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比亞迪 | 基于某新能源車的制動系統(tǒng)開發(fā)與驗證

2021-11-13 18:37:25·  來源：電動學堂  作者：李波等  
　
文章來源：深圳比亞迪汽車工程研究院引言隨著各國對乘用車能耗的越發(fā)重視及我國《節(jié)能與新能源、汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的出臺，新能源車型逐漸成為主流的發(fā)展趨勢，
文章來源：深圳比亞迪汽車工程研究院

引言
隨著各國對乘用車能耗的越發(fā)重視及我國《節(jié)能與新能源、汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的出臺，新能源車型逐漸成為主流的發(fā)展趨勢，另外行業(yè)對智能駕駛及軟件定義汽車的呼聲愈演愈烈，使新能源車型對整車能耗、續(xù)駛里程、智能化及制動性能提出了新的需求電液制動系統(tǒng)逐漸成為一種優(yōu)選的解決方案。
1電液制動系統(tǒng)
電液制動系統(tǒng)指通過電機助力，實現(xiàn)給制動系統(tǒng)增壓的制動系統(tǒng)，區(qū)別于一般通過真空助力器等方式給制動系統(tǒng)增壓的制動系統(tǒng)。
1.1行業(yè)內(nèi)電液制動系統(tǒng)方案
新能源汽車真空助力制動系統(tǒng)的助力源及電子液壓控制單元一般包括真空助力器、電子真空泵、ABS/ESP、真空管、真空壓力傳感器、主缸制動硬管、ABS/ESP支架及真空泵支架等。
相比真空助力制動系統(tǒng)的集成程度，一般可將電液制動系統(tǒng)方案分為ONEBOX方案和TWOBOX方案。
ONEBOX方案（圖1）集成了真空助力制動系統(tǒng)中的真空助力器、電子真空泵、ABS/ESP、真空管、真空壓力傳感器、主缸制動硬管、ABS/ESP支架及真空泵支架等零部件功能。目前的ONEBOX產(chǎn)品主要有博世的IPB、大陸的MKCl等。


TWOBOX方案（圖2）集成了真空助力制動系統(tǒng)中的真空助力器、電子真空泵、真空管、真空壓力傳感器及真空泵支架等零部件功能；相比ONEBOX方案，沒有集成ABS/ESP等功能。目前的TWOBOX產(chǎn)品主要有博世的Booster、拿森的NBooster等。


1.2某新能源汽車的電液制動方案
綜合考慮開發(fā)周期、成本及性能等因素，選定了博世IPB電液制動系統(tǒng)（圖3）。IPB電液制動系統(tǒng)具有“制動主缸→踏板感模擬器”“制動主缸→制動器”和“助力主缸→制動器”3個獨立液壓回路；正常制動過程中，“制動主缸→踏板感模擬器”和“助力主缸→制動器”的2個液壓回路導通且互相隔離，實現(xiàn)了制動踏板感的完全解耦。


通過匹配踏板感模擬器的的F-S特性出線，及完全解棉條件下制動系統(tǒng)P-V特性由線對踏板感影響的消除，實現(xiàn)了可調(diào)踏板感及平臺化踏板感的開發(fā)。某新能源汽車的制動踏板感如圖4所示，可以媲美市場上表現(xiàn)優(yōu)秀車型的踏板感。


2 “零”拖滯卡鉗開發(fā)
雖然新能源汽車開發(fā)了CRBS（再生制動）功能，但由于新能源車對續(xù)駛里程及能耗的嚴格要求，制動系統(tǒng)的拖滯力矩性能提升仍然十分重要。
2.1卡鉗拖滯原因及優(yōu)化方案
為保證制動系統(tǒng)的響應速度及制動踏板感，卡鉗的摩擦片與制動盤之間的間隙設計較小（圖5）；由于卡鉗活塞自身回位能力限制及摩擦片與卡鉗支架之間存在摩擦力的原因，車輛制動后摩擦片回位不及時或不徹底，導致摩擦片與制動盤之間可能存在輕微接觸，從而產(chǎn)生拖滯力矩。


