基于EMB的解耦式制动能量回收系统研究*

杨 坤 ，高 松，王 杰，李 静，刘瑞军，徐家川

(1. 山东理工大学交通与车辆工程学院，淄博 255049； 2. 吉林大学汽车工程学院，长春 130022)

2016168

基于EMB的解耦式制动能量回收系统研究*

杨 坤1，高 松1，王 杰1，李 静2，刘瑞军1，徐家川1

(1. 山东理工大学交通与车辆工程学院，淄博 255049； 2. 吉林大学汽车工程学院，长春 130022)

针对以气压制动实现解耦式制动能量回收存在的问题和电子机械制动的特点，提出了以机电制动(EMB)实现解耦式制动能量回收的方案；据此，并综合考虑制动法规、制动能量回收率和制动平顺性等约束条件，制定了相应的控制策略。搭建了联合仿真平台进行仿真，对系统的可行性和经济性进行了验证。结果表明：EMB可满足制动能量回收对机械制动力的调节需求，制动力分配符合驾驶员要求；基于EMB的解耦式制动能量回收系统，与无制动能量回收方案相比，每百公里可节省的能耗大于36.48kW·h，节能率高于34.69%；与传统耦合制动能量回收方案相比，每百公里可节省的能耗大于17.73kW·h，节能率高于19.86%，效果显著。

解耦式制动能量回收系统；电子机械制动；联合仿真平台

前言

随着环境污染和能源安全问题的日益严重，新能源汽车越来越受到人们的重视[1-3]。制动能量回收是新能源汽车区别于传统汽车的主要特点之一，也是新能源汽车节能的主要手段之一。它可把原本消耗在摩擦制动中的能量通过电机回收并加以利用，而这部分能量可占驱动整车所需能量的30%以上[4-8]。目前，市场上的制动能量回收系统分为耦合式和解耦式两种，其中，耦合式未对传统制动系统进行改动，仅通过在摩擦制动力的基础上叠加一定的电机制动力以实现制动能量回收，因此实现容易，也得到了广泛应用，但其能量回收效果有限。解耦式制动能量回收系统能量回收效果好，但需要重新设计制动系统，以在满足驾驶员制动需求的前提下实现对电机制动力矩和摩擦制动力矩的独立控制[9-11]。

本文中基于解耦式制动能量回收系统的工作原理及其对制动系统的硬件需求，针对新能源客车对制动能量回收系统的需求和气压制动不宜实现制动压力主动调节的问题，对基于电子机械制动 (electro-mechanical brake,EMB)的新能源客车解耦式制动能量回收系统开展研究，为新能源客车的解耦式制动能量回收提供解决方案。

1 解耦式制动能量回收系统的工作原理与新能源客车需求分析

解耦式制动能量回收系统工作原理如图1所示。图中A线表示驾驶员松开加速踏板，B线表示驾驶员踩下制动踏板，C线表示车速，D线表示车辆制动减速度，E线表示由电机提供的制动力矩，F线表示与制动踏板行程相对应的制动力矩需求，即驾驶员制动需求，E线与F线之间的区域表示由传统制动系统提供的机械制动力矩。在制动开始阶段，电机所能提供的最大制动力矩不能完全满足驾驶员需求，此时电机输出最大制动力矩，不足部分由机械制动力矩提供，二者共同满足驾驶员的制动需求，属于互补关系；当电机可输出的制动力矩大于驾驶员需求时，制动力矩全部由电机提供，机械制动力矩为0；当车速较低时，电机的效率较低，此时电机制动力矩逐步减小，而机械制动力矩逐步增大，但二者之和一直等于驾驶员需求制动力矩，直到停车。总之，在整个解耦式制动能量回收过程中，施加到车轮上的实际制动力矩必须完全等于驾驶员需求力矩，制动能量回收系统可通过控制前后轴制动力的分配和驱动轴电机制动力与机械制动力的分配尽可能多的实现制动能量回收。

