新能源汽車再生制動技術淺析

黎同輝

（廣汽本田，廣東 廣州 510799）

新能源汽車再生制動技術淺析

黎同輝

（廣汽本田，廣東 廣州 510799）

全球汽車業每年消耗著大量的石油，如我國每年就有85%的石油量是消耗在汽車行業，并且因汽車產量需求不斷增加，石油的需求量也無休止地增加。然而，隨著石油這種不可再生能源的逐漸消耗,日漸短缺；以及因汽車尾氣排放導致的全球氣溫上升、空氣質量惡化等問題，新能源汽車的推廣迫在眉睫。在新能源汽車上的諸多先進技術中，無論是對純電動車還是混合動力車而言，再生制動都是必不可少的裝備，相比傳統的制動方式而言，其核心作用就是將車輛制動時所產生的熱能儲存起來再利用，從而更有效地達到節省能源和降低廢氣排量的目的。本文對再生制動系統的工作原理和節能方式進行分析，介紹相關重要部件及整體技術要點，并且展望再生制動技術的未來前景?？傮w論述再生制動是當前以及今后汽車發展的一項重要技術。

再生制動；能量回收；電動伺服制動

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.008

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

現今社會，汽車這個工業產品發展越來越快。汽車給人類社會帶來的有利變更是人們有目共睹的，它縮短了地域間的距離，提高了生產的效率；人們享受駕駛的樂趣的同時，也享受著汽車為生活提速的便利。汽車這個工業產品從奢侈品逐步成為人們的生活必需品，各家庭的人們因擁有汽車而擴大了生活的半徑，拉近彼此的距離。然而，汽車對能源的消耗和對環境的影響是制約汽車發展的兩項重要決定因素。因此，各國都致力于新能源汽車的研究發展，如純電動汽車、燃料電池汽車、氣體（天然氣、液化石油氣）燃料汽車、生物燃料（醇類、醚類）汽車、氫能源汽車及太陽能汽車等。然而，由于新能源汽車技術目前尚存在一些短時間內難以解決的問題，并且各國政府和行業或多或少存在一些制約因素，純電動等新能源汽車現階段還是難以推廣，相比而言，混合動力汽車因技術更成熟，更有市場價值和發展前景。

圖1 汽車行業CO2排放比例

眾所周知，汽車制動是靠摩擦的方式進行的，摩擦固然會存在熱量的產生和散失。據研究發現，在城市工況下會有大于50%的驅動能量在制動后損失，郊區工況下也會有至少20%的損失。這對于以節能為目的的新能源汽車是大為不利的，無論是混合動力還是純電動的新能源車，再生制動技術（Regenerative Braking Technology）都是與之匹配的制動方式。有別于傳統制動方式，再生制動可以在車輛剎車、減速或下坡的過程中將車輛的部分動能通過能量轉換裝置，將其轉化為電能，且通過能量回收系統吸收并存儲起來，然后能量管理策略優化能量的分配，在車輛起步加速時再把儲存的能量釋放出來，形成驅動車輛行駛的動力。這種方式一方面將車輛的動能轉化成其它形式的能量回收再利用，節約了能源, 而不是像機械摩擦制動那樣將車輛的動能變為熱能浪費掉；另一方面減輕了機械摩擦制動的磨損，增加了摩擦制動器的壽命。因此，開展再生制動技術研究，對車輛節能技術有巨大的現實意義。

1、再生制動的基本原理

1.1 定義

再生制動（Regenerative Braking)，也稱反饋制動，是指純電動或混動汽車在減速或者下坡時，將汽車的部分動能轉化為電能，轉化的電能儲存在儲存裝置中，如各種蓄電池、超級電容和超高速飛輪，最終增加電動汽車的續航里程。如果蓄能器已經被完全充滿，再生制動就不能實現，所需的制動力就只能由常規的制動系統提供。再生制動有別于傳統制動，把動能轉化及儲存起來，而不是變成無用的熱在空氣中白白散失掉。

1.2 系統構成

1.2.1 傳統制動系統構成

傳統汽車的制動系統構成如下圖所示，由制動踏板、制動主缸、ABS調節器、輪缸、摩擦片、制動盤及相關管路構成。

圖2 傳統制動系統構成

整個制動過程是：由駕駛員發出指令給制動踏板踏力（踩下制動踏板），推動制動主缸（其中，由真空助力器向發動機獲得負壓，給制動踏板提供助力），主缸活塞建立液壓通過油管通向ABS調節器，此時ECU通過整車行駛的信息給ABS發出相應的脈沖指令，ABS的電磁閥控制各路車輪的制動硬管的液壓，最后，通過液壓推動各車輪上的制動輪缸，輪缸活塞推動制動片形成對制動盤的夾緊作用，也就是形成制動效果。當中不難發現，真空助力器在常規動力的汽車的制動系統中扮演一個很重要的角色，一方面是建立液壓的重要部件，另一方面也是由它來獲得負壓從而提供助力給踏板，也就是說，直接影響著駕駛員踩剎車的主觀感覺。

