電驅動乘用車制動能量回收技術發展現狀與展望*

張俊智，呂 辰，李禹橦，茍晉芳，何承坤

(1.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084; 2.中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室電工研究所，北京 100080)

前言

隨著環境污染與能源危機問題的日益嚴峻，包括混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車在內的環境友好型節能與新能源汽車成為了世界各國研發的熱點。在城市工況下行駛的汽車大約有1/3到1/2用于直接驅動車輛運行的能量被消耗在制動過程中［1］。若能對這部分耗散的能量加以回收利用，可大大提高整車能量經濟性。

制動能量回收，又稱回饋制動或再生制動，對于電驅動車輛而言，是指在減速或制動過程中，驅動電機工作于發電狀態，將車輛的部分動能轉化為電能儲存于電池中，同時施加電機回饋轉矩于驅動軸，對車輛進行制動。該技術的應用一方面增加了電驅動車輛一次充電的續駛里程，另一方面減少了傳統制動器的磨損，同時還改善了整車動力學的控制性能。因此，研究制動能量回收集成化技術具有重要意義。

對于傳統內燃機汽車，制動力主要由摩擦制動系統產生，產生機制相對簡單。而對于電驅動車輛，引入制動能量回饋后，須考慮將總的制動力需求在摩擦制動力和回饋制動力之間進行分配，以實現二者的協調控制。由于受到電池和電機特性的影響，來自電驅動系統的回饋制動力與摩擦制動力的產生機理不同，在相同的機械與動力學條件下二者特性也有很大差別，這些都是在制動能量回收系統的發展與應用過程中需要重點關注的問題。

1 制動能量回收系統的組成與分類

1.1 制動能量回收系統的組成

從整車層面分析，制動能量回收系統主要包括電制動系統和液壓制動系統兩個子系統，同時涉及整車控制器、變速器、差速器和車輪等相關部件，如圖1所示。

電制動系統包含驅動電機及其控制器、動力電池和電池管理系統。電機控制器用于控制驅動電機工作于發電狀態，施加回饋制動力;電池管理系統控制電能回收于電池;液壓控制系統包括液壓制動執行機構和制動控制器(BCU)，用于控制摩擦制動力的建立與調節。

1.2 制動能量回收系統的分類

世界各大汽車廠商及零部件企業紛紛針對不同電驅動車輛開發出了各種類型的制動能量回收系統。依據不同的方法與標準，可對制動能量回收系統進行如下分類。

1.2.1 按回饋制動與摩擦制動耦合關系劃分

按回饋制動力與摩擦制動力的耦合關系，制動能量回收系統可分為疊加式(或并聯式)和協調式(或串聯式)兩種，如圖2所示。

疊加式制動能量回收系統是將電機回饋制動力直接疊加在原有摩擦制動力之上，不調節原有摩擦制動力，實施方便，但回饋效率低，制動感覺差［2］。

協調式制動能量回收系統則是優先使用回饋制動力，對液壓制動力進行相應調節，使兩種制動力之和與總制動需求協調一致，回饋效率較高，制動感覺較好，但須對傳統液壓制動系統進行改造，實施較為復雜［3］。

早期的電驅動車輛大多采用疊加式回饋制動。隨著技術的發展，在回饋效率、制動感覺和制動安全等諸多方面具有巨大優勢的協調式回饋制動逐漸成為了研發的主流。

1.2.2 按液壓調節機構所依托的技術平臺劃分

對于疊加式回饋制動，液壓制動力無須調節，傳統液壓制動系統即可實現。而對于協調式回饋制動，則應對液壓系統進行重新設計或改造。按照其液壓調節機構所依托的技術平臺，協調式制動能量回收系統可分為以下3類。

