新能源汽车IBS系统关键技术研究

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摘 要：通过对新能源汽车IBS系统的结构设计，以三维造型软件NX UG为平台，建立虚拟样机模型，同时通过对IBS系统在CAE软件中进行有限元计算，在设计阶段完成对IBS系统的强度评估。按照汽车电子行业的ISO26262标准对IBS系统的电控部分进行研发，通过快速原型样件与控制策略验证电控单元对机械装置的控制能力。将IBS系统机械部分与电控单元集成在一起，进行制动性能台架试验和整车路试，满足制动法规与主机厂规范要求。最终形成IBS系统产业化应用，填补国内技术空白，提高我国汽车零部件行业的国际竞争力。

关键词：新能源汽车IBS系统；有限元分析；机械装置；电控单元；测试平台

中图分类号：TP311.52 文献标志码：A 文章编号：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

隨着环境污染与能源危机问题的日益严峻，新能源汽车如混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池车等逐渐成为各国的研发热点。新能源汽车是一种电力或混合动力驱动的、节能的、极少污染的新型汽车，是未来汽车发展的重要方向。目前制约新能源汽车发展的重要因素之一是车用电池储存容量偏小、充电时间过长等。而在城市工况下行驶的汽车大约有1/3到1/2用于直接驱动车辆运行的能量被消耗在制动过程中，若能对这部分耗散的能量加以回收利用，可大大提高整车能量经济性。

制动能量回收，又称回馈制动或再生制动，对于电驱动车辆而言，是指在减速或制动过程中，驱动电机工作于发电状态，将车辆的部分动能转化为电能储存于电池中，同时施加电机回馈转矩于驱动轴，对车辆进行制动。该技术的应用一方面增加了电驱动车辆一次充电的续驶里程，另一方面减少了传统制动器的磨损，同时还改善了整车动力学的控制性能。该技术的核心零部件之一是电控制动系统（简称IBS系统）。

本文所阐述的研发及产业化针对新能源汽车IBS系统，进行创新性研究，解决其中共性关键技术问题，研制具有自主知识产权的稳定可靠、绿色环保的新能源汽车IBS系统。

2 该技术研究的发展现状与必要性

2.1 发展现状

IBS系统是属于典型的科技含量高、资金密集型、利润高的机电一体化产品，其技术水平的高低是衡量一个国家汽车设计开发水平的重要标志，在很大程度上决定了整车的质量、盈利水平和新产品开发能力，决定国家制造业的国际竞争力。我国汽车零部件领域与国外巨头相比，存在起步晚、设计开发能力弱、竞争力弱、科技含量不高等问题。

虽然欧美发达国家五年之前已经对IBS系统进行大规模研发，而我国在该领域才刚刚开始起步，但是近年来国家对新能源汽车产业政策支持力度日益加大，国内汽车厂商也在大力发展新能源汽车，尤其以比亚迪、北汽、上汽、长安、吉利与奇瑞等为首的自主品牌厂家陆续推出新能源汽车，为国内汽车零部件厂家发展IBS系统提供了有利市场保证。目前国内的电控制动供应商非常少，基本被欧美日发达国家供应商所垄断，而国外供应商一般存在对此类系统进行技术封锁，并且售价高、客户响应速度慢、配合程度低等问题，IBS系统已经成为制约国内新能源汽车大规模应用的重要瓶颈。

2.2 必要性

IBS系统是国内外新能源汽车非常核心的技术之一，已经成为制约国内自主品牌新能源汽车发展的瓶颈，并且基本为欧美日发达国家零部件厂商所垄断。但随着国内自主品牌新能源汽车的迅猛发展，IBS系统需求将大大增长，并且随着产量的进一步增加与成本降低，有望在传统内燃机汽车上使用，以提升整车科技水平。

