熊璐 钱超 余卓平

（同济大学 新能源汽车工程中心）

电动汽车复合制动系统研究现状综述*

熊璐 钱超 余卓平

（同济大学 新能源汽车工程中心）

从原理、结构、特点、控制策略和制动动力学控制等方面阐述了电动汽车复合制动系统的发展现状，针对复合制动系统的3种结构型式（油门踏板型、未解耦型和解耦型）进行了对比分析，表明解耦型复合制动系统是未来复合制动系统的主要发展方向。重点分析了解耦型复合制动系统的控制策略，并且总结了正常制动和紧急制动2种工况下液压制动力和再生制动力的动态协调控制方法，最后提出复合制动对于液压制动系统的设计要求。

1 前言

电动汽车具有节能环保等优点，已成为汽车工业未来重要的发展方向。电动汽车与传统汽车的区别在于驱动系统电气化和制动系统中引入再生制动，比传统汽车提高了60%的能量利用效率，且很大一部分能量来自于再生制动系统。再生制动与液压制动共同组成电动汽车的复合制动，通过驱动电机制动进行制动能量回收，提供再生制动力，以达到增加续驶里程、节能环保等目的。

复合制动需要实现的目标包括满足驾驶员对制动力（即制动强度）的需求、实现制动能量回收最大化、实现制动利用附着系统的最大化（制动效率最大化）、满足驾驶员对制动舒适性的需求（纵向冲击度最小化）[1]等。基于以上目标，复合制动要综合考虑制动安全性和制动能量回收率，故在保证制动动力学性能的情况下应尽量实现回收制动能量的最大化，这是复合制动系统控制策略研究的基本出发点。

为能够满足制动强度、制动能量回收及制动效率等优化目标，复合制动系统在制动过程中需要在不同制动模式下进行切换。复合制动动态协调控制主要研究正常制动和紧急制动2种工况下如何协调再生制动和液压制动来满足驾驶员的制动需求。再生制动的引入对复合制动中液压制动系统的设计有了新的要求，本文将从4个方面阐述复合制动系统的研究现状，并提出需要解决的关键技术难题和未来发展趋势。

2 复合制动系统原理和结构

以液压制动力主动可调的复合制动系统为例，其工作原理如图1所示。当驾驶员踩下制动踏板时，复合制动控制单元根据踏板位移传感器采集的信号判断驾驶员的制动意图，即所需的总制动力大小。驱动电机首先介入制动提供再生制动力，由于驱动电机的特性使得再生制动力可能无法满足总的制动力需求，因此复合制动控制单元同时仲裁再生制动和液压制动的比例，此时液压制动力开始介入，配合变化的再生制动力提供总的制动力。在制动的最后阶段,由于电机在较低转速工况时无法提供制动力矩,液压制动力将完全承担所有的制动力。

实现复合制动的方式有2种：一是在传统液压制动系统基础上进行简单改造，如修改再生制动介入的控制逻辑或在制动踏板处增加空行程；二是由EHB（电子液压制动系统）完全代替传统液压制动系统。目前，第2种复合制动方式具有广阔的市场前景和应用价值[2]。

复合制动系统有多种形式，从驱动电机制动介入信号源判断，可分为油门踏板型和制动踏板型2种复合制动系统；根据主缸与制动踏板之间是否保留原有机械连接，制动踏板型复合制动系统又分为未解耦型和解耦型[8，9]2种。

2.1 油门踏板型复合制动系统

油门踏板型复合制动系统是通过驾驶员松开油门踏板作为驱动电机制动介入信号源，其结构如图2所示。该系统的工作原理为：当驾驶员松开油门踏板后，驱动电机进行制动提供再生制动力，当驾驶员踩下制动踏板后，液压制动系统介入，与驱动电机同时进行复合制动。这种形式的复合制动系统只是修改了再生制动介入的控制逻辑，其液压制动系统结构保持不变，安全可靠性高，但踏板感觉差，能量回收率较低。如，在驾驶员原本期望汽车滑行的工况下松开油门踏板，再生制动力介入将导致车辆无法行驶到期望的位置，驾驶员需要重新踩下油门踏板输出动力，因此消耗的能量可能大于回收的制动能量，故有时不太符合驾驶意图。但如果驾驶员通过一定的学习与适应，这类复合制动系统还是能够取得可观的能量回收率[4]。

