电驱动乘用车制动能量回收技术发展现状与展望*

张俊智，吕 辰，李禹橦，苟晋芳，何承坤

(1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084; 2.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室电工研究所，北京 100080)

前言

随着环境污染与能源危机问题的日益严峻，包括混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车在内的环境友好型节能与新能源汽车成为了世界各国研发的热点。在城市工况下行驶的汽车大约有1/3到1/2用于直接驱动车辆运行的能量被消耗在制动过程中［1］。若能对这部分耗散的能量加以回收利用，可大大提高整车能量经济性。

制动能量回收，又称回馈制动或再生制动，对于电驱动车辆而言，是指在减速或制动过程中，驱动电机工作于发电状态，将车辆的部分动能转化为电能储存于电池中，同时施加电机回馈转矩于驱动轴，对车辆进行制动。该技术的应用一方面增加了电驱动车辆一次充电的续驶里程，另一方面减少了传统制动器的磨损，同时还改善了整车动力学的控制性能。因此，研究制动能量回收集成化技术具有重要意义。

对于传统内燃机汽车，制动力主要由摩擦制动系统产生，产生机制相对简单。而对于电驱动车辆，引入制动能量回馈后，须考虑将总的制动力需求在摩擦制动力和回馈制动力之间进行分配，以实现二者的协调控制。由于受到电池和电机特性的影响，来自电驱动系统的回馈制动力与摩擦制动力的产生机理不同，在相同的机械与动力学条件下二者特性也有很大差别，这些都是在制动能量回收系统的发展与应用过程中需要重点关注的问题。

1 制动能量回收系统的组成与分类

1.1 制动能量回收系统的组成

从整车层面分析，制动能量回收系统主要包括电制动系统和液压制动系统两个子系统，同时涉及整车控制器、变速器、差速器和车轮等相关部件，如图1所示。

电制动系统包含驱动电机及其控制器、动力电池和电池管理系统。电机控制器用于控制驱动电机工作于发电状态，施加回馈制动力;电池管理系统控制电能回收于电池;液压控制系统包括液压制动执行机构和制动控制器(BCU)，用于控制摩擦制动力的建立与调节。

1.2 制动能量回收系统的分类

世界各大汽车厂商及零部件企业纷纷针对不同电驱动车辆开发出了各种类型的制动能量回收系统。依据不同的方法与标准，可对制动能量回收系统进行如下分类。

1.2.1 按回馈制动与摩擦制动耦合关系划分

按回馈制动力与摩擦制动力的耦合关系，制动能量回收系统可分为叠加式(或并联式)和协调式(或串联式)两种，如图2所示。

叠加式制动能量回收系统是将电机回馈制动力直接叠加在原有摩擦制动力之上，不调节原有摩擦制动力，实施方便，但回馈效率低，制动感觉差［2］。

协调式制动能量回收系统则是优先使用回馈制动力，对液压制动力进行相应调节，使两种制动力之和与总制动需求协调一致，回馈效率较高，制动感觉较好，但须对传统液压制动系统进行改造，实施较为复杂［3］。

早期的电驱动车辆大多采用叠加式回馈制动。随着技术的发展，在回馈效率、制动感觉和制动安全等诸多方面具有巨大优势的协调式回馈制动逐渐成为了研发的主流。

1.2.2 按液压调节机构所依托的技术平台划分

对于叠加式回馈制动，液压制动力无须调节，传统液压制动系统即可实现。而对于协调式回馈制动，则应对液压系统进行重新设计或改造。按照其液压调节机构所依托的技术平台，协调式制动能量回收系统可分为以下3类。

