基于ESP系統(tǒng)的新型汽車儲能式剎車盤

刁建偉

（中山大學(xué)，廣東廣州 510275）

0 前言

當(dāng)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(yán)重制約了汽車工業(yè)的發(fā)展。

針對油電混合動力系統(tǒng)成本高、電池壽命短；高速轉(zhuǎn)子儲能系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜、難以推廣等問題，基于ESP系統(tǒng)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(fā)動機的速度特性曲線和液力變矩器特性曲線可知，汽油發(fā)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(tài)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(fā)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(fā)動機工作時間，減少此工況下的有害氣體排放，從而達到節(jié)能環(huán)保的目的。

因電池技術(shù)的瓶頸，限制了油電混合系統(tǒng)的發(fā)展，因此基于ESP系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)用作為儲能源應(yīng)用；

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

（3）現(xiàn)有汽車剎車系統(tǒng)技術(shù)成熟、穩(wěn)定，本設(shè)計作為汽車剎車輔助系統(tǒng)技術(shù)，既要完美融入傳統(tǒng)的剎車系統(tǒng)，又要保證剎車安全性，創(chuàng)新技術(shù)難度極大。

針對以上問題開展了研究。

2 設(shè)計結(jié)構(gòu)和工作原理

本設(shè)計基于ESP系統(tǒng)（Electronic Stability Pro?gram車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）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(tǒng)，提升減速效果，在能量釋放的過程中，配合發(fā)動機特性曲線與液力變矩器特性曲線，優(yōu)化了汽車動力特性曲線，從而達到了節(jié)能環(huán)保的目的。

圖1 混合動力之汽車儲能式剎車盤設(shè)計圖

2.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖2-圖5所示，本設(shè)計包括以下5個系統(tǒng)。

圖2 裝配結(jié)構(gòu)簡單示意圖

圖3 儲能式剎車盤結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 滾動系統(tǒng)

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(tǒng)

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(tǒng)

包括外磁固圈、恒力彈簧和內(nèi)磁固圈。

恒力彈簧是由彈性曲片構(gòu)成，由內(nèi)向外逆時針彎曲構(gòu)成，兩端分別固定在內(nèi)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(jié)構(gòu)圖

2.1.4 滑動系統(tǒng)

包括外磁固圈、恒力彈簧、內(nèi)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(fā)生滑動的槽溝，槽溝內(nèi)的齒紋與磁固圈

圖5 磁控閥環(huán)狀結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為電信號來控制磁控閥，磁控閥通過改變磁極來產(chǎn)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(nèi)外槽溝的尺寸與內(nèi)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(tǒng)

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(gòu)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(zhuǎn)動，而內(nèi)磁固圈9仍在固定殼的卡槽內(nèi)不動，從而使連接內(nèi)外磁固圈的恒力彈簧8被壓縮，將汽車的動能轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)不動，從而使連接內(nèi)外磁固圈的恒力彈簧8中的能量得以釋放，使彈性勢能轉(zhuǎn)化為汽車的動能。在勻速行駛時，內(nèi)外磁固圈受磁控閥控制均被固定在固定殼的卡槽內(nèi)不動，保持彈性勢能不損失。

圖6 磁控閥控制系統(tǒng)原理圖

2.2.2 配合機構(gòu)工作原理

為了使主機構(gòu)工作正常，必須設(shè)計配合機構(gòu)來輔助主機構(gòu)。配合機構(gòu)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(shè)計，自鎖裝置，以及ECU芯片對于特殊事件的應(yīng)急反應(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)時的必須要保證卡槽與卡齒的準(zhǔn)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(fā)生太多的轉(zhuǎn)動而使儲存的能量流失，如果過小，在劇烈的震動中會發(fā)生車輪卡死狀態(tài)，造成危險。經(jīng)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(zhuǎn)量很小，即可保證最小的能量損失。

圖7 防止磁固圈自轉(zhuǎn)原理圖（卡齒與卡槽形狀）

（2）卡齒與卡槽

現(xiàn)在以（圖7）所示為例講解卡齒與卡槽的工作原理。當(dāng)13a與13b相嚙合時，即外磁固圈7進入固定盤5的卡槽內(nèi)，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(dāng)減速階段結(jié)束時，外磁固圈受力向固定殼7的卡槽內(nèi)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(nèi)，因此外磁固圈會有少量順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。如圖7所示卡齒與卡槽的形狀設(shè)計是為了更好地完成卡齒與卡槽的嚙合與分離。齒槽的設(shè)計特征為前角為80°，后角45°，圓角處理。這樣的角度設(shè)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(shè)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(shè)計參數(shù)

2.3.1 彈簧設(shè)計參數(shù)

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(yīng)力為：

Wt— —抗彎截面系數(shù)

［б］——許用彎曲應(yīng)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(nèi)彎曲彈性應(yīng)變能為：

當(dāng)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(guān)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(nèi)半徑為R，內(nèi)磁固圈的半徑為r，恒力彈簧的軸向長度為s，則內(nèi)外磁固圈間的空間體積為：