綜合分析，得出3個主要影響摩擦片與制動盤問隙的因素（圖6）：①摩擦片與卡鉗支架之間的摩擦力；②導向銷與卡鉗支架之間的摩擦力；③活塞回位能力。


針對主要影響因素，分別制訂了優(yōu)化方案：①在摩擦片簧片上增加減摩涂層或涂抹石墨膏，降低摩擦片與卡鉗支架之間的摩擦力；②改善導向銷的潤滑脂性能及涂抹工藝，降低導向銷與卡鉗支架之間的摩擦力；③增大矩形密封圈處的倒角、優(yōu)化矩形密封圈材料性能或在摩擦片上增加主動回位置片，增大活塞或摩擦片自身回位能力。
某新能源汽車單個前卡鉗和后卡鉗的拖滯力矩優(yōu)化前后對比如圖7所示，可實現(xiàn)整車的卡鉗拖滯力矩大約由原來的10N•m降低至優(yōu)化后的4N•m目標。


2.2 降低卡鉗拖滯力矩的重要性
經(jīng)過優(yōu)化，卡鉗的整車拖滯力矩降低了約6N·m，某新能源汽車的車輪滾動半徑為340mm，則相當于降低車輪阻力：


按某新能源汽車的續(xù)駛里程約600km，充滿電所需電量約70kW•h進行計算，則經(jīng)過優(yōu)化卡鉗的拖滯力矩可使整車的百公里能耗降低約4%。
3 制動盤輕量化設計
制動盤的設計一般主要受制動器的有效制動半徑及制動盤自身的熱容量等影響，在制動器的參數(shù)確定之后，制動盤的設計主要和自身的熱容量相關，而熱容量通常和制動盤自身的質(zhì)量相關，換言之，制動盤的質(zhì)量越大，其熱容量性能相對越好。
制動過程中，整車的動能通常將轉(zhuǎn)化成熱能，并且絕大部分的熱量被制動盤吸收；然而，新能源汽車一般都開發(fā)了CRBS（再生制動）功能，可以將整車部分的功能轉(zhuǎn)化為電能進行回收，一定程度上降低了對制動盤熱容量的要求，因此可以適當降低制動盤的質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化的目的。
制動盤熱容量分析過程中經(jīng)常用到的分析工況，見表1。


本文熱容量分析過程中，使用的仿真軟件為ABAQUS,為了減小仿真過程中的代價及加快仿真過程，選擇的加載方式為熱流密度；通過圖8所示流程，計算出所需的機械制動功率，熱流密度可以通過機械制動功率除以制動盤的摩擦環(huán)面積得到。


如圖8所示，整車的機械制動功率受整車回饋功率的影響，而整車的回饋功率由電池充電功率及驅(qū)動電機功率決定（取兩者的較小值）。某新能源汽車在滿電工況時的充電功率約為18kW，通過與驅(qū)動電機功率對比，可得出某新能源汽車在極限工況時的回饋功率約為18kW，本文在對制動盤的熱容量分析過程中，以18kW作為整車回饋功率的上限值。
某新能源車的前制動器形式為通風盤式制動器，同時開發(fā)了CRBS（再生制動）功能，考慮新能源汽車對輕量化的迫切需求，基于仿真分析的結(jié)果，分別對制動盤的內(nèi)側(cè)摩擦環(huán)及外側(cè)摩擦環(huán)進行了單側(cè)減薄1mm的設計，可降重約7%。該新能源、汽車制動盤輕量化前后經(jīng)仿真分析的15次循環(huán)制動溫度對比如圖9所示二者的前3次制動過程中的溫度變化基本一致。為了進一步驗證輕量化制動盤設計的可靠性，搭載整車進行了路試驗證，在整個驗證過程中未發(fā)現(xiàn)制動熱抖動及明顯熱衰退等現(xiàn)象，說明基于CRBS（再生制動）功能的制動盤輕量化設計在一定程度上是可行的。


