新能源汽車IBS系統關鍵技術研究

蔣開洪+毛睿

摘 要：通過對新能源汽車IBS系統的結構設計，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系統在CAE軟件中進行有限元計算，在設計階段完成對IBS系統的強度評估。按照汽車電子行業的ISO26262標準對IBS系統的電控部分進行研發，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，滿足制動法規與主機廠規范要求。最終形成IBS系統產業化應用，填補國內技術空白，提高我國汽車零部件行業的國際競爭力。

關鍵詞：新能源汽車IBS系統；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熱點。新能源汽車是一種電力或混合動力驅動的、節能的、極少污染的新型汽車，是未來汽車發展的重要方向。目前制約新能源汽車發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濟性。

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

本文所闡述的研發及產業化針對新能源汽車IBS系統，進行創新性研究，解決其中共性關鍵技術問題，研制具有自主知識產權的穩定可靠、綠色環保的新能源汽車IBS系統。

2 該技術研究的發展現狀與必要性

2.1 發展現狀

IBS系統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品，其技術水平的高低是衡量一個國家汽車設計開發水平的重要標志，在很大程度上決定了整車的質量、盈利水平和新產品開發能力，決定國家制造業的國際競爭力。我國汽車零部件領域與國外巨頭相比，存在起步晚、設計開發能力弱、競爭力弱、科技含量不高等問題。

雖然歐美發達國家五年之前已經對IBS系統進行大規模研發，而我國在該領域才剛剛開始起步，但是近年來國家對新能源汽車產業政策支持力度日益加大，國內汽車廠商也在大力發展新能源汽車，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推出新能源汽車，為國內汽車零部件廠家發展IBS系統提供了有利市場保證。目前國內的電控制動供應商非常少，基本被歐美日發達國家供應商所壟斷，而國外供應商一般存在對此類系統進行技術封鎖，并且售價高、客戶響應速度慢、配合程度低等問題，IBS系統已經成為制約國內新能源汽車大規模應用的重要瓶頸。endprint

2.2 必要性

IBS系統是國內外新能源汽車非常核心的技術之一，已經成為制約國內自主品牌新能源汽車發展的瓶頸，并且基本為歐美日發達國家零部件廠商所壟斷。但隨著國內自主品牌新能源汽車的迅猛發展，IBS系統需求將大大增長，并且隨著產量的進一步增加與成本降低，有望在傳統內燃機汽車上使用，以提升整車科技水平。

從目前市場看，常規的真空助力系統已經非常普及，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方面的要求，由于產業原因，國外發達國家對IBS系統的研發比國內要早五年，目前有歐美日發達國家能研發此類產品。但與國內企業相比，國外企業響應速度慢、成本高等劣勢在新能源汽車發展中將凸顯出來，遠遠滿足不了國內汽車廠家對IBS系統的需求。為拓展國內新能源汽車零部件市場和提升汽車技術水平，滿足國內整車廠家對IBS系統的最新需求，需要一種成本低廉、技術可靠的IBS系統，從而填補國內IBS系統市場空白，提升國內汽車零部件行業在國際市場上的競爭力。

3 關鍵技術分析

新能源汽車IBS研發及產業化應用，是實現技術研發成果向經濟效益和社會效益轉化的關鍵環節。通過集成各個關鍵技術的研究成果，結合IBS系統結構與三維造型設計，IBS系統結構機械部分虛擬仿真研究，IBS系統電控單元結構與硬件設計，IBS系統控制策略設計與控制算法優化，IBS系統直流無刷電機研發技術，IBS系統性能測試平臺的設計開發技術，IBS系統整車性能驗證分析等研發出具有集成創新高效新能源汽車IBS系統。打破新能源汽車助力系統的國內技術壁壘，有效加快國內新能源汽車行業技術的發展，填補國內IBS系統市場空白，提升國內汽車零部件行業在國際市場上的競爭力。具體關鍵技術如下：

3.1 IBS系統結構與三維造型設計

IBS系統在結構設計時需要考慮常規真空助力系統的助力特性、空間尺寸布置以及不同主機廠的需求差異等因素，綜合國外競爭相關產品的特性，對其進行對標分析，吸取其結構上的優點，在三維軟件UG中進行三維造型設計。

首先對IBS系統進行整體造型設計，以確定其邊界尺寸，然后在對內部傳動機構如齒輪傳動、絲杠傳動等進行設計，最后對局部進行結構設計。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，從而在設計階段消除一些零件的結構存在的風險，提高IBS系統整體結構的性能。IBS系統的整體結構圖如圖1所示，IBS系統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、制動主缸等結構組成。

