電動汽車復合制動系統研究現狀綜述*

熊璐 錢超 余卓平

（同濟大學 新能源汽車工程中心）

電動汽車復合制動系統研究現狀綜述*

熊璐 錢超 余卓平

（同濟大學 新能源汽車工程中心）

從原理、結構、特點、控制策略和制動動力學控制等方面闡述了電動汽車復合制動系統的發展現狀，針對復合制動系統的3種結構型式（油門踏板型、未解耦型和解耦型）進行了對比分析，表明解耦型復合制動系統是未來復合制動系統的主要發展方向。重點分析了解耦型復合制動系統的控制策略，并且總結了正常制動和緊急制動2種工況下液壓制動力和再生制動力的動態協調控制方法，最后提出復合制動對于液壓制動系統的設計要求。

1 前言

電動汽車具有節能環保等優點，已成為汽車工業未來重要的發展方向。電動汽車與傳統汽車的區別在于驅動系統電氣化和制動系統中引入再生制動，比傳統汽車提高了60%的能量利用效率，且很大一部分能量來自于再生制動系統。再生制動與液壓制動共同組成電動汽車的復合制動，通過驅動電機制動進行制動能量回收，提供再生制動力，以達到增加續駛里程、節能環保等目的。

復合制動需要實現的目標包括滿足駕駛員對制動力（即制動強度）的需求、實現制動能量回收最大化、實現制動利用附著系統的最大化（制動效率最大化）、滿足駕駛員對制動舒適性的需求（縱向沖擊度最小化）[1]等。基于以上目標，復合制動要綜合考慮制動安全性和制動能量回收率，故在保證制動動力學性能的情況下應盡量實現回收制動能量的最大化，這是復合制動系統控制策略研究的基本出發點。

為能夠滿足制動強度、制動能量回收及制動效率等優化目標，復合制動系統在制動過程中需要在不同制動模式下進行切換。復合制動動態協調控制主要研究正常制動和緊急制動2種工況下如何協調再生制動和液壓制動來滿足駕駛員的制動需求。再生制動的引入對復合制動中液壓制動系統的設計有了新的要求，本文將從4個方面闡述復合制動系統的研究現狀，并提出需要解決的關鍵技術難題和未來發展趨勢。

2 復合制動系統原理和結構

以液壓制動力主動可調的復合制動系統為例，其工作原理如圖1所示。當駕駛員踩下制動踏板時，復合制動控制單元根據踏板位移傳感器采集的信號判斷駕駛員的制動意圖，即所需的總制動力大小。驅動電機首先介入制動提供再生制動力，由于驅動電機的特性使得再生制動力可能無法滿足總的制動力需求，因此復合制動控制單元同時仲裁再生制動和液壓制動的比例，此時液壓制動力開始介入，配合變化的再生制動力提供總的制動力。在制動的最后階段,由于電機在較低轉速工況時無法提供制動力矩,液壓制動力將完全承擔所有的制動力。

實現復合制動的方式有2種：一是在傳統液壓制動系統基礎上進行簡單改造，如修改再生制動介入的控制邏輯或在制動踏板處增加空行程；二是由EHB（電子液壓制動系統）完全代替傳統液壓制動系統。目前，第2種復合制動方式具有廣闊的市場前景和應用價值[2]。

復合制動系統有多種形式，從驅動電機制動介入信號源判斷，可分為油門踏板型和制動踏板型2種復合制動系統；根據主缸與制動踏板之間是否保留原有機械連接，制動踏板型復合制動系統又分為未解耦型和解耦型[8，9]2種。

2.1 油門踏板型復合制動系統

油門踏板型復合制動系統是通過駕駛員松開油門踏板作為驅動電機制動介入信號源，其結構如圖2所示。該系統的工作原理為：當駕駛員松開油門踏板后，驅動電機進行制動提供再生制動力，當駕駛員踩下制動踏板后，液壓制動系統介入，與驅動電機同時進行復合制動。這種形式的復合制動系統只是修改了再生制動介入的控制邏輯，其液壓制動系統結構保持不變，安全可靠性高，但踏板感覺差，能量回收率較低。如，在駕駛員原本期望汽車滑行的工況下松開油門踏板，再生制動力介入將導致車輛無法行駛到期望的位置，駕駛員需要重新踩下油門踏板輸出動力，因此消耗的能量可能大于回收的制動能量，故有時不太符合駕駛意圖。但如果駕駛員通過一定的學習與適應，這類復合制動系統還是能夠取得可觀的能量回收率[4]。

