电磁感应帮你减速 车辆电制动技术深入解析

车1687月25日报道我们平时所接触的车辆，从自行车、汽车直到火车，大都是依靠摩擦材料之间的机械摩擦力让它们从飞奔中停下来，只不过通过机械连杆、液压油或者压缩空气这些不同的驱动方式罢了，而今天所要介绍的这些车辆制动技术，它们却不需要有实际的摩擦，而是通过电磁的方式产生制动力，从而实现制动的效果。

涡流制动技术
首先需要明确的一个概念是涡流，也就是涡电流，是指电磁感应下，在导体内部形成的电流。涡流制动通常与传统制动搭配使用，在大多数商用车（大中型客车和卡车）上担任控制车速的作用，所以通常也称为电涡流缓速器。

常见电涡流缓速器实物

常见电涡流缓速器结构示意图
从上面的示意图可以看到，电涡流缓速器安装在汽车驱动桥与变速箱之间，靠电涡流的作用力来减速。当缓速器的定子线圈通入直流电的时候，在定子线圈会产生磁场，该磁场在相邻铁心、磁极板、气隙、转子之间形成一个回路，此时如果转子和定子之间有相对运动，这种运动就相当于导体在切割磁力线，由电磁感应原理可知，这时候在导体内部会产生感生电流，同时感生电流会产生另外一个感生磁场，该磁场和已经存在的磁场之间会有作用力，而作用力的方向永远是阻碍导体运动的方向。这就是缓速器制动力矩的来源。ECU通过采集车速、挡位和驾驶员的控制信息（驾驶位通常有对缓速器的控制装置），改变涡流强度，实现制动力矩的变化。

位于中控台上的缓速器开关（红圈内）
同时，由于转子这个导体很大，在转子上产生的感生电流是以涡电流的形式存在的，从能量守衡的角度上来说，当缓速器起制动作用的时候，是把汽车运动的动能转化为涡电流的电能进而以热量的形式被消耗掉。因此，电涡流缓速器在工作时会产生巨大的热量，进而，转子的散热能力和控制转子热变形的方向成为转子结构设计的关键，也是电涡流缓速器的核心技术之一，而保持转子风叶等散热表面的清洁也成为缓速器保养的重要项目。另外，缓速器的转子总成与定子总成之间有很小的间隙（通常为1-1.6mm），保证了缓速器在汽车运行的情况下，可以进行无摩擦自由转动和制动。


缓速器在车辆上的实际安装位置（箭头所指处），可以看出这个位置比较利于散热，但是也需要日常的清洁保养，以确保风叶表面的清洁和散热效果
相比传统制动装置，电涡流缓速器有着不少独到的的优越性：
1、能够承担汽车运行中绝大部分制动时的负荷，使车轮上传统制动器的温度大大降低，确保车轮制动器处于良好的技术状态，以使在紧急情况和长下坡等恶劣工况面前应对自如；
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2、采用电流直接驱动，没有中间环节，其操纵响应时间非常短，仅有数十毫秒量级，比液压制动系统的响应时间快得多；
3、由于电涡流缓速器的定子和转子之间没有接触，不存在磨损，因而故障率极低，平时除了做好例行检查，保持清洁以外，其他工作很少，所以维修费用极低,。同时由于电涡流缓速器能够承担车辆大部份制动力矩，因而能够延长轮制动器的使用寿命，降低用于车辆制动系统的维修费用，提高经济效益。据统计，安装了电涡流缓速器的车辆。其车轮制动器使用寿命至少可以延长4-7倍，从而节省了维修材料和人工费用以及轮胎消耗；
4、电涡流缓速器如果发生故障，在维修配件不能及时供应的情况下，可以关闭缓速器，车辆仍可以继续运行，基本不影响车辆的正常使用。


类似这样的山路上，电涡流缓速器可以合理控制车速，最大限度地防止刹车过热造成的制动失灵，预防恶性事故的发生
当然，缓速器本身是需要一定成本的，同时限于结构重量较大，并不太适合装备小型或者微型车辆，不过随着人们对它在安全性和经济性上优点的逐渐认识，它越来越多地出现在现在的商用车上面。

