基于制动能量回收的液压制动系统
2016-12-06
制动能量回收，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，这种制动方式称为再生制动(Regenerative Braking)，或回馈制动。制动能量回收技术的在电驱动车辆上应用，可以增加车辆一次充电的续航里程。
制动能量回收由电制动系统和液压制动系统共同完成。液压制动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。电动汽车制动能量回收系统的液压制动系统区别于传统燃油车的制动系统，一方面表现在电动汽车没有传统的内燃机为制动系统提供真空度，另一方面表现在制动能量回收的实现需要液压制动系统和电机之间有信号交流。
基于再生制动系统提出的技术要求，各大汽车厂商和零部件企业纷纷推出了适用于不同类型电驱动汽车的具有制动能量回收功能的液压制动系统方案。接下来我们谈一谈目前业内几种典型方案。
基于真空助力的液压制动系统
“真空助力器+真空泵”方案
该方案主要是在原有真空助力液压制动系统中增加EVP（Electronics Vacum Pump,电子真空泵）、PTS（Pedal Travel Sensor,踏板行程传感器）和气压传感器。
EVP的作用是为真空助力器提供动力源，因为电驱动乘用车没有传统的发动机，无法为真空助力器提供真空度，真空助力器无真空下无法提供制动助力。该系统通常还会带一个真空罐，用于存储一定容积的真空，使系统的真空度更稳定，同时降低EVP的启动频次，增长EVP使用寿命。PTS主要是为了给电机控制器提供制动信号，有效利用制动空行程进行能量回收，提高能量回收率。
该系统的有优点是原制动系统的零部件大都可以沿用，实施方便，技术成熟，系统稳定，造价较低。缺点主要是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,能量回收率低,制动舒适性差。制动舒适性差不仅是表现在电机回馈制动和摩擦制动的耦合与切换产生的冲击、平顺性差，还表现在高原地区，由于气压低，EVP无法提供和在平原地区一样高的真空度，真空助力器的助力差，踏板力会变大。
基于ESP/ESC的液压制动系统
Bosch ESPhev方案
以Bosch公司的ESPhev为例，该系统无需真空助力器和EVP，主要基于原有的ESP技术，ESP除了标准功能外，增加了常规的制动液压助力功能和回馈力矩协调功能。ESP根据BOU（Brake Operating Unit, 制动操作单元）里的PTS信号计算驾驶员的制动需求，再根据电机所能提供的回馈制动力大小，以及综合车辆稳定性，进行制动力的分配，液压制动系统压力由ESP提供。
该系统具有比传统制动系统更小的安装尺寸，更轻的重量，能进行回馈力矩和液压力矩的协调，能量回收率高。但是系统前轴解耦，制动管路为II型布置，不同于常见的X型布置，而且该方案只适用于小型车（满载车重不超1700kg）。
基于EHB的液压制动系统
EHB（Electronics Hydraulic Brake，电子液压制动系统），主要由动力单元（电机、泵和蓄能器）、液压单元（主缸、踏板模拟器和PTS）和电子控制单元组成，经制动管路和控制阀与制动轮缸相连，控制制动液流入/流出制动轮缸，从而实现制动压力控制。
Bosch HAShev方案
上图为Bosch公司的HAShev系统，该系统主要由BOU、ACM-H（Actuation Control Module –Hydraulic，液压助力控制模块）和ESP组成。BOU带有PTS，用于探测驾驶员的制动需求；BOU和制动踏板是解耦的，集成了踏板感模拟器，踏板感模拟器内部主要是一个弹簧阻尼机构，能灵活调节踏板感。ACM-H主要由电动液压泵、高压蓄能器和电子控制单元组成，它的任务主要是给液压制动系统供能，同时负责回馈力矩和液压力矩的协调控制。该系统的ESP和普通的ESP相比，多了主动增压的功能，它能在ACM-H失效时主动增压，确保制动安全，同时它和电机控制单元以及ACM-H之间也有回馈力矩、车辆稳定因子等信号交互。
该系统踏板解耦，踏板感可以灵活设计，动态控制电机回馈力矩和液压制动力矩的协调分配，优先利用再生力矩，实现最大效能的制动能量回收；同时它具有强大的失效模式，ACM-H失效时ESP可以补偿，液压失效时，还有机械结构保证安全。但是系统零部件多，构造复杂，需要增加4根制动管，重量无优势，调试和维护成本高。
Mando AHB III方案
上图为韩国Mando公司的AHB III方案，由iBAU（Integrated Brake Actuation Unit，集成制动助力单元）和PSU（Pressure Source Unit，液压动力单元）这两个主要部件组成。和Bosch公司的HAShev系统相比，Mando把电子控制单元、ESP/ESC都集成在iBAU里，零部件的数量上减少了，布置更灵活，重量更轻，轻了差不多2kg。而且iBAU直接进行轮压控制，最大程度消除系统损失，增强压力可控性。
基于新型制动助力器的液压制动系统
基于新型制动助力器的方案
这种方案无真空助力器和EVP，也没有液压泵或蓄能器等部件，取而代之使用高性能电机，通过齿轮机构驱动活塞直线运动，以产生制动主缸压力。较之普通制动系统，它更轻巧，系统响应更快，能够显著地提升建压速度，有效地缩短制动距离，满足新型高级驾驶辅助系统对制动压力控制动态特性的更高要求。协调再生制动功能和基于ESP/ESC、EHB技术类似，同样能实现高效的制动能量回收。
该系统的制动踏板也可以是解耦的，建压过程与制动踏板之间没有直接的联系，踏板感觉由一个集成在执行模块中的弹簧/缓冲器单元来产生的。踏板感可根据整车要求分别调整，还可按照不同行驶情况（如紧急制动）或操作模式（如“运动”）进行单独调整，能在无需任何附加措施的条件下，实现再生制动与舒适性的完美统一。
这种方案目前已被成功应用在日产Leaf、特斯拉Model S和阿尔法罗密欧Giulia等车型上。
德国大陆集团的MK C1 （集成了ESC）
Bosch的ibooster （没有集成ESP/ESC）
相比传统的制动系统产品，目前EHB或新型制动助力器等产品的开发成本还比较高，但是随着技术的不断进步，这些开发成本一定会不断降低。我们相信制动系统会逐渐向着轻量化、模块化和智能化的EHB或新型制动助力器方向发展。目前国外主要制动系统零部件供应商（如Bosch、TRW、大陆、爱德克斯、日立、万都等）分分推出自己的EHB或新型制动助力器产品，而我们国内的供应商由于在传统底盘电控系统ESP/ESC/EHB、电磁阀等关键零部件的开发与制造方面存在短板，EHB或新型制动助力器产品的研发与国外尚有差距。但是国内这方面研发也取得了一些进展，如电子液压助力器、电子真空助力器等都已经有成形的产品了，而且很多国内供应商都在和一些高校合作，通过产学研合作，取得了不错的进展。随着电动汽车产业化进程的逐步推进，相信国内供应商也能开发出满足整车需求的EHB或新型制动助力器等产品，形成与国外同类水平相抗衡的能力。