圖3 傳統制動系統制動過程

1.2.2 再生制動系統構成

在混合動力汽車和電動車上啟用再生制動系統，一方面是因混合動力車或電動車是發動機存在不工作的時候或沒有發動機的，相應的變更為電動機在工作；另一方面，就是為了能量回收，最大限度地節省能源。再生制動系統兩大特點就是能量回收和電動伺服助力。

圖4 再生制動系統構成

基于以上原因，新能源車上的整個再生制動系統，分別是由帶再生制動信息的組合儀表（METER）、帶伺服傳感器的制動踏板（BPS）、電動伺服制動功能的電路控制單元（ESB ECU）、VSA調節器、電機總成、電動伺服制動主缸（TMOC）、制動操作力模擬系統（BOS），等部件構成。

圖5 再生制動系統的相關部件

各部件作用：

（1）專用組合儀表(Meter)用于顯示所有關于再生制動的信息，如駕駛員可直觀知悉車輛當前時刻是處于制動模式還是能量回收模式還是能量釋放狀態，又或者是制動系統異常等信息；

圖6 儀表顯示車況信息

（2）制動踏板BPS(Brake Pedal Stroke Sensor)上有位移及踏板力傳感器，能感知駕駛員的制動意圖，是需要緩慢制動還是緊急制動的工況，傳感器將制動踏板的行程和操作力轉化為相應的電信號傳遞至控制單元；

（3）ESB ECU接收傳感器反饋來的電信號，基于自身ESB邏輯策略，合理有效地給BOS和TMOC發出指令，使其進行作動；

（4）BOS(Brake Operating System)制動力操作系統根據具體指令給制動踏板提供反力（提供類似負壓助力的作用，助力的大小決定于制動踏板上傳感器的反饋信號）。其實制動操作力系統也稱制動操作力回饋模擬器，就是為了在制動過程中保證制動踏板可以給駕駛員提供一個“真實”的力的反饋。它與制動踏板機構相連，負責在制動過程中向駕駛員提供反饋力，這樣，這套制動系統在駕駛員看來就與熟悉的傳統車型相同了，使駕駛員無論是緩剎車還是急剎車，踏板給腳的感覺都是線性合理的，不會出現一腳踩空或硬到踩不動。

圖7 BOS總成實物外觀

也許你會提出疑問，車輛在行駛時如果發生電器電路故障導致了制動助力電機無法正常工作，那豈不是要大禍臨頭？其實不然，踏板回饋模擬裝置與制動總泵間有油管相連，但在正常情況下，油路是被“切斷”的，所有制動壓力由助力電機提供，而當助力電機出現故障時，制動壓力還是可以在駕駛員踩下制動踏板后，踏板回饋模擬裝置將制動液推向管路形成制動壓力，只不過，相比之下，踩下制動踏板的力量會稍大些，為了使之更完善，工程師通過加長制動踏板的方式來減輕制動所需力量；

圖8 TMOC總成實物外觀

（5）TMOC(Tandem Motor Cylinder)伺服電機液壓主缸也是根據指令進行作動，由自身的電動馬達推動制動總泵為制動管路建立液壓（制動壓力則依據踏板位置信號計算得出）。該部品負責提供助力、建立液壓和協調再生制動力分配，其角色就好比傳統制動系統中的真空助力器和制動主缸；

圖9 TMOC的內部構成

（6）最后，由VSA調節器根據ECU指令分配各車輪的制動油壓，推動制動卡鉗在制動盤上施加相應的夾緊力，完成最終整車的制動。

整個制動過程的信息傳遞過程如下圖所示。

圖10 ESB系統信息流

1.3 再生制動系統工作原理

1.3.1 主要輔助機能

圖11 ESB系統重點部品布局

在說明ESB(Electric Servo Brake)工作原理前，先簡單介紹其輔助機能。下圖是再生制動系統重要部品的布局圖，該系統除了履行一般的整車制動功能外，還包括一些ESB基本機能，如：（1）S/C壓控制：產生與制動踏板入力相應的油壓；（2）電機保護控制：避免連續通電引起的電機過熱燒損；（3）再生協調控制：通過與ECU的通信，分配再生/油壓的制動力；（4）STALL協調控制：結合VSA的作動機能，爬坡路停車時的制動力保持。

