大。

針對以上問題開展了研究。

2 設計結構和工作原理

本設計基于ESP系統（Electronic Stability Pro?gram車身電子穩定系統）的硬件及控制模塊，提出了一種新型汽車儲能裝置，如圖1。在能量收集的過程中，配合剎車系統，提升減速效果，在能量釋放的過程中，配合發動機特性曲線與液力變矩器特性曲線，優化了汽車動力特性曲線，從而達到了節能環保的目的。

圖1 混合動力之汽車儲能式剎車盤設計圖

2.1 結構組成

如圖2-圖5所示，本設計包括以下5個系統。

圖2 裝配結構簡單示意圖

圖3 儲能式剎車盤結構圖

2.1.1 滾動系統

包括輪胎、輪輞、固定螺栓和固定盤。固定盤通過固定螺栓固定在輪輞上或者是剎車盤。

2.1.2 固定系統

包括輪軸和固定殼，輪軸、固定殼、制動鉗均固定在汽車地盤上。

2.1.3 儲能系統

包括外磁固圈、恒力彈簧和內磁固圈。

恒力彈簧是由彈性曲片構成，由內向外逆時針彎曲構成，兩端分別固定在內外磁固圈上，如圖4所示。磁固圈是由機械強度高、磁性強的材料制成。

圖4 儲能彈簧結構圖

2.1.4 滑動系統

包括外磁固圈、恒力彈簧、內磁固圈、卡槽和磁控閥。

卡槽是在固定盤和固定殼上為防止與磁固圈接觸時發生滑動的槽溝，槽溝內的齒紋與磁固圈

圖5 磁控閥環狀結構圖

分別安裝在剎車踏板與加速踏板的壓力傳感器，傳感器將接受的壓力信號轉化為電信號來控制磁控閥，磁控閥通過改變磁極來產生對磁固圈的引力或斥力，從而使磁固圈在制動盤的卡槽與固定殼的卡槽間固定和滑動。制動鉗仍是由剎車踏板通過液壓傳動裝置控制。上的齒紋相吻合，內外槽溝的尺寸與內外磁固圈尺寸為間隙配合。磁控閥安裝在卡槽底部。

2.1.5 控制系統

包括磁控閥、減速壓力傳感器、加速壓力傳感器和處理芯片。

2.2 工作原理

2.2.1 主要機構工作原理為：

（如圖6所示）需要減速時踩踏減速踏板，減速壓力傳感器將信號傳給處理芯片，處理芯片控制各個磁控閥12使外磁固圈7被推進固定盤的卡槽跟隨車輪一起轉動，而內磁固圈9仍在固定殼的卡槽內不動，從而使連接內外磁固圈的恒力彈簧8被壓縮，將汽車的動能轉化為儲存在恒力彈簧8的勢能。需要加速時踩踏加速踏板，加速壓力傳感器將信號傳給處理芯片，處理芯片控制各個磁控閥12使內磁固圈9被推進固定盤的卡槽，而外磁固圈7在固定殼的卡槽內不動，從而使連接內外磁固圈的恒力彈簧8中的能量得以釋放，使彈性勢能轉化為汽車的動能。在勻速行駛時，內外磁固圈受磁控閥控制均被固定在固定殼的卡槽內不動，保持彈性勢能不損失。

圖6 磁控閥控制系統原理圖

2.2.2 配合機構工作原理

為了使主機構工作正常，必須設計配合機構來輔助主機構。配合機構主要包括固定盤卡齒、磁固圈、固定殼卡齒相互間隙，卡槽與卡尺形狀設計，自鎖裝置，以及ECU芯片對于特殊事件的應急反應等。

（1）間隙尺寸

因為儲能器的能量收集與釋放是依靠平移內外磁固圈使卡槽、卡齒相互嚙合、分離來完成的，輪輞在高速旋轉時的必須要保證卡槽與卡齒的準確嚙合與分離，所以必須要控制好固定盤卡齒、磁固圈、固定殼卡齒相互的間隙，如果過大會給磁控閥控制平移帶來困難，而且磁固圈在滑動過程中會發生太多的轉動而使儲存的能量流失，如果過小，在劇烈的震動中會發生車輪卡死狀態，造成危險。經計算研究，如（圖7）所示，固定盤卡齒、磁固圈、固定殼卡齒相互間隔2 mm。這樣只有磁固圈在正中間位置時才與兩個卡槽都不接觸，因為磁固圈受到平衡力作用的時間極短，而且相互間隔距離很小，使磁固圈在滑動過程中損失的旋轉量很小，即可保證最小的能量損失。