(1)基于EHB技术的制动能量回收系统 此类方案采用传统车辆EHB电控液压制动系统作为协调式回馈制动的执行机构。

(2)基于ESP/ESC技术的制动能量回收系统此类方案基于ESP/ESC技术平台，利用标准化零部件，对制动管路布置进行相应改造。

(3)基于新型主缸/助力技术的制动能量回收系统 此类方案根据协调式回馈制动的技术要求对制动主缸和助力系统进行重新的设计与开发。

1.2.3 按液压调节机构的布置方式划分

按液压调节机构在制动系中的布置方式，协调式制动能量回收系统可分为以下3类。

(1)与主缸集成的方案 此类方案中，用于回馈控制的电磁阀等执行机构集成在制动主缸中。

(2)与液压单元集成的方案 此类方案将液压调节机构与传统车辆用于稳定性控制的液压单元进行了集成化的设计。

(3)分散式布置的方案 此类方案中，压力调节机构未进行一体化的设计，而是分散地布置在制动系统中。

1.2.4 按制动踏板与制动力机械耦合关系划分

按照制动踏板与制动力的机械耦合关系，制动能量回收系统可分为以下3类。

(1)踏板非解耦方案 此类方案制动踏板与管路压力机械连接，中间环节未设置用于回馈控制的液压调节机构。

(2)踏板准解耦方案 此类方案制动踏板与轮缸压力部分机械解耦或在部分工况下解耦。

(3)踏板解耦方案 此类方案制动踏板与管路压力完全解耦，属“线控制动”。

2 制动能量回收系统的关键技术

基于经济性、舒适性、安全性和可靠性的技术要求，制动能量回收系统的关键技术主要体现在零部件、系统控制和评价方法等方面。

2.1 关键零部件

液压控制系统是制动能量回收系统关键的执行机构，其任务是对制动压力进行控制，保证驾驶员良好的制动踏板感觉，确保整车制动安全性。执行机构的关键零部件主要包括:(1)踏板模拟机构;(2)液压供给单元;(3)压力调节机构。

2.2 系统控制

制动能量回收系统控制主要是指车辆在正常制动以及紧急制动工况下，回馈制动力与摩擦制动力的协调控制。

2.2.1 驾驶员制动意图与需求的解析

在车辆正常制动的回馈控制中，通过制动踏板信号获取驾驶员操作踏板的行程与速率，解析其制动意图与需求，进而对电制动系统和液压执行机构进行控制，完成整车制动操作。

2.2.2 制动力的分配

对于电驱动车辆制动力的分配，一方面考虑回馈制动力与摩擦制动力之间的分配比例，尽可能提高能量回收效率;另一方面，由于受到法规的限制，汽车后轴也应具有一定的制动强度，因此还须考虑前/后制动力的分配［4－5］。

2.2.3 与传统底盘动力学控制的协调

为避免电机回馈制动的介入对整车制动安全性和制动平顺性带来影响，须对回馈制动与传统底盘动力学控制系统ABS/ESP进行协调控制。

2.3 评价方法

2.3.1 对能量经济性的改善

目前，制动能量回收对能量经济性改善的评价指标主要有两种:制动能量回收效率和对续驶里程延长的贡献率［6］。

为了考量减速制动过程中，制动能量系统回收动能的能力大小，可采用制动能量回收效率ηreg作为评价指标:

式中:Ereg为制动过程中车轮处回收的能量;Erecoverable为制动过程中可回收能量。

为了考量整车在行驶过程中，制动能量回收对能量经济性的改善，可采用能量经济性的贡献率δ作为评价指标:

式中:Ereg_available为制动过程中回收，后又用于驱动车轮的能量;Edrive为车轮处在驱动过程中克服滚阻、风阻和加速阻力的总能量。

2.3.2 制动舒适性

制动能量回收过程中，回馈制动与摩擦制动的耦合与切换、液压力的调节可能会对制动平顺性和制动踏板感觉带来一定影响。故须从制动平顺性以及制动踏板感觉两方面对电驱动乘用车制动舒适性进行评价。

制动平顺性由制动过程车辆减速度变化的程度决定，可采用冲击度j进行评价［7］:

式中:a为汽车的纵向减速度;v为车速。

对于制动踏板感觉，较多的是由驾驶员进行主观评价。部分学者也提出了一些评价指标对制动踏板的平稳性进行量化评价［8］。

2.3.3 可靠性与耐久性

回馈制动在正常的行车过程中需要频繁工作，其系统的工作频次远高于仅在紧急制动工况起作用的ABS/ESP系统。因此，在可靠性与耐久性方面，须对制动能量回收系统的执行机构提出更高的要求。根据系统工作频次和强度，对电磁阀、蓄能器等关键零部件的结构进行针对性的设计与优化，以确保在整车寿命范围内系统的可靠性与耐久性。

