張俊智，呂 辰，李禹橦，茍晉芳，何承坤

(1.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084; 2.中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電工研究所，北京 100080)

前言

隨著環(huán)境污染與能源危機(jī)問題的日益嚴(yán)峻，包括混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車在內(nèi)的環(huán)境友好型節(jié)能與新能源汽車成為了世界各國(guó)研發(fā)的熱點(diǎn)。在城市工況下行駛的汽車大約有1/3到1/2用于直接驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行的能量被消耗在制動(dòng)過程中［1］。若能對(duì)這部分耗散的能量加以回收利用，可大大提高整車能量經(jīng)濟(jì)性。

制動(dòng)能量回收，又稱回饋制動(dòng)或再生制動(dòng)，對(duì)于電驅(qū)動(dòng)車輛而言，是指在減速或制動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于電池中，同時(shí)施加電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩于驅(qū)動(dòng)軸，對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)。該技術(shù)的應(yīng)用一方面增加了電驅(qū)動(dòng)車輛一次充電的續(xù)駛里程，另一方面減少了傳統(tǒng)制動(dòng)器的磨損，同時(shí)還改善了整車動(dòng)力學(xué)的控制性能。因此，研究制動(dòng)能量回收集成化技術(shù)具有重要意義。

對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，制動(dòng)力主要由摩擦制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生，產(chǎn)生機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單。而對(duì)于電驅(qū)動(dòng)車輛，引入制動(dòng)能量回饋后，須考慮將總的制動(dòng)力需求在摩擦制動(dòng)力和回饋制動(dòng)力之間進(jìn)行分配，以實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)調(diào)控制。由于受到電池和電機(jī)特性的影響，來自電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的產(chǎn)生機(jī)理不同，在相同的機(jī)械與動(dòng)力學(xué)條件下二者特性也有很大差別，這些都是在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的組成與分類

1.1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的組成

從整車層面分析，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)主要包括電制動(dòng)系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，同時(shí)涉及整車控制器、變速器、差速器和車輪等相關(guān)部件，如圖1所示。

電制動(dòng)系統(tǒng)包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器、動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)。電機(jī)控制器用于控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，施加回饋制動(dòng)力;電池管理系統(tǒng)控制電能回收于電池;液壓控制系統(tǒng)包括液壓制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和制動(dòng)控制器(BCU)，用于控制摩擦制動(dòng)力的建立與調(diào)節(jié)。

1.2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的分類

世界各大汽車廠商及零部件企業(yè)紛紛針對(duì)不同電驅(qū)動(dòng)車輛開發(fā)出了各種類型的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。依據(jù)不同的方法與標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行如下分類。

1.2.1 按回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)耦合關(guān)系劃分

按回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的耦合關(guān)系，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可分為疊加式(或并聯(lián)式)和協(xié)調(diào)式(或串聯(lián)式)兩種，如圖2所示。

疊加式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)是將電機(jī)回饋制動(dòng)力直接疊加在原有摩擦制動(dòng)力之上，不調(diào)節(jié)原有摩擦制動(dòng)力，實(shí)施方便，但回饋效率低，制動(dòng)感覺差［2］。

協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)則是優(yōu)先使用回饋制動(dòng)力，對(duì)液壓制動(dòng)力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，使兩種制動(dòng)力之和與總制動(dòng)需求協(xié)調(diào)一致，回饋效率較高，制動(dòng)感覺較好，但須對(duì)傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)施較為復(fù)雜［3］。

早期的電驅(qū)動(dòng)車輛大多采用疊加式回饋制動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，在回饋效率、制動(dòng)感覺和制動(dòng)安全等諸多方面具有巨大優(yōu)勢(shì)的協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng)逐漸成為了研發(fā)的主流。

1.2.2 按液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所依托的技術(shù)平臺(tái)劃分

對(duì)于疊加式回饋制動(dòng)，液壓制動(dòng)力無須調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng)，則應(yīng)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或改造。按照其液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所依托的技術(shù)平臺(tái)，協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可分為以下3類。

(1)基于EHB技術(shù)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng) 此類方案采用傳統(tǒng)車輛EHB電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

