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突破续航瓶颈：数字样机技术引领新能源汽车复合制动新方向

article 2024/12/24 22:59:27

随着我国经济快速发展和人民生活水平不断提升，汽车保有量截至2023年9月底就已达到了3.3亿，同比增长6.32%。庞大的汽车保有量对我国的环境和能源都产生了巨大的压力，具备节能环保优势的新能源汽车对于有效解决环境恶化和能源危机问题具有重要意义。自2009年大力推动新能源汽车发展以来，中国已成为全球第一大新能源汽车销售市场。

▲2019-2023年我国新能源汽车销量及市场份额变化

根据上图可以看出，纯电动汽车尽快发展迅速，但其市场普及程度仍远不如燃油车，从技术角度来看，续航里程问题是阻碍其发展的主要原因。提升续航里程的方法有两种，一种是研究如何提升电池能量密度，另一种则是通过再生制动回收汽车制动时所消耗的能量。

▲典型城市工况下牵引制动消耗能量对比关系

根据相关研究，在城市循环工况中，再生制动技术可以将纯电动汽车的续航里程提升10%-20%。除此之外，再生制动还可以缓解机械摩擦制动热衰退的缺点，提升车辆的制动稳定性，可谓是纯电动汽车发展过程中不可缺少的一部分。

为了避免车速、电池SOC、温度等因素的影响，需要机械制动系统与再生制动系统协作来弥补车辆再生制动力的需求，合理完成不同制动需求和车辆连续状态变化下，再生制动力和机械摩擦制动力的分配。出于保证车辆乘坐舒适性与行驶稳定性的考虑，机电复合制动系统应运而生。

机电复合制动系统包含再生制动系统与机械摩擦制动系统，通常有两大控制策略：

并联控制策略：对传统车辆改动小，成本低，操作方便，但是直接叠加制动力的方式使得能量回收效率较低；
串联控制策略：将两种制动的控制完全解耦，行驶稳定性、能量回收效果更好，但成本较高。

在这一过程中，结构轻量化、维护成本低的电子机械制动器（EMB，Electro-Mechanical Braking）的作用变得尤为关键。EMB是一种电控纯机械制动系统, 不需要使用液压油，效率更高，且结构简单，响应也更为迅速，被认为使未来制动器的终极形态。EMB由4大部分组成：电源、制动踏板、制动执行机构和控制系统，其中制动执行机构包括电机、减速增矩装置、运动转换机构和制动钳体组成。目前常用的减速增距装置大多采用行星减速器，运动转换机构则多采用滚珠丝杠结构。

▲EMB工作原理及方案图

从上图可以看出，ECU接收制动踏板传感器信号并发送指令给到EMB，驱动电机驱动行星齿轮转动，减速增扭，再通过行星滚珠丝杠将旋转运动转化为螺母的平动，推动活塞运动，使卡钳衬块紧压在制动盘上，产生制动力矩。EMB的夹紧力控制效果直接影响车辆的制动性能，是机电复合制动系统的关键要素。

然而，EMB的研发和应用需要在设计阶段就确保其可靠性与系统集成的高度匹配。特别是在与再生制动、机械摩擦制动结合形成机电复合制动系统时，涉及多学科、多领域的复杂协作，传统的设计和测试方式难以满足高效开发和优化的需求。

可以采用数字样机技术解决这一难题。通过构建虚拟环境对EMB的核心部件和控制逻辑进行建模和仿真，可以在产品实物样机制造前实现功能验证和性能优化，显著降低研发成本和周期。此外，数字样机还能对EMB在各种复杂工况下的表现进行预测和改进，为新一代新能源汽车的制动系统开发提供重要支撑。

▲汽车系统数字样机模型

天目全数字实时仿真软件SkyEye，是一款基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对硬件进行行为级别的仿真，建立机电复合制动系统的数字样机模型。机电复合制动系统的研制过程中，工程师可不受物理硬件限制，随时访问目标系统，快速搭建虚拟硬件模型并提前进行开发、测试和验证工作，实现高效率、高质量的软件交付。