圖7 防止磁固圈自轉原理圖（卡齒與卡槽形狀）

（2）卡齒與卡槽

現在以（圖7）所示為例講解卡齒與卡槽的工作原理。當13a與13b相嚙合時，即外磁固圈7進入固定盤5的卡槽內，為減速階段。外磁固圈跟隨固定盤運動（在圖7中為向上運動）。當減速階段結束時，外磁固圈受力向固定殼7的卡槽內運動，因三者在裝配時留有間隙，外磁固圈不能在離開固定盤的卡槽的同時進入固定殼的卡槽內，因此外磁固圈會有少量順時針轉動，轉動后恰好使固定殼上卡槽的卡齒進入外磁固圈上的卡槽，阻止外磁固圈自轉。如圖7所示卡齒與卡槽的形狀設計是為了更好地完成卡齒與卡槽的嚙合與分離。齒槽的設計特征為前角為80°，后角45°，圓角處理。這樣的角度設計既滿足了嚙合時強壓力的需要，又使分離時簡單易行。而且如此設計還可以保持一個軸向分力，在彈簧負荷過大時將卡齒推出卡槽，起到了過載保護的作用。

2.3 設計參數

2.3.1 彈簧設計參數

通過查詢可知以下計算公式[2]

以60Si2MnA為彈簧材料，［б］：≥1225(125)MPa E=197GPa

扭矩T作用下的彎曲應力為：

Wt— —抗彎截面系數

［б］——許用彎曲應力

所以彈簧可以承受的最大扭矩T為：

取長度無限小的單元體，則此單元體內彎曲彈性應變能為：

當渦卷彈簧的有效長度為l時，將上式沿曲線的全長積分即為彈簧總的變形能：

在有關金屬材料手冊中查的恒力彈簧材料的彈性模量E為：

外磁固圈的內半徑為R，內磁固圈的半徑為r，恒力彈簧的軸向長度為s，則內外磁固圈間的空間體積為：

假設渦卷彈簧充滿整個空間，并且已知彈簧的橫截面的長b，厚度為h此時可求出彈簧的最大長度：

所以儲能器儲存的最大能量為

取?=2πn，則可得扭矩T作用下的工作轉數為：

彈簧置于盒內，未加扭矩狀態下的圈數：

彈簧卷緊在心軸上的圈數：

彈簧的有效工作轉數：

2.3.2 MATLABSimulink仿真模擬

經過MATLAB Simulink仿真模擬后，得到了表1 MATLAB Simulink仿真模擬輸出數據表，可以看到扭矩隨彈簧厚度的升高而升高，工作圈數隨彈簧厚度的升高而降低，設計此產品既希望獲得較大的扭矩又希望有很高的工作圈數，所以只能在扭矩和工作圈數兩數據之間謀求平衡。因此通過表1看到當彈簧厚度為2 mm時，為較合適的選擇，當然不同的車型可根據不同的需要做適當調整。

表1 MATLAB Simulink仿真模擬輸出數據表

2.4 ECU控制系統

2.4.1 控制參數

根據上述對控制系統的基本要求，擬選控制系統參數

如加速踏板位置、剎車踏板位置等作為控制參數，可以準確地反映駕駛人員的行為意圖。

ECU根據加速踏板位置（可反映駕駛者期望的速度）、儲能系統狀態（儲能器的扭矩和能量）和發動機轉速綜合確定發動機負荷、動力流向和發動機供油量，使儲能器與發動機相互配合，以實現高動力性和低油耗的要求。

車輛總質量的變化也會影響加速度、減速度的大小，即發動機負荷強度，而蓄能壓力用于確定儲能系統允許能量儲存與釋放門限及工作狀態顯示。

2.4.2 控制過程

根據控制參數對系統動作的優先級和相互制約關系設定控制系統信號處理邏輯框架（如圖8），以此作為控制系統程序編制的依據。

圖8 減速與加速控制原理邏輯圖

將傳感器所獲剎車踏板運動行程根據下踏程度分為自由行程、蓄能減速行程、緊急制動行程，在控制程序中分別起蓄能準備、根據減速強度期望實施蓄能減速、全力減速以緊急停車為首要目標，啟動蓄能制動和傳統制動器制動等全部制動措施的基礎參數作用。

因為儲能彈簧安裝的旋轉方向以及卡槽與卡齒的設計方向所限，所以在倒車時無法儲能，此時ECU芯片不會發出儲能指令。因為儲能彈簧的最大形變尺度等限制，不同型號的儲能器會有其自身的儲能極限，當汽車在長時間處于下坡狀態時，儲能器達到其儲能極限，極限壓力傳感器或者是車輪滾動圈數計數器會將信息傳給芯片，芯片在此狀態下不再發出儲能指令，此時踏下剎車踏板將只會帶動傳統剎車機構而不會再向儲能器發出發出指令。在儲能器將其儲存能量全部釋放后，ECU芯片處理原理將與儲滿時同理。

當汽車在顛簸路面行駛時，車輪會發生劇烈震動，可能使磁固圈與固定殼的卡齒與卡槽分離，發生意外，所以在勻速行駛時，ECU芯片會控制自鎖裝置，鎖住磁固圈，為防止磁固圈從固定殼上彈出，保證正常行駛的安全。

2.5 與奧迪A4L 2011款1.8T參數配比

2.5.1 奧迪A4L 2011款1.8T與本設計相關參數提煉

本產品的設計主要針對中高檔車型，奧迪A4L 2011款1.8T這款車作為中高檔車型的代表，其相關參數對本產品設計具有重要意義，下面將奧迪A4L 2011款1.8T這款車與本設計相關的參數進行提煉，以便于下文分析。