假設(shè)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(zhuǎn)數(shù)為：

彈簧置于盒內(nèi)，未加扭矩狀態(tài)下的圈數(shù)：

彈簧卷緊在心軸上的圈數(shù)：

彈簧的有效工作轉(zhuǎn)數(shù)：

2.3.2 MATLABSimulink仿真模擬

經(jīng)過MATLAB Simulink仿真模擬后，得到了表1 MATLAB Simulink仿真模擬輸出數(shù)據(jù)表，可以看到扭矩隨彈簧厚度的升高而升高，工作圈數(shù)隨彈簧厚度的升高而降低，設(shè)計此產(chǎn)品既希望獲得較大的扭矩又希望有很高的工作圈數(shù)，所以只能在扭矩和工作圈數(shù)兩數(shù)據(jù)之間謀求平衡。因此通過表1看到當(dāng)彈簧厚度為2 mm時，為較合適的選擇，當(dāng)然不同的車型可根據(jù)不同的需要做適當(dāng)調(diào)整。

表1 MATLAB Simulink仿真模擬輸出數(shù)據(jù)表

2.4 ECU控制系統(tǒng)

2.4.1 控制參數(shù)

根據(jù)上述對控制系統(tǒng)的基本要求，擬選控制系統(tǒng)參數(shù)

如加速踏板位置、剎車踏板位置等作為控制參數(shù)，可以準(zhǔn)確地反映駕駛?cè)藛T的行為意圖。

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

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

2.4.2 控制過程

根據(jù)控制參數(shù)對系統(tǒng)動作的優(yōu)先級和相互制約關(guān)系設(shè)定控制系統(tǒng)信號處理邏輯框架（如圖8），以此作為控制系統(tǒng)程序編制的依據(jù)。

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(jù)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(zhǔn)備、根據(jù)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(biāo)，啟動蓄能制動和傳統(tǒng)制動器制動等全部制動措施的基礎(chǔ)參數(shù)作用。

因為儲能彈簧安裝的旋轉(zhuǎn)方向以及卡槽與卡齒的設(shè)計方向所限，所以在倒車時無法儲能，此時ECU芯片不會發(fā)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(dāng)汽車在長時間處于下坡狀態(tài)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(shù)計數(shù)器會將信息傳給芯片，芯片在此狀態(tài)下不再發(fā)出儲能指令，此時踏下剎車踏板將只會帶動傳統(tǒng)剎車機構(gòu)而不會再向儲能器發(fā)出發(fā)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(dāng)汽車在顛簸路面行駛時，車輪會發(fā)生劇烈震動，可能使磁固圈與固定殼的卡齒與卡槽分離，發(fā)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(shù)配比

2.5.1 奧迪A4L 2011款1.8T與本設(shè)計相關(guān)參數(shù)提煉

本產(chǎn)品的設(shè)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(guān)參數(shù)對本產(chǎn)品設(shè)計具有重要意義，下面將奧迪A4L 2011款1.8T這款車與本設(shè)計相關(guān)的參數(shù)進行提煉，以便于下文分析。

奧迪A4L 2011款1.8T的發(fā)動機可謂是中檔車中的佼佼者，在4 500～6 200 r/min的轉(zhuǎn)速下可輸出118 kW的最大功率，在1 500～4 200 r/min的轉(zhuǎn)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(fēng)盤式，通風(fēng)盤參數(shù)：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(jù)以上參數(shù)可計算與奧迪A4L 2011款1.8T相匹配的本產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)為：

表2 與奧迪A4L 2011款1.8T相匹配的本設(shè)計參數(shù)表

表3 與奧迪A4L 2011款1.8T相匹配的盤形彈簧參數(shù)表

2.5.2 本設(shè)計針對奧迪A4L 2011款1.8T車型節(jié)能效果計算

將上一節(jié)已知參數(shù)代入公式（4）得其中慣性矩：

外磁固圈的內(nèi)半徑為R＝0.13 m，內(nèi)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(shù)代入公式（7）得內(nèi)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(shè)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(shù)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(chǎn)品儲能器設(shè)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(huán)境保護署公布的數(shù)據(jù)可知在城市路況中汽車工作效率（發(fā)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(xiàn)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(dāng)于此時發(fā)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(dāng)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(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，百公里城市道路低速狀態(tài)下制動150次左右，如果安裝本產(chǎn)品，百公里油耗將降低1.5L。如果不采用本技術(shù)，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(shù)可節(jié)油13.6%，保守估計產(chǎn)品預(yù)期節(jié)油10%。

3 結(jié)論

當(dāng)今社會對于能源危機和空氣污染更為關(guān)注，許多城市對于汽車采取限購限行的政策，對于汽車工業(yè)的發(fā)展有著深遠的影響。本設(shè)計基于ESP系統(tǒng)（Electronic Stability Program車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）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(shù)創(chuàng)新。

（1）巧妙解決能量方向轉(zhuǎn)換問題

本產(chǎn)品創(chuàng)新性設(shè)計了彈力方向轉(zhuǎn)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?yán)^續(xù)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(fā)動機特性曲線，選擇發(fā)動機、傳動系效率最低的時候，作為能量釋放時間點，從而優(yōu)化了汽車動力特性曲線。這樣就可以保證儲能系統(tǒng)釋放的能量是在發(fā)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(fā)動機始終保持在最佳的工作狀態(tài)，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

（3）突破剎車系統(tǒng)安全要求困局

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

本產(chǎn)品的推出，使汽車的節(jié)能環(huán)保技術(shù)邁上了一個新的臺階。

［1］Richard van Basshuysen.現(xiàn)代發(fā)動機技術(shù)大全［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

［2］秦大同.彈簧設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［3］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.