新能源汽车再生制动技术浅析

黎同辉

（广汽本田，广东 广州 510799）

新能源汽车再生制动技术浅析

黎同辉

（广汽本田，广东 广州 510799）

全球汽车业每年消耗着大量的石油，如我国每年就有85%的石油量是消耗在汽车行业，并且因汽车产量需求不断增加，石油的需求量也无休止地增加。然而，随着石油这种不可再生能源的逐渐消耗,日渐短缺；以及因汽车尾气排放导致的全球气温上升、空气质量恶化等问题，新能源汽车的推广迫在眉睫。在新能源汽车上的诸多先进技术中，无论是对纯电动车还是混合动力车而言，再生制动都是必不可少的装备，相比传统的制动方式而言，其核心作用就是将车辆制动时所产生的热能储存起来再利用，从而更有效地达到节省能源和降低废气排量的目的。本文对再生制动系统的工作原理和节能方式进行分析，介绍相关重要部件及整体技术要点，并且展望再生制动技术的未来前景。总体论述再生制动是当前以及今后汽车发展的一项重要技术。

再生制动；能量回收；电动伺服制动

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.008

CLC NO.: U461.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-21-07

现今社会，汽车这个工业产品发展越来越快。汽车给人类社会带来的有利变更是人们有目共睹的，它缩短了地域间的距离，提高了生产的效率；人们享受驾驶的乐趣的同时，也享受着汽车为生活提速的便利。汽车这个工业产品从奢侈品逐步成为人们的生活必需品，各家庭的人们因拥有汽车而扩大了生活的半径，拉近彼此的距离。然而，汽车对能源的消耗和对环境的影响是制约汽车发展的两项重要决定因素。因此，各国都致力于新能源汽车的研究发展，如纯电动汽车、燃料电池汽车、气体（天然气、液化石油气）燃料汽车、生物燃料（醇类、醚类）汽车、氢能源汽车及太阳能汽车等。然而，由于新能源汽车技术目前尚存在一些短时间内难以解决的问题，并且各国政府和行业或多或少存在一些制约因素，纯电动等新能源汽车现阶段还是难以推广，相比而言，混合动力汽车因技术更成熟，更有市场价值和发展前景。

图1 汽车行业CO2排放比例

众所周知，汽车制动是靠摩擦的方式进行的，摩擦固然会存在热量的产生和散失。据研究发现，在城市工况下会有大于50%的驱动能量在制动后损失，郊区工况下也会有至少20%的损失。这对于以节能为目的的新能源汽车是大为不利的，无论是混合动力还是纯电动的新能源车，再生制动技术（Regenerative Braking Technology）都是与之匹配的制动方式。有别于传统制动方式，再生制动可以在车辆刹车、减速或下坡的过程中将车辆的部分动能通过能量转换装置，将其转化为电能，且通过能量回收系统吸收并存储起来，然后能量管理策略优化能量的分配，在车辆起步加速时再把储存的能量释放出来，形成驱动车辆行驶的动力。这种方式一方面将车辆的动能转化成其它形式的能量回收再利用，节约了能源, 而不是像机械摩擦制动那样将车辆的动能变为热能浪费掉；另一方面减轻了机械摩擦制动的磨损，增加了摩擦制动器的寿命。因此，开展再生制动技术研究，对车辆节能技术有巨大的现实意义。

1、再生制动的基本原理

1.1 定义

再生制动（Regenerative Braking)，也称反馈制动，是指纯电动或混动汽车在减速或者下坡时，将汽车的部分动能转化为电能，转化的电能储存在储存装置中，如各种蓄电池、超级电容和超高速飞轮，最终增加电动汽车的续航里程。如果蓄能器已经被完全充满，再生制动就不能实现，所需的制动力就只能由常规的制动系统提供。再生制动有别于传统制动，把动能转化及储存起来，而不是变成无用的热在空气中白白散失掉。

1.2 系统构成

1.2.1 传统制动系统构成

传统汽车的制动系统构成如下图所示，由制动踏板、制动主缸、ABS调节器、轮缸、摩擦片、制动盘及相关管路构成。

图2 传统制动系统构成

整个制动过程是：由驾驶员发出指令给制动踏板踏力（踩下制动踏板），推动制动主缸（其中，由真空助力器向发动机获得负压，给制动踏板提供助力），主缸活塞建立液压通过油管通向ABS调节器，此时ECU通过整车行驶的信息给ABS发出相应的脉冲指令，ABS的电磁阀控制各路车轮的制动硬管的液压，最后，通过液压推动各车轮上的制动轮缸，轮缸活塞推动制动片形成对制动盘的夹紧作用，也就是形成制动效果。当中不难发现，真空助力器在常规动力的汽车的制动系统中扮演一个很重要的角色，一方面是建立液压的重要部件，另一方面也是由它来获得负压从而提供助力给踏板，也就是说，直接影响着驾驶员踩刹车的主观感觉。