現有的部分電動汽車裝備了這種復合制動系統，如上汽榮威E50。雖然油門踏板型復合制動系統有一定的市場應用價值，但只是一個過渡型產品,不是未來電動汽車制動系統的主流。

2.2 制動踏板型復合制動系統

2.2.1 未解耦型

未解耦型復合制動系統結構如圖3所示。該系統的制動踏板與液壓制動系統保持了原有的機械連接，在保證安全的基礎上，在原有制動系統的某部件上增加一段空行程，空行程一般設置在制動踏板處[5]，如上海大眾超越系列混合動力汽車就在制動踏板上增加了1段約10 mm的空行程。也有在真空助力器等液壓制動部件上增加空行程的[6]。駕駛員踩下制動踏板，在空行程時液壓制動力不介入，只有再生制動力單獨進行制動并回收制動能量，克服這段空行程后，再生制動和液壓制動共同提供總的制動力。

未解耦型復合制動系統安全性與可靠性突出，能體現駕駛員的制動意圖，但是其可以回收的制動能量偏低，在克服空行程時車輛已經有了一定的制動力，所以與傳統的制動感覺有一定偏差。該系統采用制動踏板作為電機制動介入信號源，與油門踏板型復合制動系統相比，其更符合駕駛員傳統的駕駛習慣。驅動電動機在最大負載下進行制動時，其所產生的制動力矩會受到車速及電池容量等因素的影響，提供的再生制動力矩有較大的波動與變化，但是未解耦型復合制動系統不能主動調節液壓制動力矩，為了保持駕駛員制動感覺的一致性[13]，必然會犧牲掉電機的一部分制動力，無法充分發揮電機的性能，以致不能最大程度地回收制動能量，這也是該系統最大的不足之處[14]。

目前也有零部件廠商推出了未解耦型復合制動系統產品，如博世（BOSCH）公司2009年針對輕混合動力汽車推出了RBS（Regenerative Braking System）復合制動系統[15]（圖4），該系統就是在制動踏板上增加1段空行程，引入驅動電機再生制動力來實現制動能量回收，其余結構沿用傳統制動系統[15]；大陸（Continental）公司研發了采用模塊化設計的MK100制動系統，在2011年上半年實現了量產[16]。

2.2.2 解耦型

2.2.2.1 結構與原理

解耦型復合制動系統即制動踏板與液壓制動系統之間完全沒有機械連接，實現完全解耦，該系統裝載可實時調控液壓系統的主動動力源，為制動操作單元提供助力所需的能量。主動動力源有2種實現方式：一是高壓蓄能器配合電機與泵的方式；二是高性能電機與機械減速機構對液壓制動系統的制動輸入力進行主動控制，以配合實時波動的電機制動力實現復合制動。圖5為解耦型復合制動系統結構，其主動動力源集成在液壓控制單元中，采用了高壓蓄能器配合電機與泵的方式，并且依然采用駕駛員踩制動踏板作為驅動電機再生制動力介入的信號源，制動操作單元的作用是實現制動助力，提供主動動力源失效時的備份制動。這種形式的液壓制動系統在踏板處安裝了位移傳感器用以測量駕駛員的制動意圖，同時踏板模擬器用以模擬一個踏板反饋力，以保證駕駛員的傳統駕駛感覺[9]。

電動汽車復合制動系統需要一個單獨的控制器來對驅動電機和液壓制動系統進行協調控制，即復合制動控制單元（BCU）,其獨立于整車控制器（VMS），用于實現對復合制動踏板意圖的識別和制動力分配。

解耦型復合制動系統工作原理為：駕駛員踩下制動踏板，位移傳感器測得駕駛員對制動踏板踩下的位移，并計算出踩踏板的速率。將采集到的信號傳輸至BCU中，BCU識別駕駛員的制動意圖，即此次制動所需的制動力大小，并將信號傳遞給VMS；VMS從驅動電機控制器得到可輸出的再生制動力，根據總制動力需求與再生制動力之差，可知此次制動中液壓制動系統所需要提供的制動力，將此信號傳遞至BCU，然后驅動液壓系統中的主動動力源輸出推力，經傳動裝置推動制動主缸產生合適的液壓制動力，配合驅動電機再生制動力進行復合制動。