现有的部分电动汽车装备了这种复合制动系统，如上汽荣威E50。虽然油门踏板型复合制动系统有一定的市场应用价值，但只是一个过渡型产品,不是未来电动汽车制动系统的主流。

2.2 制动踏板型复合制动系统

2.2.1 未解耦型

未解耦型复合制动系统结构如图3所示。该系统的制动踏板与液压制动系统保持了原有的机械连接，在保证安全的基础上，在原有制动系统的某部件上增加一段空行程，空行程一般设置在制动踏板处[5]，如上海大众超越系列混合动力汽车就在制动踏板上增加了1段约10 mm的空行程。也有在真空助力器等液压制动部件上增加空行程的[6]。驾驶员踩下制动踏板，在空行程时液压制动力不介入，只有再生制动力单独进行制动并回收制动能量，克服这段空行程后，再生制动和液压制动共同提供总的制动力。

未解耦型复合制动系统安全性与可靠性突出，能体现驾驶员的制动意图，但是其可以回收的制动能量偏低，在克服空行程时车辆已经有了一定的制动力，所以与传统的制动感觉有一定偏差。该系统采用制动踏板作为电机制动介入信号源，与油门踏板型复合制动系统相比，其更符合驾驶员传统的驾驶习惯。驱动电动机在最大负载下进行制动时，其所产生的制动力矩会受到车速及电池容量等因素的影响，提供的再生制动力矩有较大的波动与变化，但是未解耦型复合制动系统不能主动调节液压制动力矩，为了保持驾驶员制动感觉的一致性[13]，必然会牺牲掉电机的一部分制动力，无法充分发挥电机的性能，以致不能最大程度地回收制动能量，这也是该系统最大的不足之处[14]。

目前也有零部件厂商推出了未解耦型复合制动系统产品，如博世（BOSCH）公司2009年针对轻混合动力汽车推出了RBS（Regenerative Braking System）复合制动系统[15]（图4），该系统就是在制动踏板上增加1段空行程，引入驱动电机再生制动力来实现制动能量回收，其余结构沿用传统制动系统[15]；大陆（Continental）公司研发了采用模块化设计的MK100制动系统，在2011年上半年实现了量产[16]。

2.2.2 解耦型

2.2.2.1 结构与原理

解耦型复合制动系统即制动踏板与液压制动系统之间完全没有机械连接，实现完全解耦，该系统装载可实时调控液压系统的主动动力源，为制动操作单元提供助力所需的能量。主动动力源有2种实现方式：一是高压蓄能器配合电机与泵的方式；二是高性能电机与机械减速机构对液压制动系统的制动输入力进行主动控制，以配合实时波动的电机制动力实现复合制动。图5为解耦型复合制动系统结构，其主动动力源集成在液压控制单元中，采用了高压蓄能器配合电机与泵的方式，并且依然采用驾驶员踩制动踏板作为驱动电机再生制动力介入的信号源，制动操作单元的作用是实现制动助力，提供主动动力源失效时的备份制动。这种形式的液压制动系统在踏板处安装了位移传感器用以测量驾驶员的制动意图，同时踏板模拟器用以模拟一个踏板反馈力，以保证驾驶员的传统驾驶感觉[9]。

电动汽车复合制动系统需要一个单独的控制器来对驱动电机和液压制动系统进行协调控制，即复合制动控制单元（BCU）,其独立于整车控制器（VMS），用于实现对复合制动踏板意图的识别和制动力分配。

解耦型复合制动系统工作原理为：驾驶员踩下制动踏板，位移传感器测得驾驶员对制动踏板踩下的位移，并计算出踩踏板的速率。将采集到的信号传输至BCU中，BCU识别驾驶员的制动意图，即此次制动所需的制动力大小，并将信号传递给VMS；VMS从驱动电机控制器得到可输出的再生制动力，根据总制动力需求与再生制动力之差，可知此次制动中液压制动系统所需要提供的制动力，将此信号传递至BCU，然后驱动液压系统中的主动动力源输出推力，经传动装置推动制动主缸产生合适的液压制动力，配合驱动电机再生制动力进行复合制动。