(1)基于EHB技術的制動能量回收系統 此類方案采用傳統車輛EHB電控液壓制動系統作為協調式回饋制動的執行機構。

(2)基于ESP/ESC技術的制動能量回收系統此類方案基于ESP/ESC技術平臺，利用標準化零部件，對制動管路布置進行相應改造。

(3)基于新型主缸/助力技術的制動能量回收系統 此類方案根據協調式回饋制動的技術要求對制動主缸和助力系統進行重新的設計與開發。

1.2.3 按液壓調節機構的布置方式劃分

按液壓調節機構在制動系中的布置方式，協調式制動能量回收系統可分為以下3類。

(1)與主缸集成的方案 此類方案中，用于回饋控制的電磁閥等執行機構集成在制動主缸中。

(2)與液壓單元集成的方案 此類方案將液壓調節機構與傳統車輛用于穩定性控制的液壓單元進行了集成化的設計。

(3)分散式布置的方案 此類方案中，壓力調節機構未進行一體化的設計，而是分散地布置在制動系統中。

1.2.4 按制動踏板與制動力機械耦合關系劃分

按照制動踏板與制動力的機械耦合關系，制動能量回收系統可分為以下3類。

(1)踏板非解耦方案 此類方案制動踏板與管路壓力機械連接，中間環節未設置用于回饋控制的液壓調節機構。

(2)踏板準解耦方案 此類方案制動踏板與輪缸壓力部分機械解耦或在部分工況下解耦。

(3)踏板解耦方案 此類方案制動踏板與管路壓力完全解耦，屬“線控制動”。

2 制動能量回收系統的關鍵技術

基于經濟性、舒適性、安全性和可靠性的技術要求，制動能量回收系統的關鍵技術主要體現在零部件、系統控制和評價方法等方面。

2.1 關鍵零部件

液壓控制系統是制動能量回收系統關鍵的執行機構，其任務是對制動壓力進行控制，保證駕駛員良好的制動踏板感覺，確保整車制動安全性。執行機構的關鍵零部件主要包括:(1)踏板模擬機構;(2)液壓供給單元;(3)壓力調節機構。

2.2 系統控制

制動能量回收系統控制主要是指車輛在正常制動以及緊急制動工況下，回饋制動力與摩擦制動力的協調控制。

2.2.1 駕駛員制動意圖與需求的解析

在車輛正常制動的回饋控制中，通過制動踏板信號獲取駕駛員操作踏板的行程與速率，解析其制動意圖與需求，進而對電制動系統和液壓執行機構進行控制，完成整車制動操作。

2.2.2 制動力的分配

對于電驅動車輛制動力的分配，一方面考慮回饋制動力與摩擦制動力之間的分配比例，盡可能提高能量回收效率;另一方面，由于受到法規的限制，汽車后軸也應具有一定的制動強度，因此還須考慮前/后制動力的分配［4－5］。

2.2.3 與傳統底盤動力學控制的協調

為避免電機回饋制動的介入對整車制動安全性和制動平順性帶來影響，須對回饋制動與傳統底盤動力學控制系統ABS/ESP進行協調控制。

2.3 評價方法

2.3.1 對能量經濟性的改善

目前，制動能量回收對能量經濟性改善的評價指標主要有兩種:制動能量回收效率和對續駛里程延長的貢獻率［6］。

為了考量減速制動過程中，制動能量系統回收動能的能力大小，可采用制動能量回收效率ηreg作為評價指標:

式中:Ereg為制動過程中車輪處回收的能量;Erecoverable為制動過程中可回收能量。

為了考量整車在行駛過程中，制動能量回收對能量經濟性的改善，可采用能量經濟性的貢獻率δ作為評價指標:

式中:Ereg_available為制動過程中回收，后又用于驅動車輪的能量;Edrive為車輪處在驅動過程中克服滾阻、風阻和加速阻力的總能量。

2.3.2 制動舒適性

制動能量回收過程中，回饋制動與摩擦制動的耦合與切換、液壓力的調節可能會對制動平順性和制動踏板感覺帶來一定影響。故須從制動平順性以及制動踏板感覺兩方面對電驅動乘用車制動舒適性進行評價。

制動平順性由制動過程車輛減速度變化的程度決定，可采用沖擊度j進行評價［7］:

式中:a為汽車的縱向減速度;v為車速。

對于制動踏板感覺，較多的是由駕駛員進行主觀評價。部分學者也提出了一些評價指標對制動踏板的平穩性進行量化評價［8］。

2.3.3 可靠性與耐久性

回饋制動在正常的行車過程中需要頻繁工作，其系統的工作頻次遠高于僅在緊急制動工況起作用的ABS/ESP系統。因此，在可靠性與耐久性方面，須對制動能量回收系統的執行機構提出更高的要求。根據系統工作頻次和強度，對電磁閥、蓄能器等關鍵零部件的結構進行針對性的設計與優化，以確保在整車壽命范圍內系統的可靠性與耐久性。