2.3.4 制动安全性

制动安全性主要包括行车制动安全与制动能量回收系统失效保护两个方面。

对于行车制动安全，可通过回馈制动力与摩擦制动力的协调控制，以及回馈制动与ABS/ESP等的协调控制予以保障。对于制动能量回收系统失效，则存在电制动系统失效与液压制动系统失效两方面的安全隐患。对于前者，回馈制动应能被立即切断，迅速启动机械式后备制动系统;而对于液压制动系统的失效，一方面须在控制系统硬件中设计故障诊断电路;另一方面，须在液压系统执行机构设计中，考虑失效保护模式，保证在部分管路失效的情况下，液压制动系统仍能部分发挥作用，确保车辆具有一定的制动能力。

3 制动能量回收技术研发现状

3.1 制动能量回收液压控制系统研发进展

电动汽车制动能量回收由电制动系统和液压制动系统共同完成。电制动系统的执行机构继承于车辆的电驱动系统，已较为完备;而液压控制系统则区别于传统车辆的液压制动系统，须进行针对性的设计与开发。因此，液压控制系统成为了制动能量回收技术研发的核心。

基于协调式回馈制动系统提出的技术要求，各大汽车厂商及零部件企业纷纷推出了适用于不同类型电驱动乘用车的具有能量回收功能的液压控制系统。本文中按照其所依托的技术平台，对部分典型的产品进行分析与介绍。

3.1.1 基于EHB技术的液压控制系统

在传统车辆上得到应用的电控液压制动EHB是一种线控制动(brake-by-wire)系统［9－11］，由于其“踏板解耦”的特性恰好满足协调式回馈制动需求，因此被电驱动乘用车制动能量回收系统广泛采用。

丰田旗下爱德克斯公司基于此思路，开发了ECB电控制动系统［12］，成功应用于Prius混合动力车型。如图3所示，在最新一代的ECB系统中，电动液压泵和高压蓄能器组成的高压供给单元被设置在液压单元之外，形成独立单元;用于回馈控制的液压调节机构与ABS/VSC液压控制单元进行了集成设计［13］。

本田公司伺服液压制动系统［14］、博世公司HAS-hev制动能量回收系统［15］和天合公司SCB制动系统［16－17］等解决方案也是基于EHB思路研制开发，并应用于部分商业化的电驱动乘用车。

3.1.2 基于ESP/ESC技术的液压控制系统

如图4所示，TRW公司开发的ESC-R回馈制动系统在传统X型管路布置ESC液压控制单元的基础上，增加了相关电磁阀和踏板模拟器［18］。博世公司也在第9代H型管路布置ESP的基础上，利用标准化零部件研制了ESP-hev系统［19］。

3.1.3 基于新型主缸/助力技术的液压控制系统

日立公司开发的电机驱动智能制动系统(ED-iB)已成功应用于日产Leaf纯电动车型，如图5所示。该系统使用无刷电机经滚珠丝杠直接驱动主活塞在主缸中建立液压力。而踏板与管路压力未完全解耦。利用弹簧组的相对作用力，对踏板力进行补偿［20－22］。

现代公司和大陆公司也基于新型主缸/助力技术推出了相应的解决方案［23－24］。国外具有代表性的乘用车制动能量回收系统产品如表1所示。

由于在传统底盘动力学控制系统ESP/EHB电磁阀等关键零部件的设计与制造方面存在短板，国内在制动能量回收系统产品开发方面与国外尚有差距。国内各整车企业开发的电驱动乘用车车型大多不改变传统液压制动系统的结构形式，采用简单的叠加式制动能量回收控制方式。清华大学在制动能量回收系统的设计方面开展了深入的研究［25－28］，分别基于国外成熟的ESP技术以及国内成熟的ABS技术体系，开发了两种适用于电驱动轿车的协调式制动能量回收系统，并完成了实车道路试验与验证［6，29－30］。此外，吉林大学、上海交通大学等相关科研院所也在制动能量回收系统的设计与控制方面开展了相关工作［31－33］。