2.2.2.2 开发现状

解耦型复合制动系统最核心的部分是电子液压制动系统（EHB）。丰田（Toyota）公司于1997年推出了具有再生制动功能的混合动力轿车Prius，回收的能量能够提高约10%的燃油经济性，到2010年已经推出Prius第3代电控制动系统（ECB），其发展方向是集成化、智能化、轻量化、小型化和低成本化[19]。2011年博世（Bosch）公司专为以真空助力为基础的混合动力汽车和电动汽车推出了ESP HEV再生制动系统，随后又为不使用真空助力器的混合动力汽车和电动汽车推出了HAS HEV制动系统，其制动踏板与车轮制动实现完全解耦，采用高压蓄能器和泵作为液压制动力的主动动力源[20]。美国天合（TRW）公司在2006年面向混合动力汽车开发了SCB（Slip Control Boost）制动系统[22]，如图6所示。SCB系统也是完全解耦的电子液压制动系统，由制动操作单元和电液控制单元2个模块单独集成，通过液压管路连接，主动动力源采用高压蓄能器配合电机与泵的形式，并且与踏板模拟器一起集成在电液控制单元中[21]。

大陆公司开发出了MK C1电子液压制动系统样机，MK C1把原有多个分立系统整合成为执行机构与控制单元合二为一的精简系统[23]。

以HAS hev系统为例来说明以高压蓄能器和泵驱动主缸建压的电子液压制动系统原理，博世公司的HAS hev系统原理[20]如图7所示。该系统分为制动操作单元（BOU）和液压驱动控制模块(ACMH)2个部分，制动操作单元主要包括主缸、踏板模拟器、失效模式单元；液压驱动控制模块（主动动力源）主要包括高压蓄能器及油泵。ACMH在车内的布置位置非常灵活，只要通过液压管路与BOU连接即可。该系统集成了液压备份和机械备份2种失效保护模式，在电气系统故障和液压管路漏液的情况下仍能提供满足法规要求的制动力。当正常制动模式失效时进入液压备份模式，即制动踏板的活塞推动次级主缸中的制动液经过电磁阀2到达主缸前腔，推动主缸活塞产生制动力，此时当驾驶员继续踩制动踏板，次级主缸中的制动液减少到踏板活塞与主缸推杆相接触时进入机械失效模式，推动主缸活塞进一步产生制动力。

2011年，IPGATE AG公司推出了一体化制动系统IBS，其液压驱动控制模块采用超高速无刷电机驱动滚珠丝杠来推动主缸建压，通过控制电机和4个电磁阀实现了ABS/ESP功能。IBS整体质量只有3.8 kg，与传统制动系统（装备ESP）相比，其体积减小了70%，长度减小70 mm，系统复杂程度较低，舒适性、ABS/ESP稳定性增强，辅助驾驶更顺畅，降低了由安全故障引起的系统风险。在样机试制开发阶段，这套系统完成了各类路况下的车辆制动性能试验和成本优化[14]。此后，该系统转让给了天合汽车集团（Automotive Holdings Corp，TRW），TRW以IBS系统为基础推出了集成式制动系统（IBC）[15]，如图8所示。IBC更加集成化和智能化，完全符合在狭小的前舱空间中布置的要求，预计于2016年投产。

2.2.2.3 发展趋势

解耦型复合制动系统是目前最先进最智能化的复合制动系统，其响应速度快，可对液压制动力实时调节和主动控制，相比于传统车辆可以更快地达到最大制动力矩，并能够最大化地实现制动能量回收。同时，其智能化程度非常高，能够正确反映驾驶员的制动意图，提供最合理的压力变化特性，制动压力等级与踏板行程始终保持一致，制动压力通过轮缸压力传感器的反馈进行精确调节，消除了制动噪声。由于制动踏板与液压制动系统之间解耦，彻底解决了传统制动系统ABS工作时由于制动管路压力波动使制动踏板出现振动的问题。此外，这种制动系统还能集成电子驻车制动系统（EPB）的功能，减轻驾驶员的负担[28]。但因主动动力源高压蓄能器在汽车上的应用较少，其技术还不够成熟，氮气一旦泄露可能导致车辆完全失去制动力，将严重威胁行驶车辆的安全。所以，各大汽车厂商也在加大力度研发更安全、更先进的液压驱动装置来代替高压蓄能器和泵，如使用高性能电机和机械减速机构来代替，其可在提高系统性能的同时进一步降低系统的复杂度。