图3 传统制动系统制动过程

1.2.2 再生制动系统构成

在混合动力汽车和电动车上启用再生制动系统，一方面是因混合动力车或电动车是发动机存在不工作的时候或没有发动机的，相应的变更为电动机在工作；另一方面，就是为了能量回收，最大限度地节省能源。再生制动系统两大特点就是能量回收和电动伺服助力。

图4 再生制动系统构成

基于以上原因，新能源车上的整个再生制动系统，分别是由带再生制动信息的组合仪表（METER）、带伺服传感器的制动踏板（BPS）、电动伺服制动功能的电路控制单元（ESB ECU）、VSA调节器、电机总成、电动伺服制动主缸（TMOC）、制动操作力模拟系统（BOS），等部件构成。

图5 再生制动系统的相关部件

各部件作用：

（1）专用组合仪表(Meter)用于显示所有关于再生制动的信息，如驾驶员可直观知悉车辆当前时刻是处于制动模式还是能量回收模式还是能量释放状态，又或者是制动系统异常等信息；

图6 仪表显示车况信息

（2）制动踏板BPS(Brake Pedal Stroke Sensor)上有位移及踏板力传感器，能感知驾驶员的制动意图，是需要缓慢制动还是紧急制动的工况，传感器将制动踏板的行程和操作力转化为相应的电信号传递至控制单元；

（3）ESB ECU接收传感器反馈来的电信号，基于自身ESB逻辑策略，合理有效地给BOS和TMOC发出指令，使其进行作动；

（4）BOS(Brake Operating System)制动力操作系统根据具体指令给制动踏板提供反力（提供类似负压助力的作用，助力的大小决定于制动踏板上传感器的反馈信号）。其实制动操作力系统也称制动操作力回馈模拟器，就是为了在制动过程中保证制动踏板可以给驾驶员提供一个“真实”的力的反馈。它与制动踏板机构相连，负责在制动过程中向驾驶员提供反馈力，这样，这套制动系统在驾驶员看来就与熟悉的传统车型相同了，使驾驶员无论是缓刹车还是急刹车，踏板给脚的感觉都是线性合理的，不会出现一脚踩空或硬到踩不动。

图7 BOS总成实物外观

也许你会提出疑问，车辆在行驶时如果发生电器电路故障导致了制动助力电机无法正常工作，那岂不是要大祸临头？其实不然，踏板回馈模拟装置与制动总泵间有油管相连，但在正常情况下，油路是被“切断”的，所有制动压力由助力电机提供，而当助力电机出现故障时，制动压力还是可以在驾驶员踩下制动踏板后，踏板回馈模拟装置将制动液推向管路形成制动压力，只不过，相比之下，踩下制动踏板的力量会稍大些，为了使之更完善，工程师通过加长制动踏板的方式来减轻制动所需力量；

图8 TMOC总成实物外观

（5）TMOC(Tandem Motor Cylinder)伺服电机液压主缸也是根据指令进行作动，由自身的电动马达推动制动总泵为制动管路建立液压（制动压力则依据踏板位置信号计算得出）。该部品负责提供助力、建立液压和协调再生制动力分配，其角色就好比传统制动系统中的真空助力器和制动主缸；

图9 TMOC的内部构成

（6）最后，由VSA调节器根据ECU指令分配各车轮的制动油压，推动制动卡钳在制动盘上施加相应的夹紧力，完成最终整车的制动。

整个制动过程的信息传递过程如下图所示。

图10 ESB系统信息流

1.3 再生制动系统工作原理

1.3.1 主要辅助机能

图11 ESB系统重点部品布局

在说明ESB(Electric Servo Brake)工作原理前，先简单介绍其辅助机能。下图是再生制动系统重要部品的布局图，该系统除了履行一般的整车制动功能外，还包括一些ESB基本机能，如：（1）S/C压控制：产生与制动踏板入力相应的油压；（2）电机保护控制：避免连续通电引起的电机过热烧损；（3）再生协调控制：通过与ECU的通信，分配再生/油压的制动力；（4）STALL协调控制：结合VSA的作动机能，爬坡路停车时的制动力保持。