从目前市场看，常规的真空助力系统已经非常普及，并且价格很低，利润也不高，并且也满足不了新能源汽车对制动系统方面的要求，由于产业原因，国外发达国家对IBS系统的研发比国内要早五年，目前有欧美日发达国家能研发此类产品。但与国内企业相比，国外企业响应速度慢、成本高等劣势在新能源汽车发展中将凸显出来，远远满足不了国内汽车厂家对IBS系统的需求。为拓展国内新能源汽车零部件市场和提升汽车技术水平，满足国内整车厂家对IBS系统的最新需求，需要一种成本低廉、技术可靠的IBS系统，从而填补国内IBS系统市场空白，提升国内汽车零部件行业在国际市场上的竞争力。

3 关键技术分析

新能源汽车IBS研发及产业化应用，是实现技术研发成果向经济效益和社会效益转化的关键环节。通过集成各个关键技术的研究成果，结合IBS系统结构与三维造型设计，IBS系统结构机械部分虚拟仿真研究，IBS系统电控单元结构与硬件设计，IBS系统控制策略设计与控制算法优化，IBS系统直流无刷电机研发技术，IBS系统性能测试平台的设计开发技术，IBS系统整车性能验证分析等研发出具有集成创新高效新能源汽车IBS系统。打破新能源汽车助力系统的国内技术壁垒，有效加快国内新能源汽车行业技术的发展，填补国内IBS系统市场空白，提升国内汽车零部件行业在国际市场上的竞争力。具体关键技术如下：

3.1 IBS系统结构与三维造型设计

IBS系统在结构设计时需要考虑常规真空助力系统的助力特性、空间尺寸布置以及不同主机厂的需求差异等因素，综合国外竞争相关产品的特性，对其进行对標分析，吸取其结构上的优点，在三维软件UG中进行三维造型设计。

首先对IBS系统进行整体造型设计，以确定其边界尺寸，然后在对内部传动机构如齿轮传动、丝杠传动等进行设计，最后对局部进行结构设计。最后通过UG软件对各部件进行装配、干涉检查、运动仿真等分析，从而在设计阶段消除一些零件的结构存在的风险，提高IBS系统整体结构的性能。IBS系统的整体结构图如图1所示，IBS系统主要由直流无刷电机、减速齿轮、滚珠丝杠、控制器ECU、踏板位移传感器、制动主缸等结构组成。

3.2 IBS系统结构机械部分虚拟仿真研究技术

IBS系统机械部分包括铸铝外壳、顶杆、齿轮与丝杠等部件，在IBS系统工作过程中，这些部件都承受较大载荷，为确保其在使用过程中不出现疲劳断裂或失效，需要在设计阶段进行CAE虚拟仿真。

虚拟仿真步骤是：先对机械部件进行有限元前处理，比如网格划分等，然后在定义好其边界约束与加载条件，通过求解器进行计算，获取部件在薄弱位置处的应力应变等变量，从而最终通过材料的机械性能指标来评估部件结构设计是否合理。通过传动齿轮在CAE软件中的模型与部分计算结果可以评估IBS系统中的齿轮结构设计是否合理。同理，该虚拟仿真技术，对IBS系统其他机械部分进行虚拟仿真分析，从而最终得到最合理化的机械结构设计，确保IBS系统整体结构的性能最优化。

3.3 IBS系统电控单元结构与硬件设计技术

电控单元是IBS系统的灵魂，而电控单元硬件部分是承载灵魂的物理部分，其结构设计好坏直接影响到IBS系统在整车中的制动效果。结合IBS系统空间要求和性能要求，在Catia软件中对电控单元进行硬件设计，确保结构紧凑，符合电子与电气方面的技术要求，并在Flotherm软件中进行热仿真分析，以确定电控单元的结构方案的合理性。

IBS系统电控结构如图2所示，包括电控单元与直流无刷电机，其中电控单元由外壳、PCBA、电机驱动模块、基板与引脚等组成。IBS系统电控单元接受来自踏板位移传感器的信号，然后内部通过MCU等进行计算，通过查表输出制动助力值，电机功率模块根据助力值输出电流对直流无刷电机进行驱动，然后电机进行减速传动，驱动制动踏板往前推进，在整个过程中都是通过电控单元发出指令对IBS系统进行控制，驾驶员无需额外干预。