2.3 3种复合制动系统对比

3种复合制动系统性能对比结果见表1。

表1 3种复合制动系统性能对比

由表1可知，与油门踏板型和未解偶型复合制动系统相比，解耦型复合制动系统优势明显，但也存在系统可靠性不够、成本较高等问题。但随着解耦型复合制动系统技术的成熟以及其在电动汽车上的普及应用，其可靠性和安全性将得到改善，成本也会进一步降低。因传统制动系统要适应未来制动系统发展的改进空间已经很小[29]，解耦型复合制动系统将是未来制动系统的主要发展方向。

3 复合制动控制策略

复合制动系统按照液压制动力是否可控分为串联式和并联式2种型式。油门踏板型和未解耦型复合制动系统属于并联式，其控制策略比较简单，仅是再生制动力与液压制动力的叠加[17]，并根据总的制动力需求对两者进行简单的分配，这种控制策略很难有效保证制动距离和制动效能，且可回收的制动能量也较少。

解耦型复合制动系统属于串联式，即制动踏板与液压制动系统解耦，液压制动力完全可控。根据液压制动系统结构可分为解耦式恒定分配比控制策略（前、后轴液压制动力按照恒定分配比分配）和解耦式自由分配控制策略（前、后轴液压制动力独立自由分配）。以四轮驱动电动汽车为例，分析2种控制策略的作用过程。

3.1 解耦式恒定分配比控制策略

解耦式恒定分配比控制策略如图9所示。由图9可看出，0A阶段、AB阶段属低强度制动工况，在0A阶段，前、后轴都由电机提供再生制动力并按照理想制动力分配曲线分配；在AB阶段，前轴提供最大再生制动力，后轴补充不足的再生制动力。BC阶段、CD阶段属中等强度制动工况，在BC阶段，前、后轴再生制动力等于电机能提供的最大再生制动力，不足的制动力由液压制动力提供并按β曲线分配；在CD阶段，减小再生制动力，增加液压制动力并按β曲线分配，使总的制动力沿r曲线分配（针对前轮没抱死而后轮抱死情况）。D点以后阶段属于紧急制动工况，制动力全部由液压制动提供。

3.2 解耦式自由分配控制策略

解耦式自由分配控制策略如图10所示。由图10可看出，低强度制动工况（0A阶段和AB阶段）与解耦式恒定分配比控制策略一致。BC阶段和CD阶段属中等强度制动工况，在BC阶段，前、后轴再生制动力等于电机所能提供的最大再生制动力，剩余的制动力由前轴的液压制动力全部承担；在CD阶段，前、后轴液压制动力同时参与，液压制动力和再生制动力按照理想制动力曲线分配。D点以后阶段属紧急制动工况，制动力全部由液压制动提供。

为保证车辆制动时具有良好的方向稳定性和足够的制动强度，ECE R13制动法规对双轴汽车前、后轮制动器制动力提出了明确要求，当附着系数φ在0.2～0.8时，要求制动强度Z≥0.1+0.85( )φ-0.2，以防止前轮抱死，提高附着效率。根据ECE R13制动法规可得出前轮驱动的汽车在前轮先抱死情况下，对前轮最大制动力和后轮最小制动力的限制边界线[18]，即制动力分配曲线要求在ECE法规边界曲线上方。