(2)基于ESP/ESC技術(shù)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)此類方案基于ESP/ESC技術(shù)平臺(tái)，利用標(biāo)準(zhǔn)化零部件，對(duì)制動(dòng)管路布置進(jìn)行相應(yīng)改造。

(3)基于新型主缸/助力技術(shù)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng) 此類方案根據(jù)協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng)的技術(shù)要求對(duì)制動(dòng)主缸和助力系統(tǒng)進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

1.2.3 按液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的布置方式劃分

按液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在制動(dòng)系中的布置方式，協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可分為以下3類。

(1)與主缸集成的方案 此類方案中，用于回饋控制的電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成在制動(dòng)主缸中。

(2)與液壓?jiǎn)卧傻姆桨?此類方案將液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)車輛用于穩(wěn)定性控制的液壓?jiǎn)卧M(jìn)行了集成化的設(shè)計(jì)。

(3)分散式布置的方案 此類方案中，壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)未進(jìn)行一體化的設(shè)計(jì)，而是分散地布置在制動(dòng)系統(tǒng)中。

1.2.4 按制動(dòng)踏板與制動(dòng)力機(jī)械耦合關(guān)系劃分

按照制動(dòng)踏板與制動(dòng)力的機(jī)械耦合關(guān)系，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可分為以下3類。

(1)踏板非解耦方案 此類方案制動(dòng)踏板與管路壓力機(jī)械連接，中間環(huán)節(jié)未設(shè)置用于回饋控制的液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

(2)踏板準(zhǔn)解耦方案 此類方案制動(dòng)踏板與輪缸壓力部分機(jī)械解耦或在部分工況下解耦。

(3)踏板解耦方案 此類方案制動(dòng)踏板與管路壓力完全解耦，屬“線控制動(dòng)”。

2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

基于經(jīng)濟(jì)性、舒適性、安全性和可靠性的技術(shù)要求，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在零部件、系統(tǒng)控制和評(píng)價(jià)方法等方面。

2.1 關(guān)鍵零部件

液壓控制系統(tǒng)是制動(dòng)能量回收系統(tǒng)關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其任務(wù)是對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行控制，保證駕駛員良好的制動(dòng)踏板感覺，確保整車制動(dòng)安全性。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件主要包括:(1)踏板模擬機(jī)構(gòu);(2)液壓供給單元;(3)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

2.2 系統(tǒng)控制

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制主要是指車輛在正常制動(dòng)以及緊急制動(dòng)工況下，回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制。

2.2.1 駕駛員制動(dòng)意圖與需求的解析

在車輛正常制動(dòng)的回饋控制中，通過制動(dòng)踏板信號(hào)獲取駕駛員操作踏板的行程與速率，解析其制動(dòng)意圖與需求，進(jìn)而對(duì)電制動(dòng)系統(tǒng)和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，完成整車制動(dòng)操作。

2.2.2 制動(dòng)力的分配

對(duì)于電驅(qū)動(dòng)車輛制動(dòng)力的分配，一方面考慮回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力之間的分配比例，盡可能提高能量回收效率;另一方面，由于受到法規(guī)的限制，汽車后軸也應(yīng)具有一定的制動(dòng)強(qiáng)度，因此還須考慮前/后制動(dòng)力的分配［4－5］。

2.2.3 與傳統(tǒng)底盤動(dòng)力學(xué)控制的協(xié)調(diào)

為避免電機(jī)回饋制動(dòng)的介入對(duì)整車制動(dòng)安全性和制動(dòng)平順性帶來影響，須對(duì)回饋制動(dòng)與傳統(tǒng)底盤動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)ABS/ESP進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

2.3 評(píng)價(jià)方法

2.3.1 對(duì)能量經(jīng)濟(jì)性的改善

目前，制動(dòng)能量回收對(duì)能量經(jīng)濟(jì)性改善的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有兩種:制動(dòng)能量回收效率和對(duì)續(xù)駛里程延長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率［6］。

為了考量減速制動(dòng)過程中，制動(dòng)能量系統(tǒng)回收動(dòng)能的能力大小，可采用制動(dòng)能量回收效率ηreg作為評(píng)價(jià)指標(biāo):