解耦式制动能量回收本质是在总制动力满足驾驶员需求的前提下，实现机械制动力和电机制动力的合理分配，而系统硬件是实现制动力分配的基础。解耦式制动能量回收系统的硬件方案如图2所示，主要包括2部分：一是踏板感觉模拟器，用于在制动能量回收过程中为驾驶员提供与传统制动系统相同的踏板感觉，同时储存因电机参与制动而产生的来自制动主缸的多余制动液；二是机械制动压力调节单元，用来实现对机械制动力的主动调节，即增压、保压和减压。

图2 解耦式制动能量回收系统的硬件需求

目前，基于液压制动系统的制动压力调节单元研究较多，相对比较成熟，BOSCH、大陆等公司基于已有的ESP系统，开发了集成制动能量回收功能的液压式解耦制动能量回收系统[12-13]。而目前市场上尚无气压解耦式制动能量回收系统，主要原因如下：(1)气路密封性差导致高压储能和主动增压功能实现困难；(2)管路较长且压力较低导致压力主动调节滞后大；(3)压力调节精度低[14]。因此对于新能源客车而言，目前大部分采用耦合式制动能量回收方案，但由于客车多为后轮驱动，因此如果叠加电机制动力过大，将会使制动时后轮先抱死，带来严重的制动安全问题，而如果叠加电机制动力过小，则会导致制动能量回收效果不理想。同时考虑到客车整车质量较大，可回收的制动能量巨大，因此研究适用于新能源客车的解耦式制动能量回收系统可大幅提高整车经济性，意义显著。

2 基于EMB的新能源客车解耦式制动能量回收方案

电子机械制动作为新兴的制动系统，具有压力调节速度快、精确的特点，但由于所需能量较高，导致其在传统车上的应用受到限制[15]。而新能源车的高压电源，可充分满足EMB对电源的要求。另外，EMB可满足解耦式制动能量回收系统对制动踏板感觉和车轮制动力精确独立调节的需求。因此，基于EMB的解耦式制动能量回收系统可为新能源客车解耦式制动能量回收系统提供可行的解决方案。

2.1 电子机械制动系统的工作原理

EMB系统主要由EMB控制器和EMB执行器组成，如图3所示。EMB控制器的输入是电子制动踏板或其他电控单元输出的目标制动压力，经过相应的控制算法后，通过调节EMB执行器的输入电压，实现对制动压力的调节。EMB执行器作为系统的核心部件，由EMB电动机、减速增矩装置、运动转换装置和制动钳组成。其工作原理是：电动机的输出经减速装置减速增矩，再由运动转换装置将旋转运动转换为直线运动，驱动制动钳实现对制动盘夹紧力大小的控制[15]。

图3 EMB系统的工作原理

2.2 基于EMB的解耦式制动能量回收系统方案

EMB可很好地满足解耦式制动能量回收系统对机械制动系统的需求，主要表现在：(1)通过电子制动踏板很好地解决了踏板感觉与实际制动力之间的解耦问题，制动踏板感觉仅需与施加到整车上的总制动力保持一致，为实现电机制动力与机械制动力的合理分配提供了前提；(2) EMB可对机械制动力进行精确调节，准确跟踪目标制动力的变化[15]，方便实现与电机制动力的解耦控制。基于EMB的解耦式制动能量回收系统由电子制动踏板、4个轮速传感器、4个EMB执行器和整车控制器等组成，如图4所示。系统工作时，整车控制器接收电子制动踏板的位移信号、轮速传感器信号和EMB的制动力信号，根据相应的算法计算车轮转速、车速并判断驾驶员的制动意图和车轮运动状态，根据制动能量回收算法实现对前后轴制动力分配和后轴的摩擦制动力与电机制动力的分配，最终实现解耦式制动能量回收功能。

图4 基于EMB的解耦式制动能量回收系统结构图

3 基于EMB的解耦式制动能量回收控制策略

解耦式制动能量回收控制策略需要考虑前后轴制动力的分配和驱动轴摩擦制动力和电机制动力的分配2个方面的问题。二者直接影响整车的制动性能及制动能量回收效果。轴间制动力分配需要综合考虑如下约束条件：(1) ECE R13等制动法规对前后轴制动力分配的规定；(2) 轴间与轮间制动力切换对制动平顺性的影响；(3) 制动防抱死对制动能量回收功能的限制。参考上述3个因素并考虑EMB的工作特点，提出轴间制动力分配策略，如图5所示。