1.3.2 ESB工作原理

下面對再生制動技術的核心機能ESB(Electric Servo Brake)電動伺服制動的工作原理進行說明：

（1）非工作狀態

在非工作狀態下，也就是駕駛員沒有給制動踏板施加踏板力時，如圖11所示，MCV閥是開通的，使得上部制動液管路和下部制動液管路是相通的。PFSV閥是閉合的，故PFS沒反饋液壓給BOS。另外，由于ECU沒有給指令TMOC的電機，電機是不作動的，所以整個制動液管路是沒建立液壓的，處于自由狀態。

圖12 非工作狀態

（2）正常制動狀態

在駕駛員進行正常的制動操作時，如圖12所示，先是對制動踏板施加踏板力，踏板發生位移，通過連桿推動BOS的液壓缸，PFSV閥開通，制動液填充到PFS且通過PFS建立制動。另一方面，通過ECU的指令，將PFS的液壓分配反饋到BOS缸體，反饋力最終體現到踏板上，形成與駕駛員制動意圖和踏板力相對應的踏板反力（反力的模擬量通過踏板上的位移傳感器給ECU信號來判斷），從而不會給駕駛員有一腳踩空或踏板很重的感覺，簡單來說就是形成類似真空助力器的模擬量感覺。與此同時，MCV閥關閉，從而切斷上下流的制動液管路。并且ECU給指令TMOC的電機正向轉動（正常制動時電機是正轉的，加速度和轉動時間基于是緊急制動還是緩制動的踏板輸入量而定），電機帶動齒輪機構推動制動主缸的活塞作動，從而使制動液從制動主缸到制動管道再到輪缸建立液壓，最后推動輪缸的活塞，完成對制動盤的夾緊力的整車制動效果。制動力的大小取決于液壓的大小，液壓的大小取決于電機運轉的角度，電機運轉的角度決定于踏板行程/踏板力傳感器的信號。制動控制與電機控制協同工作，確定電動汽車上的再生制動力矩和前后輪上的液壓制動力。

圖13 正常制動狀態

（3）再生協調模式時

在制動中期進行0壓再生，能量回收的時候，制動液壓是總輪缸指向制動主缸TMOC的，從圖13可見，液壓推動主缸的活塞，再把力通過齒輪機構傳遞給電機，使得電機反轉，從而實現液壓能向電能的轉換，這樣達到能量回收的效果。值得注意的是，電機的逆轉轉角和轉速也是受到ECU的控制的，使得液壓力和電機作動力的匹配達到一個合理的水平，故能很好地對應0壓再生和車速制動過程中低速化。在整個過程中，MCV閥還是仍然處于閉合狀態的，所以上流管道的液壓不受到影響，PFS依舊由ECU的指令下給予踏板一個合適的反力模擬量，使得駕駛員在整個過程中有一個合適的制動踏板操作感。

圖14 再生制動模式

（4）電動伺服制動失效時

我們可能會擔心，當電動伺服TOMC的電機失效（無電源或電機壞了）的時候，豈不是會導致無法完成制動？這豈不是很危險？其實，這也是設計者已經考慮到的。如圖14所示，當TMOC的電機失效，電機停止工作時，制動主缸和整制動管路的液壓就不能靠電機的作動來建立了。但這個時候MCV閥就會開通，使得上下兩部分的液壓管路相通，駕駛員通過踩下制動踏板推動BOS的活塞，再把制動液壓向TMOC來建立制動管路的液壓。簡單來說就是用純人力的方式來踩出制動效果。不難發現，這時PFSV閥是閉合的，PFS與BOS是不相通的，所以這種模式下是沒有踏板模擬反力的，故駕駛員在這種情況下會覺得踏板力比正常時要稍大，但設計者通過加大踏板臂的方式來減小這種影響，并且通過以上操作，達到不影響在無伺服助力狀態下的整車制動效果。

圖15 失效模式

2、再生制動的能量回收

2.1 制動過程中的能量

制動能量分為可回收能量和不可回收能量。不可回收的能量主要是汽車克服滾動阻力和空氣阻力所消耗的能量和在傳遞過程中損失的能量?？苫厥漳芰渴球寗虞S上的制動能量。在平坦的路面上（可忽略道路坡度的影響，此外傳動系統阻力較小，也可忽略），汽車在行駛過程中當切斷動力后以初始車速v0，減速至車速v1過程中，其能量變化關系為：