式中:Ereg為制動(dòng)過程中車輪處回收的能量;Erecoverable為制動(dòng)過程中可回收能量。

為了考量整車在行駛過程中，制動(dòng)能量回收對(duì)能量經(jīng)濟(jì)性的改善，可采用能量經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)率δ作為評(píng)價(jià)指標(biāo):

式中:Ereg_available為制動(dòng)過程中回收，后又用于驅(qū)動(dòng)車輪的能量;Edrive為車輪處在驅(qū)動(dòng)過程中克服滾阻、風(fēng)阻和加速阻力的總能量。

2.3.2 制動(dòng)舒適性

制動(dòng)能量回收過程中，回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的耦合與切換、液壓力的調(diào)節(jié)可能會(huì)對(duì)制動(dòng)平順性和制動(dòng)踏板感覺帶來一定影響。故須從制動(dòng)平順性以及制動(dòng)踏板感覺兩方面對(duì)電驅(qū)動(dòng)乘用車制動(dòng)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

制動(dòng)平順性由制動(dòng)過程車輛減速度變化的程度決定，可采用沖擊度j進(jìn)行評(píng)價(jià)［7］:

式中:a為汽車的縱向減速度;v為車速。

對(duì)于制動(dòng)踏板感覺，較多的是由駕駛員進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。部分學(xué)者也提出了一些評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)制動(dòng)踏板的平穩(wěn)性進(jìn)行量化評(píng)價(jià)［8］。

2.3.3 可靠性與耐久性

回饋制動(dòng)在正常的行車過程中需要頻繁工作，其系統(tǒng)的工作頻次遠(yuǎn)高于僅在緊急制動(dòng)工況起作用的ABS/ESP系統(tǒng)。因此，在可靠性與耐久性方面，須對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出更高的要求。根據(jù)系統(tǒng)工作頻次和強(qiáng)度，對(duì)電磁閥、蓄能器等關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以確保在整車壽命范圍內(nèi)系統(tǒng)的可靠性與耐久性。

2.3.4 制動(dòng)安全性

制動(dòng)安全性主要包括行車制動(dòng)安全與制動(dòng)能量回收系統(tǒng)失效保護(hù)兩個(gè)方面。

對(duì)于行車制動(dòng)安全，可通過回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制，以及回饋制動(dòng)與ABS/ESP等的協(xié)調(diào)控制予以保障。對(duì)于制動(dòng)能量回收系統(tǒng)失效，則存在電制動(dòng)系統(tǒng)失效與液壓制動(dòng)系統(tǒng)失效兩方面的安全隱患。對(duì)于前者，回饋制動(dòng)應(yīng)能被立即切斷，迅速啟動(dòng)機(jī)械式后備制動(dòng)系統(tǒng);而對(duì)于液壓制動(dòng)系統(tǒng)的失效，一方面須在控制系統(tǒng)硬件中設(shè)計(jì)故障診斷電路;另一方面，須在液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮失效保護(hù)模式，保證在部分管路失效的情況下，液壓制動(dòng)系統(tǒng)仍能部分發(fā)揮作用，確保車輛具有一定的制動(dòng)能力。

3 制動(dòng)能量回收技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

3.1 制動(dòng)能量回收液壓控制系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)展

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收由電制動(dòng)系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)共同完成。電制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼承于車輛的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已較為完備;而液壓控制系統(tǒng)則區(qū)別于傳統(tǒng)車輛的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，須進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)與開發(fā)。因此，液壓控制系統(tǒng)成為了制動(dòng)能量回收技術(shù)研發(fā)的核心。

基于協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng)系統(tǒng)提出的技術(shù)要求，各大汽車廠商及零部件企業(yè)紛紛推出了適用于不同類型電驅(qū)動(dòng)乘用車的具有能量回收功能的液壓控制系統(tǒng)。本文中按照其所依托的技術(shù)平臺(tái)，對(duì)部分典型的產(chǎn)品進(jìn)行分析與介紹。

3.1.1 基于EHB技術(shù)的液壓控制系統(tǒng)

在傳統(tǒng)車輛上得到應(yīng)用的電控液壓制動(dòng)EHB是一種線控制動(dòng)(brake-by-wire)系統(tǒng)［9－11］，由于其“踏板解耦”的特性恰好滿足協(xié)調(diào)式回饋制動(dòng)需求，因此被電驅(qū)動(dòng)乘用車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)廣泛采用。