图5 基于EMB的解耦式制动能量回 收系统前后轴制动力分配图

对于后轴驱动汽车，在满足法规要求的前提下，按照I曲线分配前后轴制动力时，后轴制动力比例最大，即可能回收的制动能量最大[16-17]。本文中考虑到完全以I曲线作为实际制动力分配线，在实际调节过程中，存在超过I曲线而不符合法规的风险，因此设置实际制动力分配线略低于I曲线，差值设为标定量，具体值由制动力调节精度和常用工况制动力调节幅度决定。另外，当制动强度小于0.1m/s2时，制动法规未对轴间制动力分配进行限制，此时制动力可单独由驱动轴提供[18-19]，但由单轴制动切换到双轴制动时，会影响整车制动平顺性，严重时会导致耸车。因此，单/双轴制动切换门限α的取值需要兼顾制动能量回收率和制动平顺性，本文中设为标定量，该值越大制动能量回收率越高，但制动平顺性越差，一般通过整车试验确定。因此轴间制动力分配如下。

当Bα≤α时：

Ff=0

(1)

Fr=m·g·Bα

(2)

当Bα>α时：

(3)

(4)

式中：Bα为制动踏板行程；α为单/双轴制动的切换门限值，其值与制动减速度相对应，取值需要综合考虑制动法规、制动能量回收率和制动舒适性要求，即在满足制动法规的前提下，通过主观制动舒适性试验和制动能量回收效果确定；Ff为前轴需求制动力；Fr为后轴需求制动力；m为整车质量；g为重力加速度；hg为整车质心高度；L为整车轴距；b为整车质心到后轴的距离；ΔF为后轴制动力偏移标定量。

前后轴的需求制动力矩为

TBF_dem=Ff·r

(5)

TBR_dem=Fr·r

(6)

式中：TBF_dem为前轴需求制动力矩；TBR_dem为后轴需求制动力矩；r为车轮半径。

驱动轴上电机制动力和机械制动力的基本分配策略如图1所示，但需综合考虑如下约束条件：(1)动力总成的能力约束，例如电机所能提供最大制动力矩的限制；(2)能量存储系统的能力约束，例如电池对最大充电功率的限制；(3)制动能量回收率限制；(4)制动防抱死(ABS)功能的约束。

电机可提供的最大制动力矩为

(7)

式中：n为电机转速；n0为由电机效率决定的可进行制动能量回收的最低电机转速；nb为电机基速；Tm_mot为电机转速为n时，电机可提供的最大制动力矩；Tm_max为电机的峰值制动力矩；Pm_max为电机的峰值制动功率。

由电池决定的电机最大制动力矩限值为

(8)

式中:Tm_bat为电机转速为n时由电池最大充电功率决定的电机最大制动力矩；Pb_max为电池允许的最大充电功率；ηb为电池充电效率。

制动能量回收时，电机所能提供的最大制动力矩取Tm_mot和Tm_bat中的较小值，即

TB_max=min(Tm_mot，Tm_bat)

(9)

电机在车轮处产生的最大制动力矩为

TB_max1=TB_max·ig·i0·ηg·η0

(10)

式中:ig为变速器速比，无变速器时该值为1；i0为主减速器速比；ηg为变速器传动效率，无变速器时该值为1；η0为主减速器传动效率。

综合考虑上述因素，本文中采用的制动能量回收策略流程如图6所示。

图6 基于EMB的解耦式制动能量回收控制策略流程图

图中，PedalB_active为制动踏板作动标志位，当为1时，表示制动踏板被完全踩下；ABS_active为触发ABS工作标志位，当该值为1时，表示可能触发ABS，此时从制动安全角度出发要求退出制动能量回收功能，但如果电机制动力直接减小为0，会带来制动强度不足和制动舒适性较差的问题，因而在此过程中，总制动力需与制动力需求保持一致，同时考虑到气压制动力在固定步长内的调节幅度和精度低于电机制动力，因此需要在减小电机制动力的同时逐步增加气压制动力，并根据气压制动力的增加幅度确定电机制动力的减小幅度，最终在保持总制动力满足制动需求前提下，将电机制动力减小为0；v为车速,km/h；SOC为电池荷电状态；TBF为实际前轴制动力矩；TBR为实际后轴制动力矩；TBm为电机制动力矩；TBR_f为后轴摩擦制动力矩；i为比例系数，其值为

i=ig·i0·ηg·η0

(11)