3.4 IBS系统控制策略设计与控制算法优化

IBS系统电控硬件设计后，需要对其进行控制策略与系统软件设计。传统的汽车电控系统开发模式存在开发时间长、程序修改复杂、灵活性补强的弊端，而V型设计模式理念是一种近年来兴起的控制系统开发新模式，是现代汽车电子控制系统的典型开发流程，具有开发周期短，灵活度高等特点。V型设计模式流程如图主要有需求分析、功能架构设计、功能设计、建模及自动代码生成、单元测试、集成测试和系统测试。通过对IBS系统控制器、被控对象的仿真测试，软件仿真和硬件在环仿真取得较明显效果的情况下再进入到IBS系统整车道路试验，缩短道路试验周期，降低开发风险与开发成本，实现生产过程中的IBS系统的快速开发。

将IBS系统物理模型简化成简单的力学模型，建立IBS系统的力学特性，在Simulink中建立IBS系统的抽象数学模型，将控制策略与算法集成到Simulink模型，并进行虚拟仿真，若各方面技术指标满足系统设计要求，则将Simulink模型自动生成代码，下载到IBS系统电控单元当中，然后进行硬件在环测试。

3.5 IBS系统直流无刷电机关键技术研发

IBS系统一个极大的优势是在紧急制动时响应非常快，所以要求电机必须响应速度快。此外也要求电动机功耗小、输出的力矩大。另外在制动过程中，电机将在“堵转”的恶劣环境下工作，因此对电机的可靠性要求高，而且必须结构小巧紧凑、便于安装、能在各种恶劣的环境下可靠工作。因此针对上述问题，需要研究开发一种适用于IBS系统的直流无刷电机，该电机使用高磁能积永磁材料的励磁，具有惯量小、功率高、动态性能好等优良特征，能够满足电控制动系统的要求。通过根据系统计算分析，该电机的输出最大转速在3500-5000rpm，输出扭矩在2.5-3.5Nm。

3.6 IBS系统性能测试平台设计开发

IBS系统性能指标是否满足系统要求，必须通过试验台架进行性能测试，由于此类系统近年来刚刚兴起，国内还没有现成的性能测试平台，即便在国外该类测试平台也较少，多被大型汽车商所垄断，为此有必要自主研发IBS系统性能测试平台，满足自身需求的同时，为国内同类研发企业提供相关检测服务，整体提高国内IBS系统研究开发水平。通过对常规制动系统性能测试平台的研究分析，再结合IBS系统自身性能特点，设计IBS系统性能测试平台。

该IBS系统性能测试平台集成ABS、刹车盘、液压卡钳、制动管等零件，可实现在不同工况下的力环、位移环、扭矩环控制。可进行无助力情况下性能、有助力情况下性能、行程限制、液压建立响应、压力滞后等性能测试，该测试平台的研发成功，将大大提高国内IBS系统的研发水平。

3.7 IBS系统整车性能验证分析

IBS系统研发成功之后，虽然研发过程中对各个部件、各方面的性能都有相关的检测，但是IBS系统的性能优势还是取决于其是否满足整车上性能要求，最终需要通过装车进行整车性能试验与路试。在与整车厂同步开发IBS系统过程中，公司将抓住一切可能的装车与路试机会，对IBS系统进行整车验证，整车评价项主要有常规制动、紧急制动、操纵稳定性评价、振动噪声评价，通过这些整车性能测试中出现的问题，进行根本原因查找，将IBS系统设计与开发风险降低到最低。

4 结束语

本项技术研究的新能源汽车IBS系统能够在不借助内燃机产生真空环境的情况下，通过电动机来提供制动助力，从而实现车辆制动。通过制动能量回收，为纯电动车增加高达20%的续航里程。同时它不仅可以缩短制动距离，而且当碰撞不可避免时，它还有助于降低撞击速度，从而降低对当事人的伤害，提高汽车驾驶安全性能。最终形成IBS系统产业化应用，填补国内技术空白，提高我国汽车零部件行业的国际竞争力。

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