1.3.2 ESB工作原理

下面对再生制动技术的核心机能ESB(Electric Servo Brake)电动伺服制动的工作原理进行说明：

（1）非工作状态

在非工作状态下，也就是驾驶员没有给制动踏板施加踏板力时，如图11所示，MCV阀是开通的，使得上部制动液管路和下部制动液管路是相通的。PFSV阀是闭合的，故PFS没反馈液压给BOS。另外，由于ECU没有给指令TMOC的电机，电机是不作动的，所以整个制动液管路是没建立液压的，处于自由状态。

图12 非工作状态

（2）正常制动状态

在驾驶员进行正常的制动操作时，如图12所示，先是对制动踏板施加踏板力，踏板发生位移，通过连杆推动BOS的液压缸，PFSV阀开通，制动液填充到PFS且通过PFS建立制动。另一方面，通过ECU的指令，将PFS的液压分配反馈到BOS缸体，反馈力最终体现到踏板上，形成与驾驶员制动意图和踏板力相对应的踏板反力（反力的模拟量通过踏板上的位移传感器给ECU信号来判断），从而不会给驾驶员有一脚踩空或踏板很重的感觉，简单来说就是形成类似真空助力器的模拟量感觉。与此同时，MCV阀关闭，从而切断上下流的制动液管路。并且ECU给指令TMOC的电机正向转动（正常制动时电机是正转的，加速度和转动时间基于是紧急制动还是缓制动的踏板输入量而定），电机带动齿轮机构推动制动主缸的活塞作动，从而使制动液从制动主缸到制动管道再到轮缸建立液压，最后推动轮缸的活塞，完成对制动盘的夹紧力的整车制动效果。制动力的大小取决于液压的大小，液压的大小取决于电机运转的角度，电机运转的角度决定于踏板行程/踏板力传感器的信号。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。

图13 正常制动状态

（3）再生协调模式时

在制动中期进行0压再生，能量回收的时候，制动液压是总轮缸指向制动主缸TMOC的，从图13可见，液压推动主缸的活塞，再把力通过齿轮机构传递给电机，使得电机反转，从而实现液压能向电能的转换，这样达到能量回收的效果。值得注意的是，电机的逆转转角和转速也是受到ECU的控制的，使得液压力和电机作动力的匹配达到一个合理的水平，故能很好地对应0压再生和车速制动过程中低速化。在整个过程中，MCV阀还是仍然处于闭合状态的，所以上流管道的液压不受到影响，PFS依旧由ECU的指令下给予踏板一个合适的反力模拟量，使得驾驶员在整个过程中有一个合适的制动踏板操作感。

图14 再生制动模式

（4）电动伺服制动失效时

我们可能会担心，当电动伺服TOMC的电机失效（无电源或电机坏了）的时候，岂不是会导致无法完成制动？这岂不是很危险？其实，这也是设计者已经考虑到的。如图14所示，当TMOC的电机失效，电机停止工作时，制动主缸和整制动管路的液压就不能靠电机的作动来建立了。但这个时候MCV阀就会开通，使得上下两部分的液压管路相通，驾驶员通过踩下制动踏板推动BOS的活塞，再把制动液压向TMOC来建立制动管路的液压。简单来说就是用纯人力的方式来踩出制动效果。不难发现，这时PFSV阀是闭合的，PFS与BOS是不相通的，所以这种模式下是没有踏板模拟反力的，故驾驶员在这种情况下会觉得踏板力比正常时要稍大，但设计者通过加大踏板臂的方式来减小这种影响，并且通过以上操作，达到不影响在无伺服助力状态下的整车制动效果。

图15 失效模式

2、再生制动的能量回收

2.1 制动过程中的能量

制动能量分为可回收能量和不可回收能量。不可回收的能量主要是汽车克服滚动阻力和空气阻力所消耗的能量和在传递过程中损失的能量。可回收能量是驱动轴上的制动能量。在平坦的路面上（可忽略道路坡度的影响，此外传动系统阻力较小，也可忽略），汽车在行驶过程中当切断动力后以初始车速v0，减速至车速v1过程中，其能量变化关系为：

式中：△W-----制动时衰减的动能；

m------汽车质量，kg；

Wf----滚动阻力所作的功，(J)；

Wa----空气阻力所作的功，(J)；

Wb----制动力所作的功，(J)。

Wf和Wa的能量是不可回收的，只有Wb可回收再利用的。传统摩擦制动力做功是将汽车的动能转变为热能，逸散于大气中。这种能量转换过程是单向不可逆的，因此无法加以利用，只有回收制动装置的制动力所做的功才可以被利用。因此为了提高汽车的能量利用率，在制动过程中，应该尽可能多的回收制动装置的制动力，使其发挥作用。

