纯电动汽车磁助力启动制动结构设计

奚 琳，裴九芳，时培成

安徽工程大学机械工程系，先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽芜湖，241000

现今，电动汽车以其环保优势超越了传统汽柴油汽车，然而电动汽车制动装置的效能与传统汽车液压制动装置相比较略显薄弱。如何提高纯电动汽车制动装置的效能，成为目前新能源汽车的研究问题之一［1］。本论文设计了一种磁助力启动制动结构，不仅助力于纯电动汽车的制动过程，而且亦可助力于汽车起步过程。

1 EPB制动钳结构设计

图1为磁助力电子驻车制动系统结构总成。图2为电子车轮制动钳工作原理：制动盘1由摩擦衬块2加以制动，而摩擦衬块2的移动是由一对步进电机3和4来驱动的，对置电机通过联轴器5带动丝杠6旋转，6的平移垫7作左右平动。一对平移垫通过开合动作，促使楔形块8沿制动钳轴向作平动，最终变成摩擦衬块2相对于制动盘1动作。平移垫副作相合动作时，楔形块挤压摩擦衬块，为制动过程；相反，平移垫副作分离动作时，楔形块松开摩擦衬块，为恢复过程。

图1 磁助力启动制动电子系统结构总成

执行其指令的作动机构是一双对置的无刷电机。同时，在转轴上配置有转角增量记录器，可准确记忆当前和累计的转角位置数据。由一个扭矩传感器向电控单元反馈制动力的强度现状，以达成对制动全程的闭环监控。对置的2个步进电机之间的“平移垫－丝杠”组合和“平移垫－楔形块”组合都经事先预紧而消除了空行程并被刚性支承，因而能把步进电机的转动精准地转换成沿丝杠的轴向移动，再借助于斜楔机制转化成摩擦衬块的制动行为（夹紧或松开）［2］。

图2 电子驻车制动钳工作原理

2 磁助力启动制动结构设计

2.1 磁助力启动制动装置工作原理

图3为磁助力再生制动装置工作原理图。结构由外圈定子和内圈转子2部分组成。内圈转子、制动盘和车轮三者同轴共速。内圈转子上安装了测速传感器，时时感测车轮速度的变化。转子上呈圆周阵列式布局6个永久磁体［3］。磁体材料选择钕铁硼稀土，并且选择永磁材料钕铁硼稀土中最大磁能积和较高剩余磁感应强度的型号［4］。磁极为N极、S极相间排列。外圈定子的内侧呈圆周阵列式布局6个磁芯，磁芯上缠绕着电磁线圈。电磁线圈通电后在磁芯上产生磁极，磁极亦是N极、S极相间排列。

图3 磁助力制动装置工作原理图

磁助力再生制动效果：利用磁性异性相吸、同性相斥的工作原理，设计再生制动装置。随着内圈转子的转动，外圈定子上的磁极也在不断变化。转子上每个磁极转动的前方总是呈现同性的定子磁极，而后方总是呈现异性的定子磁极。这样，转子在转动的过程中始终受到前方同性相斥的阻力和后方异性相吸的引力，这两种力共同起到磁助力制动效果。外圈定子上磁极的变换由电磁线圈的交变电流变换得到，而交变电流的频率变换由转子上测速传感器测得的实时变速控制的。

磁助力启动效果：也是利用磁性异性相吸、同性相斥的工作原理，设计再生制动装置。但工作方式与助力制动过程刚好相反。转子上每个磁极转动的前方总是呈现异性的定子磁极，而后方总是呈现同性的定子磁极。这样，转子在转动的过程中始终受到前方异性相吸的引力和后方同性相斥的阻力，这两种力共同起到磁助力启动效果［5］。