以具有固定比值的前、后轴液压制动力分配特性的前轴驱动电动汽车为例，分析满足ECE R13法规要求并以实现最大制动能量回收为目标的解耦型复合制动系统控制策略。图11为满足ECE R13法规要求的解耦式控制策略。由图11可看出，在0A阶段，制动减速度需求较小，再生制动力完全能满足需求，此时仅前轴驱动电机的再生制动力参与制动；在AB阶段，单独的再生制动力难以满足制动力需求，液压制动力介入并且按照β曲线分配，再生制动力动态调节，使得实际总制动力分配曲线沿着ECE法规边界线递增；在BC阶段，电机提供最大的再生制动力，前轴总制动力不足部分由前轴液压制动力补充，后轴根据分配比提供相应的液压制动力，以此满足总的制动力需求；在CD阶段，总的制动力沿f线进行分配，电机的再生制动力减少；在D点以后阶段，为保证制动稳定性和安全性，电机制动完全退出，前、后轴的液压制动力按固定比值提供总的制动力。

4 制动动力学控制

由于电机和液压系统具有不同的动态特性，在制动工作模式切换过程中，二者制动力的合成或分解会产生较大波动，从而造成制动过程的平顺性变差，并导致无法实现良好的驾驶员制动意图跟踪[19]。在制动过程中，液压制动无法测量轮胎与地面之间的制动力，无法补偿制动力误差，正常制动情况下可由驾驶员操作来反馈控制，但紧急制动情况下制动误差会造成事故的发生，而电机可以轻易测量输出的制动力并进行反馈补偿。同时，再生制动的引入也会对原有液压制动ABS产生影响，使得紧急制动工况下的制动动力学控制发生改变[20]。复合制动系统制动动力学控制首先要满足制动力需求，其次也要综合考虑稳定性和舒适性等因素[21]。

4.1 正常制动工况下的动态协调控制

正常制动工况下的动态协调控制主要以跟踪制动意图、车辆稳定性和舒适性为目标。在制动工作模式切换过程中会产生制动力的波动，由于各种原因制动系统也存在误差，因此提出了以跟踪制动意图（制动力需求、舒适性）为目标的动态协调方法，但这种研究目前还较少。文献[22]以车辆稳定性为目标，采用遗传算法来优化再生制动和液压制动的分配。文献[23]和文献[24]中以舒适性为目标，根据最优控制理论进行速度模式生成，其评估函数J定义为：

式（1）中加速度a关于时间的导数（加加速度）与乘坐舒适性相关。文献[23]中采用图12所示的控制算法，利用加速度前馈以及速度反馈来生成速度模式，其追随性和鲁棒性较好，驾驶员的驾驶负荷随之减轻,车辆加速度与加加速度波动减小，车辆行驶舒适性得以提高。

4.2 紧急制动工况下的动态协调控制

目前，复合制动系统在紧急制动工况下的动态协调控制即防抱死控制可分为以下几类。

4.2.1 仅液压制动力作用

当车轮在紧急制动工况下趋于抱死时，电机制动力完全退出，仅有液压制动力进行调节以防止车轮抱死[25]。这种防抱控制方法与传统液压制动系统的防抱控制一致，虽然该方法较容易实现，在紧急制动时可提供足够的制动力，但此时无法进行制动能量回收。这种控制策略在电机制动力完全退出时，可利用的液压制动力太小，以致在切换时无法满足ABS介入干预的条件，所以ABS起作用的时间存在滞后[26]。

4.2.2 仅再生制动力作用

当车轮在紧急制动工况下趋于抱死时，车轮的防抱死控制功能完全由电机来实现，液压制动系统不参与制动[27，28]。如文献[28]基于模糊控制器生成电机制动力，从而将滑移率控制在需求的小范围内来防止车轮打滑，实现了ABS的功能。该控制方法可以大幅提高制动性能，即使在结冰路面上也能实现驱动轮制动最优控制。

电机具有响应迅速、易于控制等特点，仅电机参与紧急制动可轻易实现车轮防抱死功能，但是由于电机能提供的再生制动力有限，而紧急制动时制动力需求较大，所以单纯靠电机制动难以满足驾驶员的制动需求。