2.2.2.2 開發現狀

解耦型復合制動系統最核心的部分是電子液壓制動系統（EHB）。豐田（Toyota）公司于1997年推出了具有再生制動功能的混合動力轎車Prius，回收的能量能夠提高約10%的燃油經濟性，到2010年已經推出Prius第3代電控制動系統（ECB），其發展方向是集成化、智能化、輕量化、小型化和低成本化[19]。2011年博世（Bosch）公司專為以真空助力為基礎的混合動力汽車和電動汽車推出了ESP HEV再生制動系統，隨后又為不使用真空助力器的混合動力汽車和電動汽車推出了HAS HEV制動系統，其制動踏板與車輪制動實現完全解耦，采用高壓蓄能器和泵作為液壓制動力的主動動力源[20]。美國天合（TRW）公司在2006年面向混合動力汽車開發了SCB（Slip Control Boost）制動系統[22]，如圖6所示。SCB系統也是完全解耦的電子液壓制動系統，由制動操作單元和電液控制單元2個模塊單獨集成，通過液壓管路連接，主動動力源采用高壓蓄能器配合電機與泵的形式，并且與踏板模擬器一起集成在電液控制單元中[21]。

大陸公司開發出了MK C1電子液壓制動系統樣機，MK C1把原有多個分立系統整合成為執行機構與控制單元合二為一的精簡系統[23]。

以HAS hev系統為例來說明以高壓蓄能器和泵驅動主缸建壓的電子液壓制動系統原理，博世公司的HAS hev系統原理[20]如圖7所示。該系統分為制動操作單元（BOU）和液壓驅動控制模塊(ACMH)2個部分，制動操作單元主要包括主缸、踏板模擬器、失效模式單元；液壓驅動控制模塊（主動動力源）主要包括高壓蓄能器及油泵。ACMH在車內的布置位置非常靈活，只要通過液壓管路與BOU連接即可。該系統集成了液壓備份和機械備份2種失效保護模式，在電氣系統故障和液壓管路漏液的情況下仍能提供滿足法規要求的制動力。當正常制動模式失效時進入液壓備份模式，即制動踏板的活塞推動次級主缸中的制動液經過電磁閥2到達主缸前腔，推動主缸活塞產生制動力，此時當駕駛員繼續踩制動踏板，次級主缸中的制動液減少到踏板活塞與主缸推桿相接觸時進入機械失效模式，推動主缸活塞進一步產生制動力。

2011年，IPGATE AG公司推出了一體化制動系統IBS，其液壓驅動控制模塊采用超高速無刷電機驅動滾珠絲杠來推動主缸建壓，通過控制電機和4個電磁閥實現了ABS/ESP功能。IBS整體質量只有3.8 kg，與傳統制動系統（裝備ESP）相比，其體積減小了70%，長度減小70 mm，系統復雜程度較低，舒適性、ABS/ESP穩定性增強，輔助駕駛更順暢，降低了由安全故障引起的系統風險。在樣機試制開發階段，這套系統完成了各類路況下的車輛制動性能試驗和成本優化[14]。此后，該系統轉讓給了天合汽車集團（Automotive Holdings Corp，TRW），TRW以IBS系統為基礎推出了集成式制動系統（IBC）[15]，如圖8所示。IBC更加集成化和智能化，完全符合在狹小的前艙空間中布置的要求，預計于2016年投產。