奧迪A4L 2011款1.8T的發動機可謂是中檔車中的佼佼者，在4 500～6 200 r/min的轉速下可輸出118 kW的最大功率，在1 500～4 200 r/min的轉速下可輸出250 N·m的最大扭矩，代表了本檔次車型的平均水平。車身重量1 630 kg，加速時間9.0秒(0～100km/h)。則百公里加速平均輸出功率為69.87 kW，平均加速度3 m/s2。

前后制動均采用通風盤式，通風盤參數：制動盤直徑315 mm，重量8.5 kg。前后輪胎均采用16英寸輪輞直徑即406.4 mm，輪胎橫斷面寬度225 mm，胎高123.75 mm，所以輪胎直徑653.9 mm，輪胎周長2 053 mm。

根據以上參數可計算與奧迪A4L 2011款1.8T相匹配的本產品設計參數為：

表2 與奧迪A4L 2011款1.8T相匹配的本設計參數表

表3 與奧迪A4L 2011款1.8T相匹配的盤形彈簧參數表

2.5.2 本設計針對奧迪A4L 2011款1.8T車型節能效果計算

將上一節已知參數代入公式（4）得其中慣性矩：

外磁固圈的內半徑為R＝0.13 m，內磁固圈的半徑為r=0.07 m，恒力彈簧的軸向長度為s=0.06 m，將所有參數代入公式（7）得內外磁固圈間的空間體積為：

V=π·（R2-r2）·s=3.14（0.14×0.14-0.04×0.04） ×0.06=3.39×10-3m3。

假設渦卷彈簧充滿整個空間，并且已知彈簧的橫截面的長b=0.06 m，厚度為h=0.002 m，代入公式（8）此時可求出彈簧的最大長度：

將以上參數代入公式（9）則可以得出儲能器儲存的最大能量為：

由以上計算可知，一個儲能式制動盤最大儲能量4 500 J，一輛車安裝四個儲能式剎車盤最大儲能量為18 000 J。本產品儲能器設計在車輪上，減少了中間傳動系的能量損耗，釋能效率可達90%，因此可對車體做功量為16 200 J。

由美國環境保護署公布的數據可知在城市路況中汽車工作效率（發動機工作效率乘以傳動系工作效率）僅為12%[3]如果遇到堵車現象，汽車將頻繁起步與剎車，此時的汽車工作效率更低僅為4%～6%，車速大概保持在平均每秒5米即每小時18公里的車速，以奧迪A4L 2011款1.8T車型為例，此時汽車具有的動能為40 750 J，則每次剎車均可將儲能器能量儲滿。儲滿后儲能器可對車體做功量為16 200 J，除以汽車此時的工作效率，取平均值5%，可知此時儲能器對車體做功量相當于此時發動機消耗熱值為324 000 J的燃油。已知每克汽油燃燒值為44 000 J，則相當于消耗燃油7.4 g，體積為10 ml。

通過對50輛車私家車兩個月的跟蹤數據統計顯示，百公里城市道路低速狀態下制動150次左右，如果安裝本產品，百公里油耗將降低1.5L。如果不采用本技術，以奧迪A4L 2011款1.8T車型為例，城市路況下百公里油耗約為11升。由此可知采用本技術可節油13.6%，保守估計產品預期節油10%。

3 結論

當今社會對于能源危機和空氣污染更為關注，許多城市對于汽車采取限購限行的政策，對于汽車工業的發展有著深遠的影響。本設計基于ESP系統（Electronic Stability Program車身電子穩定系統）的硬件及控制模塊，提出了一種新型汽車儲能裝置，通過不斷的努力，取得了以下技術創新。

（1）巧妙解決能量方向轉換問題

本產品創新性設計了彈力方向轉化裝置，完成輸入端與輸出端的自由切換，將汽車前進時儲存的能量，釋放時讓汽車繼續前進。從而解決了恒力彈簧儲能與釋能方向相反，汽車前進時儲存的能量在釋放時會讓汽車后退的問題。

（2）打破恒力彈簧儲能總量限制

恒力彈簧儲能總量較少，通過匹配發動機特性曲線，選擇發動機、傳動系效率最低的時候，作為能量釋放時間點，從而優化了汽車動力特性曲線。這樣就可以保證儲能系統釋放的能量是在發動機惡劣工況時雪中送炭，而不是在正常工作時錦上添花，使發動機始終保持在最佳的工作狀態，達到節能環保的目的。

（3）突破剎車系統安全要求困局

本產品作為汽車剎車輔助系統，保證剎車安全性尤為重要，因此我們設計了輪速傳感器控制系統、壓力傳感器過載保護系統、機械過載保護系統，三層措施作為與傳統剎車系統銜接的安全保障，保障行車安全性。

本產品的推出，使汽車的節能環保技術邁上了一個新的臺階。

［1］Richard van Basshuysen.現代發動機技術大全［M］.北京：國防工業出版社，2014.

［2］秦大同.彈簧設計［M］.北京：化學工業出版社，2013.

［3］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2009.