豐田旗下愛德克斯公司基于此思路，開發(fā)了ECB電控制動(dòng)系統(tǒng)［12］，成功應(yīng)用于Prius混合動(dòng)力車型。如圖3所示，在最新一代的ECB系統(tǒng)中，電動(dòng)液壓泵和高壓蓄能器組成的高壓供給單元被設(shè)置在液壓?jiǎn)卧?，形成?dú)立單元;用于回饋控制的液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與ABS/VSC液壓控制單元進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)［13］。

本田公司伺服液壓制動(dòng)系統(tǒng)［14］、博世公司HAS-hev制動(dòng)能量回收系統(tǒng)［15］和天合公司SCB制動(dòng)系統(tǒng)［16－17］等解決方案也是基于EHB思路研制開發(fā)，并應(yīng)用于部分商業(yè)化的電驅(qū)動(dòng)乘用車。

3.1.2 基于ESP/ESC技術(shù)的液壓控制系統(tǒng)

如圖4所示，TRW公司開發(fā)的ESC-R回饋制動(dòng)系統(tǒng)在傳統(tǒng)X型管路布置ESC液壓控制單元的基礎(chǔ)上，增加了相關(guān)電磁閥和踏板模擬器［18］。博世公司也在第9代H型管路布置ESP的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)化零部件研制了ESP-hev系統(tǒng)［19］。

3.1.3 基于新型主缸/助力技術(shù)的液壓控制系統(tǒng)

日立公司開發(fā)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)智能制動(dòng)系統(tǒng)(ED-iB)已成功應(yīng)用于日產(chǎn)Leaf純電動(dòng)車型，如圖5所示。該系統(tǒng)使用無刷電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠直接驅(qū)動(dòng)主活塞在主缸中建立液壓力。而踏板與管路壓力未完全解耦。利用彈簧組的相對(duì)作用力，對(duì)踏板力進(jìn)行補(bǔ)償［20－22］。

現(xiàn)代公司和大陸公司也基于新型主缸/助力技術(shù)推出了相應(yīng)的解決方案［23－24］。國(guó)外具有代表性的乘用車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)產(chǎn)品如表1所示。

由于在傳統(tǒng)底盤動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)ESP/EHB電磁閥等關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與制造方面存在短板，國(guó)內(nèi)在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)方面與國(guó)外尚有差距。國(guó)內(nèi)各整車企業(yè)開發(fā)的電驅(qū)動(dòng)乘用車車型大多不改變傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，采用簡(jiǎn)單的疊加式制動(dòng)能量回收控制方式。清華大學(xué)在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面開展了深入的研究［25－28］，分別基于國(guó)外成熟的ESP技術(shù)以及國(guó)內(nèi)成熟的ABS技術(shù)體系，開發(fā)了兩種適用于電驅(qū)動(dòng)轎車的協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，并完成了實(shí)車道路試驗(yàn)與驗(yàn)證［6，29－30］。此外，吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)等相關(guān)科研院所也在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制方面開展了相關(guān)工作［31－33］。

表1 代表性的制動(dòng)能量回收液壓控制系統(tǒng)產(chǎn)品

3.2 制動(dòng)能量回收協(xié)調(diào)控制策略的研究進(jìn)展

3.2.1 正常制動(dòng)工況下的協(xié)調(diào)控制研究

在整車層面上，正常制動(dòng)工況下回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力協(xié)調(diào)控制策略的研究分為能量管理與動(dòng)態(tài)耦合兩個(gè)層面。

(1)能量管理層面

回饋制動(dòng)控制在能量管理層面的研究主要聚焦于制動(dòng)力分配策略。在保證制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，充分挖掘制動(dòng)能量回收潛力，以提高整車的能量經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［34］中針對(duì)制動(dòng)穩(wěn)定性和制動(dòng)能量回饋效率這兩個(gè)不同的優(yōu)化目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)了兩種制動(dòng)能量回收前后輪制動(dòng)力分配策略，如圖6所示。

德國(guó)大陸、日本本田等整車企業(yè)在實(shí)際應(yīng)用中采取較為簡(jiǎn)單的思路，對(duì)電機(jī)回饋制動(dòng)力與總摩擦制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，而始終保持前后軸液壓制動(dòng)力分配為一個(gè)固定比例［14，24］。