2.2.2.3 發展趨勢

解耦型復合制動系統是目前最先進最智能化的復合制動系統，其響應速度快，可對液壓制動力實時調節和主動控制，相比于傳統車輛可以更快地達到最大制動力矩，并能夠最大化地實現制動能量回收。同時，其智能化程度非常高，能夠正確反映駕駛員的制動意圖，提供最合理的壓力變化特性，制動壓力等級與踏板行程始終保持一致，制動壓力通過輪缸壓力傳感器的反饋進行精確調節，消除了制動噪聲。由于制動踏板與液壓制動系統之間解耦，徹底解決了傳統制動系統ABS工作時由于制動管路壓力波動使制動踏板出現振動的問題。此外，這種制動系統還能集成電子駐車制動系統（EPB）的功能，減輕駕駛員的負擔[28]。但因主動動力源高壓蓄能器在汽車上的應用較少，其技術還不夠成熟，氮氣一旦泄露可能導致車輛完全失去制動力，將嚴重威脅行駛車輛的安全。所以，各大汽車廠商也在加大力度研發更安全、更先進的液壓驅動裝置來代替高壓蓄能器和泵，如使用高性能電機和機械減速機構來代替，其可在提高系統性能的同時進一步降低系統的復雜度。

2.3 3種復合制動系統對比

3種復合制動系統性能對比結果見表1。

表1 3種復合制動系統性能對比

由表1可知，與油門踏板型和未解偶型復合制動系統相比，解耦型復合制動系統優勢明顯，但也存在系統可靠性不夠、成本較高等問題。但隨著解耦型復合制動系統技術的成熟以及其在電動汽車上的普及應用，其可靠性和安全性將得到改善，成本也會進一步降低。因傳統制動系統要適應未來制動系統發展的改進空間已經很小[29]，解耦型復合制動系統將是未來制動系統的主要發展方向。

3 復合制動控制策略

復合制動系統按照液壓制動力是否可控分為串聯式和并聯式2種型式。油門踏板型和未解耦型復合制動系統屬于并聯式，其控制策略比較簡單，僅是再生制動力與液壓制動力的疊加[17]，并根據總的制動力需求對兩者進行簡單的分配，這種控制策略很難有效保證制動距離和制動效能，且可回收的制動能量也較少。

解耦型復合制動系統屬于串聯式，即制動踏板與液壓制動系統解耦，液壓制動力完全可控。根據液壓制動系統結構可分為解耦式恒定分配比控制策略（前、后軸液壓制動力按照恒定分配比分配）和解耦式自由分配控制策略（前、后軸液壓制動力獨立自由分配）。以四輪驅動電動汽車為例，分析2種控制策略的作用過程。

3.1 解耦式恒定分配比控制策略

解耦式恒定分配比控制策略如圖9所示。由圖9可看出，0A階段、AB階段屬低強度制動工況，在0A階段，前、后軸都由電機提供再生制動力并按照理想制動力分配曲線分配；在AB階段，前軸提供最大再生制動力，后軸補充不足的再生制動力。BC階段、CD階段屬中等強度制動工況，在BC階段，前、后軸再生制動力等于電機能提供的最大再生制動力，不足的制動力由液壓制動力提供并按β曲線分配；在CD階段，減小再生制動力，增加液壓制動力并按β曲線分配，使總的制動力沿r曲線分配（針對前輪沒抱死而后輪抱死情況）。D點以后階段屬于緊急制動工況，制動力全部由液壓制動提供。

3.2 解耦式自由分配控制策略

解耦式自由分配控制策略如圖10所示。由圖10可看出，低強度制動工況（0A階段和AB階段）與解耦式恒定分配比控制策略一致。BC階段和CD階段屬中等強度制動工況，在BC階段，前、后軸再生制動力等于電機所能提供的最大再生制動力，剩余的制動力由前軸的液壓制動力全部承擔；在CD階段，前、后軸液壓制動力同時參與，液壓制動力和再生制動力按照理想制動力曲線分配。D點以后階段屬緊急制動工況，制動力全部由液壓制動提供。

為保證車輛制動時具有良好的方向穩定性和足夠的制動強度，ECE R13制動法規對雙軸汽車前、后輪制動器制動力提出了明確要求，當附著系數φ在0.2～0.8時，要求制動強度Z≥0.1+0.85( )φ-0.2，以防止前輪抱死，提高附著效率。根據ECE R13制動法規可得出前輪驅動的汽車在前輪先抱死情況下，對前輪最大制動力和后輪最小制動力的限制邊界線[18]，即制動力分配曲線要求在ECE法規邊界曲線上方。