4 四級安全制動系統(tǒng)匹配
新能源車型為了能夠降低能耗及提高續(xù)駛里程，基于整車驅(qū)動電機的先天優(yōu)勢，基本都開發(fā)了CRBS（再生制動）功能，但一般只有制動系統(tǒng)正常工作（未失效）時CRBS功能才能觸發(fā)，并沒有充分利用整車驅(qū)動電機可以參與制動的先天優(yōu)勢，優(yōu)化制動系統(tǒng)處于失效狀態(tài)時的制動性能。
依據(jù)GB21670的描述，制動系統(tǒng)的失效模式主要分為單回路失效和助力失效兩大類，并且通過IPB電液制動系統(tǒng)的診斷策略可以很好地識別上述兩類失效，因此可基于不同的失效狀態(tài)匹配不同的再生制動功能，以達到優(yōu)化制動系統(tǒng)失效時整車制動性能的目的。結(jié)合不同模式的再生制動功能及制動系統(tǒng)的機械備份模式 可將制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為四個等級，如圖10所示。


一級指制動系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，匹配正常的CRBS功能；二級指制動系統(tǒng)單回路失效工作狀態(tài)，匹配單回路失效時的CRBS功能；三級指制動系統(tǒng)助力失效工作狀態(tài)，匹配助力失效時的CRBS功能；四級指制動系統(tǒng)的機械備份模式（注：GB21670要求制動系統(tǒng)處于單點失效狀態(tài)時的整車減速度＞2.44m/s2@500N）ο不同模式CRBS功能執(zhí)行邏輯示意圖如圖11所示。
某新能源汽車匹配四級安全制動系統(tǒng)后的整車制動性能如圖12所示。當制動系統(tǒng)處于單回路失效或助力失效的單點失效工況時，制動系統(tǒng)的踏板感已接近正常制動時的踏板感，有效地優(yōu)化了制動系統(tǒng)處于失效狀態(tài)時的制動性能。當制動系統(tǒng)處于助力失效狀態(tài)時，最大減速度＞6.43m/s2（注：該減速度為GB21670對制動系統(tǒng)正常制動時的減速度要求）；當制動系統(tǒng)處于單回路失效狀態(tài)時，由于另一回路存在助力，該回路對應的車輪容易觸發(fā)ABS功能，從而使該模式下的CRBS功能退出所以該工作狀態(tài)時整車的最大減速度約為6m/s2。


眾所周知，通過CRBS（再生制動）功能可提供的整車減速度大小與電池的充電功率及電機功率密切相關，尤其是會受到電池充電功率的限制·為了能夠更好地改善制動系統(tǒng)失效時的制動性能，當制動系統(tǒng)處于失效狀態(tài)且電池充電功率受限時，在一定次數(shù)制動范圍內(nèi)，將電池的充電功率限制進行了適當放寬（注：在不顯著影響電池壽命的前提下，按整車可以達到6.43m/s2的減速度作為匹配目標）。
5 結(jié)論
1）通過匹配IPB解調(diào)式電液制動系統(tǒng)，實現(xiàn)了制動踏板感的解調(diào)可調(diào)性及平臺化開發(fā)。
2）基于IPB電液制動系統(tǒng)的解調(diào)特性，開發(fā)了“零”拖滯卡鉗，可降低整車百公里能耗約4%。
3）基于新能源汽車CRBS（再生制動）功能的開發(fā)及新能源汽車對輕量化的需求，建立了新能源車型的制動盤熱容量分析模型，實現(xiàn)了制動盤輕量化設計。
4）在電液制動系統(tǒng)可對系統(tǒng)失效模式進行判斷的基礎上，開發(fā)了四級安全制動系統(tǒng)，優(yōu)化了制動系統(tǒng)處于單回路失效及助力失效模式下的踏板感及制動性能，極大地提高了制動系統(tǒng)失效模式時的操作舒適性及整車安全性。
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