2.2 制动模式分析

根据汽车行驶特点，制动模式不同，回收的能量也有差异。制动或减速可分为以下几种工况：(1)紧急刹车。此时制动加速度往往大于3m/s2，某些情况下，甚至能达到7～8 m/s2。此时以传统的机械刹车为主，能量回收系统同时作用,但由于紧急制动过程非常短，因此能够回收的动能量比较少。(2)中度刹车。即一般制动，指制动减速度小于3m/s2，且大于滑行减速度(根据车辆的不同计算方法如公式(1)时，可分为减速过程与停车过程，能量回收系统负责减速过程，机械刹车完成停止过程。(3)汽车下坡时的刹车。此时制动力很小，能量回收系统负责全过程。(4)滑行减速。滑行减速是指汽车切断动力后依靠惯性滑行的减速模式，其制动减速度就是滑行减速度，该过程中消耗的能量无法回收利用。滑行减速度可由(1)式计算：

式中：a0-----滑行速度，m/ s2；

V-----汽车速度，km/h；

φ----旋转质量系数；

f----滚动阻力系数；

Cp---空气阻力系数；

m----汽车质量；

A。----迎风面积，m2。

(5)缓慢减速过程。缓慢减速过程是指汽车以小于滑行减速度的减速度缓慢减速的运行情况，此时仍然需要动力装置输出少量的动力，该过程中消耗的能量也无法回收利用。

2.3 可回收能量

一次刹车可回收利用的能量为：

式中：K1----汽车的机械传动效率；

K2----制动能量回收效率，在制动过程随转速和转矩变化；

K3----制动能量利用效率；

△W ---汽车制动时衰减的动能；

Wf----滚动制动时衰减的动能；

Ff----滚动摩擦力；

S----制动距离，它取决于制动力的大小和制动时间的长短。

2.4 再生制动的能量回收过程

汽车再生制动是指汽车在减速或制动过程中，在保证车辆制动性能的条件下，通过与驱动轮（轴）相连的能量转换装置，把汽车的一部分动能或位能转化为其它形式的能量，并储存在能量储存装置中，然后在汽车起步或加速时释放能量。

如下图所示，制动初期通过油压提供一个较小的制动力矩，形成初期的制动效果，这个油压制动的时间一般会很短暂。

图16 制动时相关物理量变化

接下来由车轮的反向力矩对系统进行0压再生的过程，在整个再生制动力矩的过程形成能量回收，最后电机才进一步作动，形成电动伺服制动。有别于过往常规制动，再生制动有一个再生制动力矩进行能力回收的过程，很好地在新能源车上达到节能的目的。另外，由ECU进行协调控制，在整个过程车辆都是能够按照驾驶员的意图输出合适的制动力，使得车辆速度逐渐下降直到停下来的。从节能角度来讲，就是不会让过往常规摩擦制动那样，在制动过程中通过热散失把能量白白损耗了。

2.5 再生制动能量回收的类型

根据目前的研究成果可知，再生制动能量回收的基本原理是先将车辆制动或减速时的一部分机械能（动能）经再生系统转换（或转移）为其他形式的能量（旋转动能、液压能、化学能等），并储存在储存器中，同时产生一定的负荷阻力使汽车减速制动；当汽车再次启动或加速时，再生系统又将储存在储能器中的能量转换为汽车行驶所需要的动能（驱动力）。

图17

根据储能机理不同，电动汽车再生制动能量回收的方式也不同，主要有3种，即飞轮储能、液压储能和电化储能。

（1）飞轮储能式：是利用高速旋转的飞轮来储存和释放能量，能量回收系统原理如下图所示。当汽车制动或减速时，先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成飞轮高速旋转的动能；当汽车再次启动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通过传动装置转化为汽车行驶的驱动力。

图18 飞轮储能式的能量流

（2）液压储能式：的再生制动能量回收系统原理如下图示。它是先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成液压能，并将液压能储存在液压储能器中；当汽车再次起动或加速时，储能系统又将储能器中的液压能以机械能的形式反作用于汽车，以增加汽车的驱动力。

图19 液压储能式的能量流

（3）电化学储能式：的再生制动能量回收系统原理如下图示。它是先将汽车在制动或减速过程中的动能，通过发电机转化为电能并以化学能的形式储存在储能器中；当汽车再次起动或加速时，再将储能器中的化学能通过电动机转化为汽车行驶的动能。储能器可采用蓄电池或超级电容，有发电机/电动机实现机械能和电能之间的转换。系统还包括一个控制单元，用来控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。