以具有固定比值的前、后軸液壓制動力分配特性的前軸驅動電動汽車為例，分析滿足ECE R13法規要求并以實現最大制動能量回收為目標的解耦型復合制動系統控制策略。圖11為滿足ECE R13法規要求的解耦式控制策略。由圖11可看出，在0A階段，制動減速度需求較小，再生制動力完全能滿足需求，此時僅前軸驅動電機的再生制動力參與制動；在AB階段，單獨的再生制動力難以滿足制動力需求，液壓制動力介入并且按照β曲線分配，再生制動力動態調節，使得實際總制動力分配曲線沿著ECE法規邊界線遞增；在BC階段，電機提供最大的再生制動力，前軸總制動力不足部分由前軸液壓制動力補充，后軸根據分配比提供相應的液壓制動力，以此滿足總的制動力需求；在CD階段，總的制動力沿f線進行分配，電機的再生制動力減少；在D點以后階段，為保證制動穩定性和安全性，電機制動完全退出，前、后軸的液壓制動力按固定比值提供總的制動力。

4 制動動力學控制

由于電機和液壓系統具有不同的動態特性，在制動工作模式切換過程中，二者制動力的合成或分解會產生較大波動，從而造成制動過程的平順性變差，并導致無法實現良好的駕駛員制動意圖跟蹤[19]。在制動過程中，液壓制動無法測量輪胎與地面之間的制動力，無法補償制動力誤差，正常制動情況下可由駕駛員操作來反饋控制，但緊急制動情況下制動誤差會造成事故的發生，而電機可以輕易測量輸出的制動力并進行反饋補償。同時，再生制動的引入也會對原有液壓制動ABS產生影響，使得緊急制動工況下的制動動力學控制發生改變[20]。復合制動系統制動動力學控制首先要滿足制動力需求，其次也要綜合考慮穩定性和舒適性等因素[21]。

4.1 正常制動工況下的動態協調控制

正常制動工況下的動態協調控制主要以跟蹤制動意圖、車輛穩定性和舒適性為目標。在制動工作模式切換過程中會產生制動力的波動，由于各種原因制動系統也存在誤差，因此提出了以跟蹤制動意圖（制動力需求、舒適性）為目標的動態協調方法，但這種研究目前還較少。文獻[22]以車輛穩定性為目標，采用遺傳算法來優化再生制動和液壓制動的分配。文獻[23]和文獻[24]中以舒適性為目標，根據最優控制理論進行速度模式生成，其評估函數J定義為：

式（1）中加速度a關于時間的導數（加加速度）與乘坐舒適性相關。文獻[23]中采用圖12所示的控制算法，利用加速度前饋以及速度反饋來生成速度模式，其追隨性和魯棒性較好，駕駛員的駕駛負荷隨之減輕,車輛加速度與加加速度波動減小，車輛行駛舒適性得以提高。

4.2 緊急制動工況下的動態協調控制

目前，復合制動系統在緊急制動工況下的動態協調控制即防抱死控制可分為以下幾類。

4.2.1 僅液壓制動力作用

當車輪在緊急制動工況下趨于抱死時，電機制動力完全退出，僅有液壓制動力進行調節以防止車輪抱死[25]。這種防抱控制方法與傳統液壓制動系統的防抱控制一致，雖然該方法較容易實現，在緊急制動時可提供足夠的制動力，但此時無法進行制動能量回收。這種控制策略在電機制動力完全退出時，可利用的液壓制動力太小，以致在切換時無法滿足ABS介入干預的條件，所以ABS起作用的時間存在滯后[26]。

4.2.2 僅再生制動力作用

當車輪在緊急制動工況下趨于抱死時，車輪的防抱死控制功能完全由電機來實現，液壓制動系統不參與制動[27，28]。如文獻[28]基于模糊控制器生成電機制動力，從而將滑移率控制在需求的小范圍內來防止車輪打滑，實現了ABS的功能。該控制方法可以大幅提高制動性能，即使在結冰路面上也能實現驅動輪制動最優控制。

電機具有響應迅速、易于控制等特點，僅電機參與緊急制動可輕易實現車輪防抱死功能，但是由于電機能提供的再生制動力有限，而緊急制動時制動力需求較大，所以單純靠電機制動難以滿足駕駛員的制動需求。