3.2 IBS系統結構機械部分虛擬仿真研究技術

IBS系統機械部分包括鑄鋁外殼、頂桿、齒輪與絲杠等部件，在IBS系統工作過程中，這些部件都承受較大載荷，為確保其在使用過程中不出現疲勞斷裂或失效，需要在設計階段進行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力應變等變量，從而最終通過材料的機械性能指標來評估部件結構設計是否合理。通過傳動齒輪在CAE軟件中的模型與部分計算結果可以評估IBS系統中的齒輪結構設計是否合理。同理，該虛擬仿真技術，對IBS系統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構設計，確保IBS系統整體結構的性能最優化。

3.3 IBS系統電控單元結構與硬件設計技術

電控單元是IBS系統的靈魂，而電控單元硬件部分是承載靈魂的物理部分，其結構設計好壞直接影響到IBS系統在整車中的制動效果。結合IBS系統空間要求和性能要求，在Catia軟件中對電控單元進行硬件設計，確保結構緊湊，符合電子與電氣方面的技術要求，并在Flotherm軟件中進行熱仿真分析，以確定電控單元的結構方案的合理性。

IBS系統電控結構如圖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、電機驅動模塊、基板與引腳等組成。IBS系統電控單元接受來自踏板位移傳感器的信號，然后內部通過MCU等進行計算，通過查表輸出制動助力值，電機功率模塊根據助力值輸出電流對直流無刷電機進行驅動，然后電機進行減速傳動，驅動制動踏板往前推進，在整個過程中都是通過電控單元發出指令對IBS系統進行控制，駕駛員無需額外干預。

3.4 IBS系統控制策略設計與控制算法優化

IBS系統電控硬件設計后，需要對其進行控制策略與系統軟件設計。傳統的汽車電控系統開發模式存在開發時間長、程序修改復雜、靈活性補強的弊端，而V型設計模式理念是一種近年來興起的控制系統開發新模式，是現代汽車電子控制系統的典型開發流程，具有開發周期短，靈活度高等特點。V型設計模式流程如圖主要有需求分析、功能架構設計、功能設計、建模及自動代碼生成、單元測試、集成測試和系統測試。通過對IBS系統控制器、被控對象的仿真測試，軟件仿真和硬件在環仿真取得較明顯效果的情況下再進入到IBS系統整車道路試驗，縮短道路試驗周期，降低開發風險與開發成本，實現生產過程中的IBS系統的快速開發。

將IBS系統物理模型簡化成簡單的力學模型，建立IBS系統的力學特性，在Simulink中建立IBS系統的抽象數學模型，將控制策略與算法集成到Simulink模型，并進行虛擬仿真，若各方面技術指標滿足系統設計要求，則將Simulink模型自動生成代碼，下載到IBS系統電控單元當中，然后進行硬件在環測試。

3.5 IBS系統直流無刷電機關鍵技術研發

IBS系統一個極大的優勢是在緊急制動時響應非常快，所以要求電機必須響應速度快。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”的惡劣環境下工作，因此對電機的可靠性要求高，而且必須結構小巧緊湊、便于安裝、能在各種惡劣的環境下可靠工作。因此針對上述問題，需要研究開發一種適用于IBS系統的直流無刷電機，該電機使用高磁能積永磁材料的勵磁，具有慣量小、功率高、動態性能好等優良特征，能夠滿足電控制動系統的要求。通過根據系統計算分析，該電機的輸出最大轉速在3500-5000rpm，輸出扭矩在2.5-3.5Nm。endprint

3.6 IBS系統性能測試平臺設計開發

IBS系統性能指標是否滿足系統要求，必須通過試驗臺架進行性能測試，由于此類系統近年來剛剛興起，國內還沒有現成的性能測試平臺，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IBS系統性能測試平臺，滿足自身需求的同時，為國內同類研發企業提供相關檢測服務，整體提高國內IBS系統研究開發水平。通過對常規制動系統性能測試平臺的研究分析，再結合IBS系統自身性能特點，設計IBS系統性能測試平臺。

該IBS系統性能測試平臺集成ABS、剎車盤、液壓卡鉗、制動管等零件，可實現在不同工況下的力環、位移環、扭矩環控制。可進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、壓力滯后等性能測試，該測試平臺的研發成功，將大大提高國內IBS系統的研發水平。

3.7 IBS系統整車性能驗證分析

IBS系統研發成功之后，雖然研發過程中對各個部件、各方面的性能都有相關的檢測，但是IBS系統的性能優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IBS系統過程中，公司將抓住一切可能的裝車與路試機會，對IBS系統進行整車驗證，整車評價項主要有常規制動、緊急制動、操縱穩定性評價、振動噪聲評價，通過這些整車性能測試中出現的問題，進行根本原因查找，將IBS系統設計與開發風險降低到最低。

4 結束語

本項技術研究的新能源汽車IBS系統能夠在不借助內燃機產生真空環境的情況下，通過電動機來提供制動助力，從而實現車輛制動。通過制動能量回收，為純電動車增加高達20%的續航里程。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系統產業化應用，填補國內技術空白，提高我國汽車零部件行業的國際競爭力。

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