表1 代表性的制动能量回收液压控制系统产品

3.2 制动能量回收协调控制策略的研究进展

3.2.1 正常制动工况下的协调控制研究

在整车层面上，正常制动工况下回馈制动力与摩擦制动力协调控制策略的研究分为能量管理与动态耦合两个层面。

(1)能量管理层面

回馈制动控制在能量管理层面的研究主要聚焦于制动力分配策略。在保证制动稳定性的前提下，充分挖掘制动能量回收潜力，以提高整车的能量经济性。

文献［5］和文献［34］中针对制动稳定性和制动能量回馈效率这两个不同的优化目标，分别设计了两种制动能量回收前后轮制动力分配策略，如图6所示。

德国大陆、日本本田等整车企业在实际应用中采取较为简单的思路，对电机回馈制动力与总摩擦制动力进行调节，而始终保持前后轴液压制动力分配为一个固定比例［14，24］。

清华大学针对能量经济性、踏板感觉和制动舒适性等不同优化目标，设计了3种回馈制动控制策略［6］。通过仿真分析与实车试验，验证了最大回馈效率策略在踏板非解耦系统下应用的不可行性;而所开发的良好踏板感觉策略以及综合兼顾策略在保证制动稳定性与舒适性的前提下，可大幅提高整车能量经济性。

此外，韩国成均馆大学、吉林大学、上海交通大学等科研院所在此方面也开展了相关研究［35－39］。

(2)动态耦合层面

在正常制动过程中，电驱动车辆存在着回馈制动与摩擦制动的动态耦合，以及单一回馈制动、单一摩擦制动和复合制动3种制动状态间的切换，如何确保上述动态耦合和切换过程中整车的平稳性，成为电驱动乘用车制动控制方面一项新的研究内容。

英国萨瑞大学和意大利巴里理工大学的学者研究了由弹性特性引起的电驱动车辆半轴转矩动态特性［40］。结果表明，半轴的转矩动态特性会对整车的纵向冲击和操纵稳定性带来潜在影响。

德国ZF公司与戴姆勒克莱斯勒公司的研究人员对电驱动车辆的传动系统进行分析，指出轴系的弹性以及齿轮副的运动将会引起转矩震荡，导致系统的振动与机械应力［41］。

清华大学通过对电驱动车辆在行驶过程中冲击度产生的机理进行分析，对典型制动工况下制动状态切换过程车辆的冲击度进行了试验研究［6－7］。

综上所述，正常制动工况下回馈制动与摩擦制动协调控制的研究内容目前集中在能量管理层面，以提高整车能量经济性为目标;对制动力动态耦合方面的研究较为欠缺。

3.2.2 紧急制动工况下的协调控制研究

在紧急制动工况下，电驱动车辆回馈制动的介入可能会给传统成熟的ABS控制带来一定影响;另一方面，电机转矩响应迅速且准确可控，在紧急制动工况下由回馈制动独立工作或与摩擦制动协调工作，可改善动力学控制效果。因此，深入研究防抱死制动过程回馈制动与摩擦制动的协调控制方法具有重要意义。

目前在防抱死制动过程中回馈制动与摩擦制动协调控制的研究主要有以下3种思路。

(1)回馈制动撤出

这种思路是在ABS工作期间，回馈制动力以某种方式撤出，由摩擦制动独立完成ABS控制，避免回馈制动对原有ABS正常工作产生影响。

美国通用公司、德国大陆公司等在各自开发的多款混合动力和纯电动汽车的制动系统中采用ABS，一旦触发立刻撤出回馈制动的方案［42，24］。福特公司的方案是在防抱死制动的初期将回馈转矩保持一段时间，随后以一个固定的速率减小回馈转矩［43］。日本爱得克斯公司则进一步提出了在ABS过程中施加不使车轮抱死的最大回馈制动力的控制方式［44］，如图7 所示。