2.3.4 制動安全性

制動安全性主要包括行車制動安全與制動能量回收系統失效保護兩個方面。

對于行車制動安全，可通過回饋制動力與摩擦制動力的協調控制，以及回饋制動與ABS/ESP等的協調控制予以保障。對于制動能量回收系統失效，則存在電制動系統失效與液壓制動系統失效兩方面的安全隱患。對于前者，回饋制動應能被立即切斷，迅速啟動機械式后備制動系統;而對于液壓制動系統的失效，一方面須在控制系統硬件中設計故障診斷電路;另一方面，須在液壓系統執行機構設計中，考慮失效保護模式，保證在部分管路失效的情況下，液壓制動系統仍能部分發揮作用，確保車輛具有一定的制動能力。

3 制動能量回收技術研發現狀

3.1 制動能量回收液壓控制系統研發進展

電動汽車制動能量回收由電制動系統和液壓制動系統共同完成。電制動系統的執行機構繼承于車輛的電驅動系統，已較為完備;而液壓控制系統則區別于傳統車輛的液壓制動系統，須進行針對性的設計與開發。因此，液壓控制系統成為了制動能量回收技術研發的核心。

基于協調式回饋制動系統提出的技術要求，各大汽車廠商及零部件企業紛紛推出了適用于不同類型電驅動乘用車的具有能量回收功能的液壓控制系統。本文中按照其所依托的技術平臺，對部分典型的產品進行分析與介紹。

3.1.1 基于EHB技術的液壓控制系統

在傳統車輛上得到應用的電控液壓制動EHB是一種線控制動(brake-by-wire)系統［9－11］，由于其“踏板解耦”的特性恰好滿足協調式回饋制動需求，因此被電驅動乘用車制動能量回收系統廣泛采用。

豐田旗下愛德克斯公司基于此思路，開發了ECB電控制動系統［12］，成功應用于Prius混合動力車型。如圖3所示，在最新一代的ECB系統中，電動液壓泵和高壓蓄能器組成的高壓供給單元被設置在液壓單元之外，形成獨立單元;用于回饋控制的液壓調節機構與ABS/VSC液壓控制單元進行了集成設計［13］。

本田公司伺服液壓制動系統［14］、博世公司HAS-hev制動能量回收系統［15］和天合公司SCB制動系統［16－17］等解決方案也是基于EHB思路研制開發，并應用于部分商業化的電驅動乘用車。

3.1.2 基于ESP/ESC技術的液壓控制系統

如圖4所示，TRW公司開發的ESC-R回饋制動系統在傳統X型管路布置ESC液壓控制單元的基礎上，增加了相關電磁閥和踏板模擬器［18］。博世公司也在第9代H型管路布置ESP的基礎上，利用標準化零部件研制了ESP-hev系統［19］。

3.1.3 基于新型主缸/助力技術的液壓控制系統

日立公司開發的電機驅動智能制動系統(ED-iB)已成功應用于日產Leaf純電動車型，如圖5所示。該系統使用無刷電機經滾珠絲杠直接驅動主活塞在主缸中建立液壓力。而踏板與管路壓力未完全解耦。利用彈簧組的相對作用力，對踏板力進行補償［20－22］。

現代公司和大陸公司也基于新型主缸/助力技術推出了相應的解決方案［23－24］。國外具有代表性的乘用車制動能量回收系統產品如表1所示。

由于在傳統底盤動力學控制系統ESP/EHB電磁閥等關鍵零部件的設計與制造方面存在短板，國內在制動能量回收系統產品開發方面與國外尚有差距。國內各整車企業開發的電驅動乘用車車型大多不改變傳統液壓制動系統的結構形式，采用簡單的疊加式制動能量回收控制方式。清華大學在制動能量回收系統的設計方面開展了深入的研究［25－28］，分別基于國外成熟的ESP技術以及國內成熟的ABS技術體系，開發了兩種適用于電驅動轎車的協調式制動能量回收系統，并完成了實車道路試驗與驗證［6，29－30］。此外，吉林大學、上海交通大學等相關科研院所也在制動能量回收系統的設計與控制方面開展了相關工作［31－33］。