4.2.3 液壓制動力與再生制動力同時作用

當車輪在緊急制動工況下趨于抱死時，液壓制動力與再生制動力能夠動態分配、協同工作[29，30]。如文獻[30]采用了雙門限區域控制的方法，當車輪滑移率上升超過門限值時優先對液壓制動力進行調整，當驅動軸液壓制動力為零，而車輪滑移率繼續處于門限區域內時才對電機再生制動力進行調整。

液壓制動和再生制動同時參與的防抱控制方法需要電機不停地切換工作模式，同時液壓制動力也要完全可控，該方法既實現了防抱死，又能回收一部分制動能量，但對控制的精度要求較高，車輛穩定性不佳。

5 復合制動中液壓制動系統的變化

5.1 液壓制動系統結構和控制

制動踏板需要加裝位移傳感器，解耦型制動踏板還需安裝踏板感覺模擬器來給駕駛員一個反饋力。對于電動汽車，由于失去了原內燃機進氣歧管真空源，如果復合制動系統中包含有真空助力器，則需增加電動真空泵并進行真空助力控制。由于電機再生制動系統的存在，總的制動力需求分配由電機和液壓制動系統來完成，這需要對液壓制動力進行主動控制。

5.2 液壓制動容量

再生制動的引入使得液壓制動系統提供的制動力可以減小，使液壓制動容量需求下降。根據ECEEUDC、J1015和UDDS等循環工況可知，在城市道路上行駛時制動強度大部分在0.2以內，再生制動可以實現大部分的日常制動需求，所以制動盤/塊磨損減小，液壓制動容量的變化需要優化制動力分配系數。試驗表明，在保持制動距離不變的情況下，與傳統汽車相比，具有再生制動的汽車的制動容量可減少，從而可有效減小制動盤的直徑。

5.3 液壓制動熱容量

車輛制動時制動系統的熱容量是一定的，再生制動的引入使得液壓制動熱容量需求減小，從而在制動盤尺寸保持不變的情況下制動器溫升減小。圖13為在AMS（Auto Motor und Sport）制動測試工況下，分別測量引入再生制動車輛和未引入再生制動車輛在10次循環制動下后制動器溫度變化情況，試驗結果表明，相比于未引入再生制動車輛，引入再生制動車輛的后制動器溫升減小，從而降低在連續制動時由于制動器溫度持續升高產生的熱衰退，保證了制動效能的穩定性。

6 結束語

a. 油門踏板型和未解偶型只是過渡型的復合制動系統，而解耦型優勢明顯，性能更佳，是未來復合制動系統的發展方向。但耦合型復合制動系統對可靠性的設計要求更高，目前高壓蓄能器技術還不夠成熟，存在一定的安全隱患，汽車廠商也在大力開發全新液壓驅動動力源（如電機配合機械減速機構）代替高壓蓄能器和泵。

b. 針對不同的制動強度需求，對再生制動力和液壓制動力應采用不同的分配控制策略。

c.對于復合制動防抱控制，再生制動力和液壓制動力同時作用與兩者單獨作用相比，既能防止車輪抱死，又能通過制動能量回收提供更大的制動力，但其對電機不斷切換工作模式要求很高，目前的控制在精度和穩定性方面還存在不足。

d. 由于引入再生制動，復合制動系統可以減少液壓制動系統容量，從而有效減小制動系統尺寸，驅動電機制動能量回收使得液壓制動系統熱容量需求也得到減少。

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（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年10月19日。

Review on Composite Braking System of Electric Vehicle

Xiong Lu,Qian Chao,Yu Zhuoping
（Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University）

The development status of electric vehicle is discussed in term of theory,structure,characteristic, control strategy and braking dynamics control,etc..And three composite braking system structures,i.e.the throttle pedal type,coupled type and decoupled type are analyzed and compared,which shows that the decoupled composite braking system represents the mainstream development trend of the composite brake system in the future.Control strategy of the decoupled composite braking system is the focus of analysis in this paper,and dynamic coordination control method of hydraulic braking and regenerative braking force in normal and emergency braking are summed up.The design requirements of the hydraulic braking system in composite brake are put forward in the end of this paper.

Electric vehicle,Composite brake,Control strategy,Dynamic coordination control

電動汽車 復合制動 控制策略 動態協調控制

U469.72

A

1000-3703（2015）01-0001-08

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃，2011CB711200)和國家自然科學基金（51105278）資助項目。