4.2.3 液压制动力与再生制动力同时作用

当车轮在紧急制动工况下趋于抱死时，液压制动力与再生制动力能够动态分配、协同工作[29，30]。如文献[30]采用了双门限区域控制的方法，当车轮滑移率上升超过门限值时优先对液压制动力进行调整，当驱动轴液压制动力为零，而车轮滑移率继续处于门限区域内时才对电机再生制动力进行调整。

液压制动和再生制动同时参与的防抱控制方法需要电机不停地切换工作模式，同时液压制动力也要完全可控，该方法既实现了防抱死，又能回收一部分制动能量，但对控制的精度要求较高，车辆稳定性不佳。

5 复合制动中液压制动系统的变化

5.1 液压制动系统结构和控制

制动踏板需要加装位移传感器，解耦型制动踏板还需安装踏板感觉模拟器来给驾驶员一个反馈力。对于电动汽车，由于失去了原内燃机进气歧管真空源，如果复合制动系统中包含有真空助力器，则需增加电动真空泵并进行真空助力控制。由于电机再生制动系统的存在，总的制动力需求分配由电机和液压制动系统来完成，这需要对液压制动力进行主动控制。

5.2 液压制动容量

再生制动的引入使得液压制动系统提供的制动力可以减小，使液压制动容量需求下降。根据ECEEUDC、J1015和UDDS等循环工况可知，在城市道路上行驶时制动强度大部分在0.2以内，再生制动可以实现大部分的日常制动需求，所以制动盘/块磨损减小，液压制动容量的变化需要优化制动力分配系数。试验表明，在保持制动距离不变的情况下，与传统汽车相比，具有再生制动的汽车的制动容量可减少，从而可有效减小制动盘的直径。

5.3 液压制动热容量

车辆制动时制动系统的热容量是一定的，再生制动的引入使得液压制动热容量需求减小，从而在制动盘尺寸保持不变的情况下制动器温升减小。图13为在AMS（Auto Motor und Sport）制动测试工况下，分别测量引入再生制动车辆和未引入再生制动车辆在10次循环制动下后制动器温度变化情况，试验结果表明，相比于未引入再生制动车辆，引入再生制动车辆的后制动器温升减小，从而降低在连续制动时由于制动器温度持续升高产生的热衰退，保证了制动效能的稳定性。

6 结束语

a. 油门踏板型和未解偶型只是过渡型的复合制动系统，而解耦型优势明显，性能更佳，是未来复合制动系统的发展方向。但耦合型复合制动系统对可靠性的设计要求更高，目前高压蓄能器技术还不够成熟，存在一定的安全隐患，汽车厂商也在大力开发全新液压驱动动力源（如电机配合机械减速机构）代替高压蓄能器和泵。

b. 针对不同的制动强度需求，对再生制动力和液压制动力应采用不同的分配控制策略。

c.对于复合制动防抱控制，再生制动力和液压制动力同时作用与两者单独作用相比，既能防止车轮抱死，又能通过制动能量回收提供更大的制动力，但其对电机不断切换工作模式要求很高，目前的控制在精度和稳定性方面还存在不足。

d. 由于引入再生制动，复合制动系统可以减少液压制动系统容量，从而有效减小制动系统尺寸，驱动电机制动能量回收使得液压制动系统热容量需求也得到减少。

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（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2014年10月19日。

Review on Composite Braking System of Electric Vehicle

Xiong Lu,Qian Chao,Yu Zhuoping
（Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University）

The development status of electric vehicle is discussed in term of theory,structure,characteristic, control strategy and braking dynamics control,etc..And three composite braking system structures,i.e.the throttle pedal type,coupled type and decoupled type are analyzed and compared,which shows that the decoupled composite braking system represents the mainstream development trend of the composite brake system in the future.Control strategy of the decoupled composite braking system is the focus of analysis in this paper,and dynamic coordination control method of hydraulic braking and regenerative braking force in normal and emergency braking are summed up.The design requirements of the hydraulic braking system in composite brake are put forward in the end of this paper.

Electric vehicle,Composite brake,Control strategy,Dynamic coordination control

电动汽车 复合制动 控制策略 动态协调控制

U469.72

A

1000-3703（2015）01-0001-08

国家重点基础研究发展计划(973计划，2011CB711200)和国家自然科学基金（51105278）资助项目。