表1 代表性的制動能量回收液壓控制系統產品

3.2 制動能量回收協調控制策略的研究進展

3.2.1 正常制動工況下的協調控制研究

在整車層面上，正常制動工況下回饋制動力與摩擦制動力協調控制策略的研究分為能量管理與動態耦合兩個層面。

(1)能量管理層面

回饋制動控制在能量管理層面的研究主要聚焦于制動力分配策略。在保證制動穩定性的前提下，充分挖掘制動能量回收潛力，以提高整車的能量經濟性。

文獻［5］和文獻［34］中針對制動穩定性和制動能量回饋效率這兩個不同的優化目標，分別設計了兩種制動能量回收前后輪制動力分配策略，如圖6所示。

德國大陸、日本本田等整車企業在實際應用中采取較為簡單的思路，對電機回饋制動力與總摩擦制動力進行調節，而始終保持前后軸液壓制動力分配為一個固定比例［14，24］。

清華大學針對能量經濟性、踏板感覺和制動舒適性等不同優化目標，設計了3種回饋制動控制策略［6］。通過仿真分析與實車試驗，驗證了最大回饋效率策略在踏板非解耦系統下應用的不可行性;而所開發的良好踏板感覺策略以及綜合兼顧策略在保證制動穩定性與舒適性的前提下，可大幅提高整車能量經濟性。

此外，韓國成均館大學、吉林大學、上海交通大學等科研院所在此方面也開展了相關研究［35－39］。

(2)動態耦合層面

在正常制動過程中，電驅動車輛存在著回饋制動與摩擦制動的動態耦合，以及單一回饋制動、單一摩擦制動和復合制動3種制動狀態間的切換，如何確保上述動態耦合和切換過程中整車的平穩性，成為電驅動乘用車制動控制方面一項新的研究內容。

英國薩瑞大學和意大利巴里理工大學的學者研究了由彈性特性引起的電驅動車輛半軸轉矩動態特性［40］。結果表明，半軸的轉矩動態特性會對整車的縱向沖擊和操縱穩定性帶來潛在影響。

德國ZF公司與戴姆勒克萊斯勒公司的研究人員對電驅動車輛的傳動系統進行分析，指出軸系的彈性以及齒輪副的運動將會引起轉矩震蕩，導致系統的振動與機械應力［41］。

清華大學通過對電驅動車輛在行駛過程中沖擊度產生的機理進行分析，對典型制動工況下制動狀態切換過程車輛的沖擊度進行了試驗研究［6－7］。

綜上所述，正常制動工況下回饋制動與摩擦制動協調控制的研究內容目前集中在能量管理層面，以提高整車能量經濟性為目標;對制動力動態耦合方面的研究較為欠缺。

3.2.2 緊急制動工況下的協調控制研究

在緊急制動工況下，電驅動車輛回饋制動的介入可能會給傳統成熟的ABS控制帶來一定影響;另一方面，電機轉矩響應迅速且準確可控，在緊急制動工況下由回饋制動獨立工作或與摩擦制動協調工作，可改善動力學控制效果。因此，深入研究防抱死制動過程回饋制動與摩擦制動的協調控制方法具有重要意義。

目前在防抱死制動過程中回饋制動與摩擦制動協調控制的研究主要有以下3種思路。

(1)回饋制動撤出

這種思路是在ABS工作期間，回饋制動力以某種方式撤出，由摩擦制動獨立完成ABS控制，避免回饋制動對原有ABS正常工作產生影響。

美國通用公司、德國大陸公司等在各自開發的多款混合動力和純電動汽車的制動系統中采用ABS，一旦觸發立刻撤出回饋制動的方案［42，24］。福特公司的方案是在防抱死制動的初期將回饋轉矩保持一段時間，隨后以一個固定的速率減小回饋轉矩［43］。日本愛得克斯公司則進一步提出了在ABS過程中施加不使車輪抱死的最大回饋制動力的控制方式［44］，如圖7 所示。