此结构对转子测速传感器的动态响应速度要求较高。

2.2 磁助力启动制动力矩计算方法

磁助力启动制动力矩是由旋转磁场的磁通和转子电流的有功分量相互作用而产生的。计算公式为：

其中，M－磁助力启动制动力矩；Cm－转矩常数；φ－旋转磁场的磁通；I2s－相电流有效值；cosφ2s－转子边功率因数。

将以上参数代入，得：

可以看出力矩M是关于滑差S的函数。当S∈［0，1］时，磁助力装置起到助力启动的作用；当S≥1时，磁助力装置起到助力制动的作用。

2.3 磁助力启动制动控制电路设计

图4为磁助力启动制动装置加减速控制电路图，其中运放AJ1是积分器。

图4 磁助力启动制动装置加减速控制电路

当电动汽车起步，即磁助力启动装置加速时，积分电容C初始电压为0，于t＝0时将开关Q调至加速端，故运放AJ1的输出电压是：

运放AJ2是加法电路，可以使VCO的范围端获得较高电压，VCO范围端电压越高，输出频率则越低。运放AJ2的输出电压是：

由此可见，V02随时间增加而减少。将V02作为VCO范围端的输入电压，当V02降低，则近似看成VCO的输出频率随时间增加而增加。当VCO输出频率达到电动汽车所需的运行频率范围时，令此时刻t＝t1，则将开关Q调至常态工作端。由于常态工作端接地，则此后运放AJ1的输出电压与时间无关，并保持不变，故

同理，运放AJ2的输出电压也保持不变，那么

此电压加载在VCO的范围端，使VCO的输出频率保持常态工作值。

当电动汽车制动，即磁助力制动装置减速时，在t＝t2时刻将开关调至减速端，运放AJ1的输出电压为：

运放AJ2的输出电压为：

即V02随时间增加，则VCO的输出频率随时间减少。当VCO频率降至一定程度时，则在停止控制端加高电平，VCO输出脉冲停止，从而实现磁助力制动装置的助力减速效果。加速的快慢能够通过Vi1和电阻R的调节来改变；减速的快慢能够通过Vi2的调节来实现。并且Vi1、Vi2是由转子测速传感器控制的［6］。

2.4 基于ECE法规制动力分配算法

ECE－R－13制动法规是由欧洲经济委员会（ECE）制定的，为了确保汽车在制动过程中的方向稳定性和制动效能，针对汽车前后轴制动力所提出的要求。

设计前后轴制动力分配策略，应将制动力尽量多地分配到驱动轴上。基于ECE法规，最大整车制动强度为：

其中，Fr－再生制动力，N；M－整车质量，kg；g－重力加速度，9.8kg／m2。

其中，P－当前制动功率，kw；v－当前车速，km／h；η－总传递效率。

依据全球居多城市工况，制动强度小于0.2。因此，在制动强度较小时应尽量将制动力分配在驱动轴上，以得到最大的能量回收。

3 结束语

本研究设计了磁助力启动制动装置，根据磁场力基本原理，推理出磁助力启动制动力矩的计算方法，设计了启动制动控制电路，依据ECE法规设计了制动力分配算法，为纯电动汽车改善行车启动制动效能提供了新的思路。

［1］张继红.纯电动汽车液制动系统再生制动控制策略研究［D］.吉林：吉林大学汽车工程学院，2011：5

［2］齐志鹏.汽车制动系统的结构原理与检修［M］.北京：人民邮电出版社，2002：15

［3］李贺.纯电动汽车的再生制动系统与ABS集成控制策略研究［D］.武汉：武汉理工大学能源与动力工程学院，2012：5

［4］田超贺.轮毂电机驱动电动汽车再生制动控制策略研究［D］.北京：北京交通大学交通运输学院，2012：7

［5］赵国柱.电动汽车再生制动若干关键问题研究［D］.南京：南京航空航天大学能源与动力学院，2012：3

［6］赵小波.永磁式涡流缓速器电磁特性与制动性能研究［D］.南京：南京农业大学交通与车辆工程系，2009：5