张俊智：电动汽车能量回馈式制动系统及测试技术

电动汽车在城区运行时加减速工况频繁，制动耗散能量占到总驱动能量的40-50%，电动汽车在制动过程中耗散的能量非常可观。因此，制动能量回收技术是决定电动汽车能效水平的关键。我们很荣幸的邀请到了清华大学的张俊智教授为我们介绍制动能量回收技术的研发背景与进展，以及目前的测试规范和测试技术。

1、能量回馈式制动系统研发背景
制动能量回收是一个被大家熟知的节能技术，也是电动汽车共性技术之一。对于电动汽车而言，尤其在城区工况中，约有40-50%的能量被刹车浪费。传统车也在寻求如何使浪费的制动能量通过回收得以再次利用，而电动车本身具备能量转换的装置，从而使制动能量回收变得更为便捷。

制动系统和驱动系统相比，制动系统相对更为复杂。为了使制动系统具备能量回收的功能，部分车型直接在原有的液压制动系统基础上叠加电机回馈制动系统，或者重新设计能量回馈式液压制动系统以协调匹配电机回馈制动系统。除了将回馈制动系统定义在制动踏板上以外，定义在加速踏板上的能量回收技术则是另一种回馈制动方式。目前，加速踏板模式的回馈制动系统已经逐步被市场认可，例如欧洲的一些高端车型，均已将回馈制动系统定义在加速踏板上。



图1 制动能量回收控制策略

回溯历史，欧洲电动汽车起步较晚，由于急于融入市场，在制动系统方面未做很大改变，回馈制动系统直接被定义在加速踏板上。国内也有定义在加速踏板上的技术方案，开始并不被广泛认可，直到最新的特斯拉也将其定义在加速踏板之后，人们就将此技术方案作为一种时尚。不管将回馈制动系统定义在什么踏板上，原有的制动系统必须重新设计和匹配。



图2 丰田制动能量回收系统

丰田混合动力电动汽车的制动能量回收技术具有较高的代表性，目前已经更新至第四代。第一代电控制动系统（ECB）于1997年推出，那时并没引起人们关注。第一代ECB，较多使用线性阀，主要思路是液压控制单元机构的设计。到第四代ECB时发生了革命性的变化，不但阀块结构进行了改进，而且制动主缸也是重新设计的。传统汽车有一个制动系统技术，混合动力也有一个制动系统技术，未来还有智能制动系统技术，丰田就是集成了这三大体系的共平台、共技术。车企的混合动力汽车生产越多，制动能量回收系统装备的也越多。汽车电动化和智能化的过程中，大部分车企都在投入研究智能车，所有智能车都是在电动车的基础上开展研究的。智能化时代的电动汽车，对制动能量回收技术有着更高的性能要求，主要目标仍是为了提高车辆的能量经济性。

此外，国内科研院校和一些汽车企业对电子机械制动系统（EMB）非常重视，但目前只能作为技术研发和前沿探索，产品化还需要很长时间。因为EMB系统对机械部分的性能要求比较高，商业化挑战较大。在国内轿车方面，很多汽车零部件单位正在研究EMB系统，如亚太、万向等。



图3 线控制动系统

2、研发进展
早期的电动汽车一般使用叠加式回馈制动策略，即在传统的液压制动基础上，直接将电机回馈制动叠加到整车制动需求中，这种思路不需要对液压制动系统做出复杂的改造，只需改变电机控制策略，实现简单。但是这种策略往往会导致踏板感觉不良、回收效率偏低的劣势。“十二五”时期，清华大学基于传统的ABS液压调节单元设计了具有能量回收功能的EABS系统，并在奇瑞、北汽等相关车型上进行了性能验证和产业化探索。“十三五”初期，基于传统的ESP液压调节单元的能量回收式整车稳定性控制系统EESP被设计出来，其具有回馈制动、防抱死制动、横摆稳定性控制等多重功能，目前处于性能优化阶段。随着电动汽车智能化趋势的深入，具备完全解耦结构的EEHB系统逐渐成为新型能量回馈式线控制动系统的代表，其丰富的制动功能涵盖了传统制动需求和智能车相关的主动制动功能，会在未来一段时间内成为研究和开发的热点。作为国外先进制动系统的代表，博世公司推出的电子助力系统ibooster逐渐广为国内车企和消费者熟知，由于线控制动系统EHB本身制造工艺难度和运行可靠性等问题，以ibooster为代表的的电助力系统为车辆智能化控制带来了新的思路，国内一部分研究机构和零部件企业也在积极探索这一新的技术路线。



图4 制动系统技术路线图

对于能量回馈式制动系统而言，在保证制动安全性的前提下，首要目标是尽可能多的回收能量，其次是保证制动舒适性。收加速踏板与踩制动踏板均可回收能量，这两者需要结合，当从收回加速踏板至踩制动踏板过程中会产生一定的冲击，如何优化冲击是面临的问题之一。目前，开发的能量回馈式制动系统最早是在北汽新能源车上得到验证，城市工况能够节约20%电耗，节能效果比较明显。另外，奇瑞的部分电动车也能实现20%的能量回收。实际上，能量回收水平也和原车系统的状态有一定关系。
能量回馈式制动系统产业化的过程中，主要是零部件厂家进行小型化和工程化的研发，研发过程中的主要目标是为了回收能量。但是，在ABS起作用时，电机制动应该怎么处理？这时需要进行大量的道路试验进行性能匹配。目前，ESC技术已成为车辆制动系统的标配，在ESC自主开发的基础上，进一步开发电动化整车动力控制系统，新的方案需要一些关键技术的突破。传统的制动系统对液压制动的控制而言，控制精度要求不高，而电动车对于制动系统的控制精度要求更高。要提高控制精度，就对液压元件提出了更高的性能要求，而且最好使用比例控制元件，清华大学也在这方面做了不少研究工作。



图5 能量回馈式线控辅助制动系统

对于电动车而言，充分发挥电机的回馈制动功能是实现高性能能量回收的关键。电机制动起作用时，相对于纯液压辅助制动，能量回馈式线控辅助制动的制动力矩响应更快，可给驾驶员更长的反应时间，车间保持距离更接近理想值，主动避撞性能更优。
3、测试规范和测试技术
制动能量回收技术与车辆能效、驾驶舒适性和制动安全性密切相关。下面两个是国家已有的制动能量回收相关标准。首先是本行业内的一个标准，规定的内容包括能量回收效能评价、安全评价，以及汽车工程学会的团体标准。目前，即将发布的7个相关标准由清华大学和亚太机电合作制定，主要是在原有的技术标准的基础上进行了改进。另外，还包括计划中的五个制动能量回收团体标准，目前均已通过立项。



图6 我国已有制动能量回收相关标准



图7 即将发布的制动能量回收相关标准



图8 已通过立项的回收团体标准

清华大学目前有两种制动能量回收试验台架。一种是借鉴了传统制动系统的台架，包括液压测试试验台和气压测试试验台；第二种则借鉴了发动机动态台架的技术体系，包括集中式电驱动/电制动系统动态试验台和分布式电驱动/电制动系统动态试验台，该台架的特点是能够实现极端工况下动态负载的精确模拟。该试验系统为突破回馈制动能效与安全的技术瓶颈提供了关键试验条件，支撑了北汽、宇通等单位制动能量回收节能与安全核心技术的突破。

总结
张俊智教授系统梳理了制动能量回收技术的研究背景和技术前沿，详细介绍了能量回馈式制动系统的代表性技术和发展方向。目前，在国家筹备制定和完善的制动能量回收技术相关技术规范中，清华大学在测试技术等方面做出了很大的贡献。