4 联合仿真平台搭建

为验证基于EMB的解耦式制动能量回收系统的可行性及经济性，本文中基于Cruise与Matlab/Simulink搭建了联合仿真平台，原理如图7所示。结合两个软件的特点，整车模型、电机模型和电池模型等均由Cruise搭建，EMB模型与整车控制模型(包含制动能量回收控制模型)基于Matlab/Simulink搭建，二者通过Matlab编译为DLL文件，通过DLL接口嵌入Cruise中，实现联合仿真平台搭建。

图7 基于Matlab/Simulink和Cruise的联合仿真平台

其中EMB模型[15,20]为

(12)

(13)

(14)

Tm=kIa

(15)

(16)

θs=θm/ij

(17)

sl=θsL/(2π)

(18)

(19)

5 仿真结果分析

本文中以某直驱纯电动客车为例在联合仿真平台上进行了参数化，以验证基于EMB的解耦式制动能量回收系统的可行性和节能效果，整车参数如表1所示。

本文中在中国典型城市综合工况下针对空载、半载、60%载荷、80%载荷及满载等常用公交工况进行了仿真验证，并对无制动能量回收、基于传统气压制动系统的耦合式制动能量回收及基于EMB的解 耦式制动能量回收系统进行了对比分析。对于耦合式制动能量回收系统，通过试验发现，叠加的电机制动力大小以0.2～0.3倍车重为宜，另外，本文中选用整车总电耗为经济性指标对制动能量回收系统的效果进行评价，结果见表2和表3。由仿真结果可知：空载时，基于EMB的解耦式制动能量回收与无制动能量回收的方案相比，100km节能36.48kW·h，占无制动能量回收方案消耗能量的38.13%，而满载时，100km节能达46.81kW·h，占无制动能量回收方案所消耗能量的34.69%；空载时，基于EMB的解耦式制动能量回收与传统耦合式制动能量回收的方案相比，100km节能17.73kW·h，占传统耦合制动能量回收方案消耗能量的23.05%，而满载时，100km节能达21.84kW·h，占传统耦合制动能量回收方案所消耗能量的19.86%；可见基于EMB的解耦式制动能量回收系统节能效果显著。另外，由仿真结果可知，随着载荷的增大，节能量增大，但节能比例减小，这主要是因为随着载荷的增大，电机可回收的制动能量逐渐增大，但受电机和电池能力的限制，部分制动能量无法回收。

表1 整车参数

表2 仿真结果1

本文中以满载工况为例对基于EMB的解耦式制动能量回收系统方案的可行性进行深入分析。满载工况下车速曲线如图8所示，实际车速可准确跟踪工况车速，超调较小。这表明解耦式制动能量回收系统对制动力的控制与驾驶员需求一致。

表3 仿真结果2

图8 满载工况下的车速曲线图

满载工况下，电机的电流、电压、功率变化如图9所示，转矩、转速变化如图10所示。由图可知，在制动能量回收阶段，电机发电功率较大，部分阶段达到峰值功率，这说明在满足总成约束条件的前提下，系统最大限度地实现了制动能量回收。

图9 满载工况下电机的电流/电压/功率图

图10 满载工况下电机的转矩/转速图

满载工况下前后轴制动力分配如图11所示，实际制动力分配在目标制动力分配线附近，且在I曲线之下，满足法规要求。

图11 满载工况下前后轴制动力分配线

满载工况下左前轮与左后轮的EMB夹紧力如图12和图13所示，其中左后轮第8次制动的EMB夹紧力如图14所示。由图12和图13可知，由于电机参与制动，后轴EMB的工作时间比前轴短；由图14可知，实际夹紧力可很好地跟踪解耦式制动能量回收系统需求的目标夹紧力，EMB可满足解耦式制动能量回收系统对机械制动力调节的需求。