式中：△W-----制動時衰減的動能；

m------汽車質量，kg；

Wf----滾動阻力所作的功，(J)；

Wa----空氣阻力所作的功，(J)；

Wb----制動力所作的功，(J)。

Wf和Wa的能量是不可回收的，只有Wb可回收再利用的。傳統摩擦制動力做功是將汽車的動能轉變為熱能，逸散于大氣中。這種能量轉換過程是單向不可逆的，因此無法加以利用，只有回收制動裝置的制動力所做的功才可以被利用。因此為了提高汽車的能量利用率，在制動過程中，應該盡可能多的回收制動裝置的制動力，使其發揮作用。

2.2 制動模式分析

根據汽車行駛特點，制動模式不同，回收的能量也有差異。制動或減速可分為以下幾種工況：(1)緊急剎車。此時制動加速度往往大于3m/s2，某些情況下，甚至能達到7～8 m/s2。此時以傳統的機械剎車為主，能量回收系統同時作用,但由于緊急制動過程非常短，因此能夠回收的動能量比較少。(2)中度剎車。即一般制動，指制動減速度小于3m/s2，且大于滑行減速度(根據車輛的不同計算方法如公式(1)時，可分為減速過程與停車過程，能量回收系統負責減速過程，機械剎車完成停止過程。(3)汽車下坡時的剎車。此時制動力很小，能量回收系統負責全過程。(4)滑行減速?；袦p速是指汽車切斷動力后依靠慣性滑行的減速模式，其制動減速度就是滑行減速度，該過程中消耗的能量無法回收利用?；袦p速度可由(1)式計算：

式中：a0-----滑行速度，m/ s2；

V-----汽車速度，km/h；

φ----旋轉質量系數；

f----滾動阻力系數；

Cp---空氣阻力系數；

m----汽車質量；

A。----迎風面積，m2。

(5)緩慢減速過程。緩慢減速過程是指汽車以小于滑行減速度的減速度緩慢減速的運行情況，此時仍然需要動力裝置輸出少量的動力，該過程中消耗的能量也無法回收利用。

2.3 可回收能量

一次剎車可回收利用的能量為：

式中：K1----汽車的機械傳動效率；

K2----制動能量回收效率，在制動過程隨轉速和轉矩變化；

K3----制動能量利用效率；

△W ---汽車制動時衰減的動能；

Wf----滾動制動時衰減的動能；

Ff----滾動摩擦力；

S----制動距離，它取決于制動力的大小和制動時間的長短。

2.4 再生制動的能量回收過程

汽車再生制動是指汽車在減速或制動過程中，在保證車輛制動性能的條件下，通過與驅動輪（軸）相連的能量轉換裝置，把汽車的一部分動能或位能轉化為其它形式的能量，并儲存在能量儲存裝置中，然后在汽車起步或加速時釋放能量。

如下圖所示，制動初期通過油壓提供一個較小的制動力矩，形成初期的制動效果，這個油壓制動的時間一般會很短暫。

圖16 制動時相關物理量變化

接下來由車輪的反向力矩對系統進行0壓再生的過程，在整個再生制動力矩的過程形成能量回收，最后電機才進一步作動，形成電動伺服制動。有別于過往常規制動，再生制動有一個再生制動力矩進行能力回收的過程，很好地在新能源車上達到節能的目的。另外，由ECU進行協調控制，在整個過程車輛都是能夠按照駕駛員的意圖輸出合適的制動力，使得車輛速度逐漸下降直到停下來的。從節能角度來講，就是不會讓過往常規摩擦制動那樣，在制動過程中通過熱散失把能量白白損耗了。

2.5 再生制動能量回收的類型

根據目前的研究成果可知，再生制動能量回收的基本原理是先將車輛制動或減速時的一部分機械能（動能）經再生系統轉換（或轉移）為其他形式的能量（旋轉動能、液壓能、化學能等），并儲存在儲存器中，同時產生一定的負荷阻力使汽車減速制動；當汽車再次啟動或加速時，再生系統又將儲存在儲能器中的能量轉換為汽車行駛所需要的動能（驅動力）。

圖17

根據儲能機理不同，電動汽車再生制動能量回收的方式也不同，主要有3種，即飛輪儲能、液壓儲能和電化儲能。

（1）飛輪儲能式：是利用高速旋轉的飛輪來儲存和釋放能量，能量回收系統原理如下圖所示。當汽車制動或減速時，先將汽車在制動或減速過程中的動能轉換成飛輪高速旋轉的動能；當汽車再次啟動或加速時，高速旋轉的飛輪又將存儲的動能通過傳動裝置轉化為汽車行駛的驅動力。