(2)回饋制動獨立實現ABS

這種研究思路是由回饋制動獨立實現ABS，發揮電機制動力響應快、準確可控的優點。

東京大學、伊斯坦布爾大學、臺北科技大學等研究院所對這種思路開展了相關研究［45－47］。結果表明這種控制方式確實可以利用電機響應迅速的優點，改善控制效果，然而對于不同電驅動等級的車輛，這種控制方式并不完全適用。電機回饋轉矩范圍不能完全滿足制動總需求，在大部分的制動過程中，總是需要摩擦制動系統起作用。因此該種控制方式目前只停留在仿真中，未見實車驗證與應用。

(3)回饋制動與摩擦制動共同實現ABS控制

第3種研究思路是由回饋制動和摩擦制動共同實現ABS控制。

文獻［48］中提出了一種稱作Hybrid-ABS的回饋制動與液壓制動混合防抱死控制方法，由回饋制動力負責制動需求中的高頻部分，由液壓制動力負責制動需求中的低頻部分。綜合采用PQ-method、基于濾波器的頻帶選擇方法和模型跟隨控制法，來控制兩種制動力實現ABS功能。

清華大學基于這種思路，提出了兩種控制策略。一種是在傳統的ABS控制基礎上，加入對回饋制動力的一體化控制策略［27］;另一種是以最佳滑移率為目標的優化補償控制策略，通過最優控制方法確定車輪最優制動力矩，利用邏輯門限值法控制摩擦制動力，用電機力矩補償最優制動力矩與摩擦制動力矩之間的差值［28］。

此外，俄亥俄州立大學、同濟大學、上海交通大學等單位的學者也基于這種思路開展了相關研究，采用邏輯門限值控制、模糊控制等方式，探索了兩種制動力共同實現ABS的新型控制模式［49－51］。

綜上所述，對于緊急制動過程中回饋制動與摩擦制動的協調控制策略，整車及零部件企業的思路較為保守，保持傳統成熟的ABS控制方法，最大限度地保證車輛的制動安全性與可靠性，回饋制動對控制效果改善潛力沒有得到利用。而科研院所的思路則較為靈活，從現代控制理論的角度探索兩種制動力的耦合方式，盡可能挖掘回饋制動對動力學控制效果改善的潛力，但控制方法尚未經實車試驗驗證，實際應用存在一定風險。

4 總結與展望

制動能量回收系統可應用于包括混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池電動汽車在內的電驅動乘用車，能夠大幅提高整車能量經濟性，同時也是整車制動安全性、制動舒適性的重要影響因素，因此成為了電驅動乘用車一項共性關鍵技術和一種具有核心競爭力的零部件產品。

國外整車與零部件廠商基于傳統底盤動力學控制系統EHB、ESP以及新型主缸/助力技術等不同體系，紛紛推出了制動能量回收系統，并應用于商業化電驅動車型上。隨著電驅動車輛技術的日趨成熟，國外的制動能量回收系統已從技術積累階段逐漸進入推廣應用階段。而未來的制動能量回收技術的發展將在性能、成本、可靠性、安全性等各方面對系統提出更高的要求。

國內在制動能量回收技術的研發方面也取得了一些進展，但由于在關鍵零部件設計與制造方面存在的差距，國內各整車企業開發的電驅動車型目前大多采用較為簡單的疊加式回饋制動系統。清華大學、吉林大學、上海交通大學等科研院所在協調式制動能量回收系統的設計與控制方面開展了較深入的研究，通過產學研合作，在協調式制動能量回收系統的研發方面取得了實質性進展。

作為電驅動車輛的共性關鍵零部件，制動能量回收系統在我國的推廣應用與研發，建議采取循序漸進的方式。在電動汽車前期的推廣應用階段，立足于疊加式回饋制動系統，同時須結合國內的技術基礎，進行協調式制動能量回收系統的產業化研發工作。圍繞系統設計制造、協調控制方法、整車集成調試等關鍵點，集中進行性能、可靠性、耐久性和成本等4方面的綜合優化。隨著電動汽車產業化進程的逐步推進，開發出滿足整車需求的產品，形成與國外同類水平相抗衡的能力。

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