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制动能量回收系统的发展历程

对于制动能量回收系统的开发，国内外各高校、科研机构以及各大汽车企业均开展了大量研究工作，下面对制动能量回收系统的发展历程进行回顾，并研判其技术发展趋势。

制动能量回收系统应在保证制动安全性和制动感觉的前提下尽可能多地回收制动能量。为了实现上述目标，制动能量回收系统需要实现轮缸压力的独立可控，同时保证踏板感觉与传统制动系统一致。目前，最早出现也是发展最为成熟的方案是上文介绍的并联系统，这种系统在传统真空助力制动系统的基础上增加了电动真空泵，具有结构简单和技术成熟的优点。在电动真空泵的驱动下，该系统可以产生充足的制动力，并具有简单的能量回收和防抱死功能。然而，这种制动系统仅能实现电机制动力与液压制动力的简单叠加，能量回收效果较差；同时，电机制动力波动带来的制动感觉变化会给驾驶员带来不安全的主观印象，因此，该系统适用于较为低端且成本控制较为严格的车型 ^[10] 。

针对并联系统节能性差的问题，串联制动能量回收系统应运而生。最初的串联系统在制动系统硬件部分依然以电动真空泵为操纵机构，但改进了液压调节单元，可将操纵机构和单轴制动轮缸完全解耦，所谓“解耦”即是切断制动主缸和制动轮缸之间液压回路的过程。这类系统的典型例子有博世ESP-hev（即混合动力电动汽车电子稳定性控制系统，如图1.10所示 ），该系统最先应用于奔驰S400混合动力电动汽车上，可实现电机制动力与单轴液压制动力的协调控制，较并联系统提高了节能性，但由于该系统仅依靠一轴提供制动感觉，其制动感觉依然存在与传统制动系统不一致的问题 ^[11] 。为改善单轴解耦系统的制动感觉，不少厂商与研究机构在单轴解耦系统制动硬件的基础上增加了踏板感觉模拟器，典型例子如吉林大学的RBS（图1.11），其通过踏板感觉模拟器实现单轴解耦，踏板感觉由踏板感觉模拟器和非解耦轴共同提供，与传统汽车一致 ^[12] 。

单轴解耦系统只能实现电机制动力与单轴液压制动力的协调控制，节能性一般。为进一步提升节能效果，也有厂商在单轴解耦系统制动硬件的基础上，利用踏板感觉模拟器实现了双轴全解耦，典型例子有博世的PCA（即压力控制驱动器，如图1.12所示）和天合汽车集团（TRW）的ESC-R（图1.13） ^[13] 。相比单轴解耦系统，全解耦系统解耦程度更高，可实现电机制动力与双轴液压制动力的协调控制；其不足之处在于系统过于复杂，不便于布置，同时全解耦系统对液压调节单元的性能要求过高，长时间增压会造成液压调节单元严重发热，为保证系统工作寿命，该系统不能长时间工作。

上述传统全解耦系统依然是以真空助力器为基础改进而来的过渡方案，由于新能源汽车不再具备稳定的真空源，继续使用内燃机车辆广泛采用的真空助力器只会增加系统的复杂度和成本，因此，在新能源汽车产业高速发展的大背景下，制动能量回收系统正向着无真空全电动化的全解耦系统发展。

在全电动化进程中，全解耦制动系统主要出现了三个技术分支。

第一个分支为电子液压制动系统，这种制动系统的硬件部分采用无助力式制动主缸作为操纵机构，采用高压蓄能器作为压力源，通过踏板感觉模拟器进行踏板感觉模拟，通过液压调节单元对轮缸的制动压力进行调节。电子液压制动系统具有集成度高、功能全面、使用体验好等优点，但其结构复杂、造价高昂、体积庞大，而且由于采用了高压蓄能器，存在一定的安全隐患。典型的电子液压制动系统有博世SBC（图1.14）、丰田ECB（图1.15）等 ^[14-16] ，其中，SBC是最早的电子液压制动系统，已在奔驰SL、奔驰E等车型上成功应用；丰田ECB是目前应用范围最广的电子液压制动系统，包括丰田普锐斯、凯美瑞混合动力等车型都在使用该系统。

第二个分支为电动副主缸制动系统，这类系统的工作原理与电子液压制动系统类似，其同样包含无助力式制动主缸和踏板感觉模拟器，但压力源调整为由电机直接驱动的副主缸。除了电动副主缸外，该系统还有另一个备份主缸。系统工作时，电动副主缸负责调节制动轮缸的压力，电动副主缸失效后，备份主缸与制动轮缸相连，此时驾驶员操纵备份主缸提供制动力。典型的电动副主缸式制动系统包括本田ESB（图1.16）、博世IPB（图1.17）、大陆MK C1（图1.18）等 ^[17-19] ，其中本田ESB应用于雅阁混合动力、CR-V混合动力等车型，博世IPB应用于比亚迪唐、汉等车型，MKC1应用于阿尔法·罗密欧Giulia等车型。

第三个分支为电动助力制动系统，目前典型的电动助力制动系统有博世的iBooster（图1.19）、上海汇众的Ebooster（图1.20）等。这类系统与电子液压和电动副主缸式制动系统差异较大，是一种特殊的全解耦系统，其由助力电机和人力共同推动主缸活塞，可以在不改变踏板感觉的情况下实现主缸压力的调节，故该系统无须踏板感觉模拟器便能实现解耦。但由于工作原理的限制，这类装置的解耦能力有限，只能在较低的制动强度范围内实现全解耦，因此其并不能称作完全意义上的全解耦系统，本书将其归为有限全解耦系统。为了实现更大范围的解耦和协调能量回收，电动助力制动系统通常搭配ESC液压调节单元一同使用 ^[20-21] 。

在全电动化全解耦制动系统后，近年来又出现了电子机械制动系统，这种制动系统完全取消了液压管路，而是由机电系统代替液压回路。图1.21所示为典型电子机械制动系统的结构示意图，其执行器包含驱动电机、运动转换机构（行星轮、减速齿轮等）和制动器（制动盘、摩擦片等）三部分。系统工作时，运动转换机构将驱动电机的旋转运动转化为制动器活塞的直线运动，最终由活塞带动摩擦片压缩制动盘产生制动力。相比全解耦液压系统，电子机械制动系统的制动响应更快，同时具有安装方便、布局灵活等优点。然而，由于电子机械制动系统的成本高昂、体积较大，其量产应用还很遥远。

综上所述，制动能量回收系统的发展路线可总结为如图1.22所示的过程。最初制动能量回收系统均由传统制动系统改进而来，通过真空源电动化、改进液压调节单元和增加解耦轴，依次诞生了并联系统、单轴解耦串联制动系统和全解耦串联制动系统。随着新能源汽车产能的扩张，结构更简单的无真空全解耦制动系统逐渐成为主流，由此诞生了电子液压制动系统、电动副主缸制动系统、电动助力制动系统和电子机械制动系统四种全电动化制动系统。下面本书将对上述制动系统的工作原理与控制方法进行详细阐述，由于电子机械制动系统的应用尚不成熟，下文内容不包含对电子机械制动系统的阐述。