图12 满载工况下左前轮EMB夹紧力

图13 满载工况下左后轮EMB夹紧力

图14 满载工况下左后轮第8次制动EMB夹紧力

满载工况下，电池SOC在一次循环过程中的变化如图15所示。初始SOC均为70%，无制动能量回收功能时，终止SOC为64.52%，基于EMB的制动能量回收功能时，终止SOC为66.43%，二者之间的差值为1.91%；传统耦合式制动能量回收系统终止SOC为65.43%，与基于EMB的解耦式制动能量回收系统相差1个百分点，显示出制动能量回收的效果。

6 结论

本文中分析了解耦式制动能量回收系统工作原理和新能源客车对解耦式制动能量回收系统的需求及其中存在的问题，对基于EMB的新能源客车解耦式制动能量回收系统从软硬件角度进行了探索性研究，得出如下结论。

(1) 根据EMB具有压力调节速度快、精确和新能源客车具有高压电源的特点，提出了基于EMB的新能源客车解耦式制动能量回收方案。

(2) 针对提出的解耦式制动能量回收方案，并综合考虑制动法规、制动能量回收率、制动平顺性、关键动力总成能力和ABS限制等约束条件，提出了轴间制动力分配策略和驱动轴制动力分配策略。

(3) 基于Matlab/Simlink搭建了EMB系统模型和制动能量回收策略模型，并基于AVL Cruise软件搭建了电机、电池、整车等模型，将Matlab模型编译为dll文件后嵌入Cruise模型中，完成了联合仿真平台搭建。

(4) 以某直驱纯电动客车为例在联合仿真平台上进行了参数化，在中国典型城市综合工况下针对空载、半载、60%载荷、80%载荷及满载等公交常用工况进行了仿真分析，并对无制动能量回收、传统耦合式制动能量回收系统及基于EMB的解耦式制动能量回收系统进行了对比分析，结果表明：EMB可满足解耦式制动能量回收系统对机械制动力的调节需求，制动能量回收控制策略在实现轴间/轮间制动力分配的同时，可满足驾驶员制动需求；与无制动能量回收的情况相比，基于EMB的解耦式制动能量回收系统100km节省能量大于36.48kW·h，节能比率大于34.69%；与传统耦合式制动能量回收的情况相比，基于EMB的解耦式制动能量回收系统100km节省能量大于17.73kW·h，节能比率大于19.86%；节能效果显著，有较强的研究应用价值。

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A Study of Decoupled Brake Energy Recovery System Based on Electro-mechanical Brake

Yang Kun1, Gao Song1,Wang Jie1,Li Jing2,Liu Ruijun1&Xu Jiachuan1

1.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049；2.CollegeofAutomobileEngineering,JilinUniversity,Changchun130022

In view of the defects of the decoupled brake energy recovery with pneumatic brake and the characteristics of electro-mechanical brake (EMB), a scheme of decoupled brake energy recovery with EMB is proposed, based on which and with concurrent considerations of braking regulations, brake energy recovery rate and braking smoothness and other constraints, a corresponding control strategy is formulated. A co-simulation platform is then constructed and a simulation is conducted to verify the feasibility and economy of the system. The results show that EMB can meet the requirements of brake energy recovery for adjusting mechanical braking force and the distribution of braking forces is in accordance with driver’s desire. The EMB-based decoupled brake energy recovery system can save more than 36.48kW·h energy per 100 km with a energy saving rate over 34.69% compared with the system without brake energy recovery, and can save more than 17.73kW·h energy per 100 km with a energy saving rate over 19.86% compared with traditional coupled brake energy recovery system, demonstrating a significant energy saving effect.

decoupled brake energy recovery system；electro-mechanical brake；co-simulation platform

*国家863计划项目(2012AA110305)、国家自然科学基金(51275206)和山东省自然科学基金(ZR2015PE020)资助。

原稿收到日期为2015年7月15日，修改稿收到日期为2015年8月28日。