盘式涡流制动器结构示意图（图中黑色小方块即为激励电磁铁）
另外，还有一种颇有发展前景的盘式涡流制动器，它的结构形式很有点类似现在的机械盘式制动器，采用圆盘形感应盘和环状分布的电磁铁及安装机构，而基本原理和上面所介绍的缓速器相同。相比安装在传动轴位置的缓速器，盘式涡流制动器可以获得更佳的散热效果和更大的制动力矩，同时安装位置更为灵活，受空间限制更小，更适合高速或者重载车辆使用，在轻量化之后，有望在普通乘用车上得以装备。
再生制动技术
在涡流制动技术中，制动能量直接变成了热量，这未免有些浪费，所以对于广泛利用电力驱动的新能源车型来说，如果能有一种能回收制动能量的制动方式，就再好不过了，这就是下面要介绍到的再生制动技术。再生制动的基本原理是将车辆驱动电机的工作状态变成一台发电机，然后将车辆减速或者下坡的动能转变成其他能量，在储能装置（电池、大型电容或者飞轮）中储存起来，供车辆行驶之用的方式。

装备再生制动系统的电动车制动系结构示意图
由上图可以看出，当驾驶员踩下制动踏板后，电动泵使制动液增压产生所需的制动力，制动控制与电机控制协同工作，确定电动汽车上的再生制动力矩和前后轮上的液压制动力。再生制动时，再生制动系统控制回收制动能量，并且反充到蓄电池中。在高速或者长下坡行驶时，再生制动可以成为主要的制动方式，只有在电制动力不足以实现足够的制动效果或者低速将车辆完全停止的情况时，液压制动才开始发挥效力。当然，对于普通的电动车或者混合动力车型，其电池容量都是有限的，如果电池充满了，再生制动此时也不会发挥太大作用了。

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即便是这样大尺寸大容量的电池组，其电池容量也是有限的，因此再生制动并不能完全取代机械制动系统而独立存在
再生制动的技术难点有两个，一是如何在再生制动和机械摩擦制动之间分配所需的总制动力，以回收尽可能多的车辆动能； 二是如何在前后轮轴上分配总制动力，以实现稳定的制动状态。通常，再生制动只对驱动轴有效。为回收尽可能多的动能，必须控制电机产生特定量的制动力，同时，应控制机械制动系统满足由驾驶员给出的制动力需求。在制动力和能量回收间实现最佳的均衡，这才是再生制动系统设计成功的标志。


对于普遍装备CAN-BUS总线的现代车辆来说，再生制动控制模块和ABS系统ECU间可以实现通信和数据交换，再生制动和机械制动系统间实现均衡相对要容易一些。


如果是四轮都采用轮毂电机驱动的新能源车，四轮间的驱动力、制动力和能量回收的分配都较为均衡，能更好地处理制动力和制动能量回收两者间的关系
由于制动的稳定性不但关系到车辆的安全性，同时也与乘客乘坐的舒适度息息相关（负加速度是导致晕车的重要因素之一），因此应用再生制动系统的车辆需要进行更多的路试和软件模拟，以保证它的整套制动系统能够安全、平稳而不失舒适性地工作，这对车辆的设计和匹配能力可以说是一个有力的考量。


作为销量最大的混合动力车型，普锐斯的新MPV车型依然要进行严苛的路试，其中包括再生制动在内的混合动力和制动两部分系统显然是重点中的重点
再生制动的好处不言而喻，除开可以回收能量给电池等设备充电之外，它也不受制动系统热衰减的影响，更重要的是，它是基于驱动系统的，并不需要做太多专门的设计和改动，较为容易实现，只要解决了制动力均衡的问题，再生制动是一项非常适合新能源车型，同时颇为实用的技术。

从这张仪表盘图不难看出，制动时能量箭头指向电池，制动能量得到了回收
结语：
由于成本等多方面因素，汽车新能源技术还处于较好但是不叫座的阶段，在国内市场尤其如此，但正如当年内燃机取代蒸汽机的主导地位一样，随着不可再生能源的逐渐减少，新能源汽车势必成为未来的主导，而电制动技术也会随着新能源汽车的发展而大行四方。
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