(2)回馈制动独立实现ABS

这种研究思路是由回馈制动独立实现ABS，发挥电机制动力响应快、准确可控的优点。

东京大学、伊斯坦布尔大学、台北科技大学等研究院所对这种思路开展了相关研究［45－47］。结果表明这种控制方式确实可以利用电机响应迅速的优点，改善控制效果，然而对于不同电驱动等级的车辆，这种控制方式并不完全适用。电机回馈转矩范围不能完全满足制动总需求，在大部分的制动过程中，总是需要摩擦制动系统起作用。因此该种控制方式目前只停留在仿真中，未见实车验证与应用。

(3)回馈制动与摩擦制动共同实现ABS控制

第3种研究思路是由回馈制动和摩擦制动共同实现ABS控制。

文献［48］中提出了一种称作Hybrid-ABS的回馈制动与液压制动混合防抱死控制方法，由回馈制动力负责制动需求中的高频部分，由液压制动力负责制动需求中的低频部分。综合采用PQ-method、基于滤波器的频带选择方法和模型跟随控制法，来控制两种制动力实现ABS功能。

清华大学基于这种思路，提出了两种控制策略。一种是在传统的ABS控制基础上，加入对回馈制动力的一体化控制策略［27］;另一种是以最佳滑移率为目标的优化补偿控制策略，通过最优控制方法确定车轮最优制动力矩，利用逻辑门限值法控制摩擦制动力，用电机力矩补偿最优制动力矩与摩擦制动力矩之间的差值［28］。

此外，俄亥俄州立大学、同济大学、上海交通大学等单位的学者也基于这种思路开展了相关研究，采用逻辑门限值控制、模糊控制等方式，探索了两种制动力共同实现ABS的新型控制模式［49－51］。

综上所述，对于紧急制动过程中回馈制动与摩擦制动的协调控制策略，整车及零部件企业的思路较为保守，保持传统成熟的ABS控制方法，最大限度地保证车辆的制动安全性与可靠性，回馈制动对控制效果改善潜力没有得到利用。而科研院所的思路则较为灵活，从现代控制理论的角度探索两种制动力的耦合方式，尽可能挖掘回馈制动对动力学控制效果改善的潜力，但控制方法尚未经实车试验验证，实际应用存在一定风险。

4 总结与展望

制动能量回收系统可应用于包括混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池电动汽车在内的电驱动乘用车，能够大幅提高整车能量经济性，同时也是整车制动安全性、制动舒适性的重要影响因素，因此成为了电驱动乘用车一项共性关键技术和一种具有核心竞争力的零部件产品。

国外整车与零部件厂商基于传统底盘动力学控制系统EHB、ESP以及新型主缸/助力技术等不同体系，纷纷推出了制动能量回收系统，并应用于商业化电驱动车型上。随着电驱动车辆技术的日趋成熟，国外的制动能量回收系统已从技术积累阶段逐渐进入推广应用阶段。而未来的制动能量回收技术的发展将在性能、成本、可靠性、安全性等各方面对系统提出更高的要求。

国内在制动能量回收技术的研发方面也取得了一些进展，但由于在关键零部件设计与制造方面存在的差距，国内各整车企业开发的电驱动车型目前大多采用较为简单的叠加式回馈制动系统。清华大学、吉林大学、上海交通大学等科研院所在协调式制动能量回收系统的设计与控制方面开展了较深入的研究，通过产学研合作，在协调式制动能量回收系统的研发方面取得了实质性进展。

作为电驱动车辆的共性关键零部件，制动能量回收系统在我国的推广应用与研发，建议采取循序渐进的方式。在电动汽车前期的推广应用阶段，立足于叠加式回馈制动系统，同时须结合国内的技术基础，进行协调式制动能量回收系统的产业化研发工作。围绕系统设计制造、协调控制方法、整车集成调试等关键点，集中进行性能、可靠性、耐久性和成本等4方面的综合优化。随着电动汽车产业化进程的逐步推进，开发出满足整车需求的产品，形成与国外同类水平相抗衡的能力。

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