图20 电化学储能式的能量流

2.6 制动能量的储存形式

制动能量的储存形式多种多样，只要便于储存和释放再利用就可行，目前主要有上述提及的飞轮储能式、液压储能式、电化学储能式3种，因电化学储能式相比前两种在能量传递的效率和储存放稳定性方面更为理想，所以使用的最为广泛。

图21 三种能量回收方式优劣对比

3、再生制动的发展情况

3.1 目前发展

目前再生制动技术在国外已被较多的使用，主要体现在混合动力车型和纯电动的车型上。比较具有代表性的是丰田的普锐斯、CT200h、本田的混合动力飞度、纯电动版的飞度、Insight、福特公司的Prodigy、日产的Tino、通用的Precept等，并且普锐斯轿车还使用了比较先进的控制策略，它的ECB制动系统能够实现四轮单独控制，车辆的常规制动、紧急制动、制动能量回收以及防加速打滑控制等技术只需要一套制动系统就可以实现，所以均能看到国外在该项技术已达到比较成熟的阶段。但因新能源车在我国起步较晚，再生制动技术还处于起步阶段，尚未在国内行业有更多的应用。国内的一些高校、汽车主机厂、研究院都在这一领域进行研究，并取得了一些初步成果，但是均没有达到比较成熟的阶段。国内目前应用的再生知道那个系统普遍存在制动力难于准确控制、制动稳定性差、能力回收效率有限等问题。大部分研究都停留在理论分析和建模仿真阶段，极少实车应用，相关的制造和使用标准还没健全。

3.2 未来前景

总体来讲，再生制动的优势是显而易见的，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。对于再生制动技术，若未来科研人员们能在制动控制的稳定性、能量回收的充分性、制动踏板的平稳性和复合制动机能兼容的协调性这几方面能进一步突破的话，再生制动技术在新能源汽车上的真正推广和实车应用肯定能实现的。

4、结束语

新能源汽车的节能技术需要以节约能源和回收能量相结合，这样才能达到节能减排的根本目的和最佳效果。再生制动技术也是新能源汽车制动领域的必然选择。因此，本人预测在不久的将来，随着石油等不可再生能源的紧缺，新能源汽车的进一步推广和普及，再生制动技术也会得到快速普及和应用，最终成为主流！

[1] 夏宇敬.《浅析再生制动》山东省德州市德州学院.《中国科技信息》2009年10期.

[2] 陈庆樟,何仁,商高高.《汽车能量再生制动技术研究现状及其关键技术》.常熟理工学院.《汽车技术》2008年6期.

[3] 孟秋红,郭金波.《再生制动技术在汽车中的应用》石家庄铁道学院机械工程学院《天津汽车》2007年3期.

[4] 张子英,张保成.《车辆制动能量回收再利用技术研究》.ZHANG Zi-yingZHANG Bao-cheng .《节能技术》2010年3期.

[5]《Studies of regenerative braking in electric vehicle》Yoong, M.K.; Gan, Y.H.; Gan, G.D.; Leong, C.K.; Phuan, Z.Y.; Cheah, B.K.; Chew, K.W. Sustainable Utilization and Development in Engine ering and Technology (STUDENT), 2010 IEEE Conference on 2010.

[6]《Regenerative braking》Dr.Yimin Gao in Encyclopedia of Sustainability Science and Technology (2012).

Analysis on regenerative braking technology of new energy vehicles

Li Tonghui
（Guangzhou Honda, Guangdong Guangzhou 510799）

The global auto industry consumes large amounts of oil, such as our country is 85% of the amount of oil consumed each year in the automotive industry, and the increasing demand for car production, demand for oil is increasing endlessly. However, as the oil the non-renewable energy consumption gradually, as well as the global temperature rise caused by vehicle emissions, air quality deterioration and other issues, looming in the promotion of new energy vehicles. Of the many advanced technologies in new energy automobile, whether for pure electric vehicles or hybrid electric vehicles, regenerative braking is an essential equipment. Compared to the traditional way of braking, its core role is to vehicle brake produced by the heat energy storage and reuse, so as to more effectively achieve the purpose of saving energy and reducing emissions. In this paper, the working principle of regenerative braking system and the way of energy saving is analyzed, related to the important parts and key points for the overall technology, and prospects the future prospect of regenerative braking technology. Overall discusses the regenerative braking is the car in the present and the future development of an important technology.

regenerative braking; Energy recovery; Electric servo brake

U461.8

A

1671-7988 (2016)12-21-07

黎同辉，就职于广汽本田技术部。