圖18 飛輪儲能式的能量流

（2）液壓儲能式：的再生制動能量回收系統原理如下圖示。它是先將汽車在制動或減速過程中的動能轉換成液壓能，并將液壓能儲存在液壓儲能器中；當汽車再次起動或加速時，儲能系統又將儲能器中的液壓能以機械能的形式反作用于汽車，以增加汽車的驅動力。

圖19 液壓儲能式的能量流

（3）電化學儲能式：的再生制動能量回收系統原理如下圖示。它是先將汽車在制動或減速過程中的動能，通過發電機轉化為電能并以化學能的形式儲存在儲能器中；當汽車再次起動或加速時，再將儲能器中的化學能通過電動機轉化為汽車行駛的動能。儲能器可采用蓄電池或超級電容，有發電機/電動機實現機械能和電能之間的轉換。系統還包括一個控制單元，用來控制蓄電池或超級電容的充放電狀態，并保證蓄電池的剩余電量在規定的范圍內。

圖20 電化學儲能式的能量流

2.6 制動能量的儲存形式

制動能量的儲存形式多種多樣，只要便于儲存和釋放再利用就可行，目前主要有上述提及的飛輪儲能式、液壓儲能式、電化學儲能式3種，因電化學儲能式相比前兩種在能量傳遞的效率和儲存放穩定性方面更為理想，所以使用的最為廣泛。

圖21 三種能量回收方式優劣對比

3、再生制動的發展情況

3.1 目前發展

目前再生制動技術在國外已被較多的使用，主要體現在混合動力車型和純電動的車型上。比較具有代表性的是豐田的普銳斯、CT200h、本田的混合動力飛度、純電動版的飛度、Insight、福特公司的Prodigy、日產的Tino、通用的Precept等，并且普銳斯轎車還使用了比較先進的控制策略，它的ECB制動系統能夠實現四輪單獨控制，車輛的常規制動、緊急制動、制動能量回收以及防加速打滑控制等技術只需要一套制動系統就可以實現，所以均能看到國外在該項技術已達到比較成熟的階段。但因新能源車在我國起步較晚，再生制動技術還處于起步階段，尚未在國內行業有更多的應用。國內的一些高校、汽車主機廠、研究院都在這一領域進行研究，并取得了一些初步成果，但是均沒有達到比較成熟的階段。國內目前應用的再生知道那個系統普遍存在制動力難于準確控制、制動穩定性差、能力回收效率有限等問題。大部分研究都停留在理論分析和建模仿真階段，極少實車應用，相關的制造和使用標準還沒健全。

3.2 未來前景

總體來講，再生制動的優勢是顯而易見的，除開可以回收能量給電池等設備充電之外，它也不受制動系統熱衰減的影響，更重要的是，它是基于驅動系統的，并不需要做太多專門的設計和改動，較為容易實現，只要解決了制動力均衡的問題，再生制動是一項非常適合新能源車型，同時頗為實用的技術。對于再生制動技術，若未來科研人員們能在制動控制的穩定性、能量回收的充分性、制動踏板的平穩性和復合制動機能兼容的協調性這幾方面能進一步突破的話，再生制動技術在新能源汽車上的真正推廣和實車應用肯定能實現的。

4、結束語

新能源汽車的節能技術需要以節約能源和回收能量相結合，這樣才能達到節能減排的根本目的和最佳效果。再生制動技術也是新能源汽車制動領域的必然選擇。因此，本人預測在不久的將來，隨著石油等不可再生能源的緊缺，新能源汽車的進一步推廣和普及，再生制動技術也會得到快速普及和應用，最終成為主流！

[1] 夏宇敬.《淺析再生制動》山東省德州市德州學院.《中國科技信息》2009年10期.

[2] 陳慶樟,何仁,商高高.《汽車能量再生制動技術研究現狀及其關鍵技術》.常熟理工學院.《汽車技術》2008年6期.

[3] 孟秋紅,郭金波.《再生制動技術在汽車中的應用》石家莊鐵道學院機械工程學院《天津汽車》2007年3期.

[4] 張子英,張保成.《車輛制動能量回收再利用技術研究》.ZHANG Zi-yingZHANG Bao-cheng .《節能技術》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

黎同輝，就職于廣汽本田技術部。