清華大學(xué)針對(duì)能量經(jīng)濟(jì)性、踏板感覺和制動(dòng)舒適性等不同優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了3種回饋制動(dòng)控制策略［6］。通過仿真分析與實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了最大回饋效率策略在踏板非解耦系統(tǒng)下應(yīng)用的不可行性;而所開發(fā)的良好踏板感覺策略以及綜合兼顧策略在保證制動(dòng)穩(wěn)定性與舒適性的前提下，可大幅提高整車能量經(jīng)濟(jì)性。

此外，韓國(guó)成均館大學(xué)、吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)等科研院所在此方面也開展了相關(guān)研究［35－39］。

(2)動(dòng)態(tài)耦合層面

在正常制動(dòng)過程中，電驅(qū)動(dòng)車輛存在著回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的動(dòng)態(tài)耦合，以及單一回饋制動(dòng)、單一摩擦制動(dòng)和復(fù)合制動(dòng)3種制動(dòng)狀態(tài)間的切換，如何確保上述動(dòng)態(tài)耦合和切換過程中整車的平穩(wěn)性，成為電驅(qū)動(dòng)乘用車制動(dòng)控制方面一項(xiàng)新的研究?jī)?nèi)容。

英國(guó)薩瑞大學(xué)和意大利巴里理工大學(xué)的學(xué)者研究了由彈性特性引起的電驅(qū)動(dòng)車輛半軸轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性［40］。結(jié)果表明，半軸的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性會(huì)對(duì)整車的縱向沖擊和操縱穩(wěn)定性帶來潛在影響。

德國(guó)ZF公司與戴姆勒克萊斯勒公司的研究人員對(duì)電驅(qū)動(dòng)車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，指出軸系的彈性以及齒輪副的運(yùn)動(dòng)將會(huì)引起轉(zhuǎn)矩震蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)的振動(dòng)與機(jī)械應(yīng)力［41］。

清華大學(xué)通過對(duì)電驅(qū)動(dòng)車輛在行駛過程中沖擊度產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)典型制動(dòng)工況下制動(dòng)狀態(tài)切換過程車輛的沖擊度進(jìn)行了試驗(yàn)研究［6－7］。

綜上所述，正常制動(dòng)工況下回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)協(xié)調(diào)控制的研究?jī)?nèi)容目前集中在能量管理層面，以提高整車能量經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo);對(duì)制動(dòng)力動(dòng)態(tài)耦合方面的研究較為欠缺。

3.2.2 緊急制動(dòng)工況下的協(xié)調(diào)控制研究

在緊急制動(dòng)工況下，電驅(qū)動(dòng)車輛回饋制動(dòng)的介入可能會(huì)給傳統(tǒng)成熟的ABS控制帶來一定影響;另一方面，電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且準(zhǔn)確可控，在緊急制動(dòng)工況下由回饋制動(dòng)獨(dú)立工作或與摩擦制動(dòng)協(xié)調(diào)工作，可改善動(dòng)力學(xué)控制效果。因此，深入研究防抱死制動(dòng)過程回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制方法具有重要意義。

目前在防抱死制動(dòng)過程中回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)協(xié)調(diào)控制的研究主要有以下3種思路。

(1)回饋制動(dòng)撤出

這種思路是在ABS工作期間，回饋制動(dòng)力以某種方式撤出，由摩擦制動(dòng)獨(dú)立完成ABS控制，避免回饋制動(dòng)對(duì)原有ABS正常工作產(chǎn)生影響。

美國(guó)通用公司、德國(guó)大陸公司等在各自開發(fā)的多款混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)中采用ABS，一旦觸發(fā)立刻撤出回饋制動(dòng)的方案［42，24］。福特公司的方案是在防抱死制動(dòng)的初期將回饋轉(zhuǎn)矩保持一段時(shí)間，隨后以一個(gè)固定的速率減小回饋轉(zhuǎn)矩［43］。日本愛得克斯公司則進(jìn)一步提出了在ABS過程中施加不使車輪抱死的最大回饋制動(dòng)力的控制方式［44］，如圖7 所示。

(2)回饋制動(dòng)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)ABS

這種研究思路是由回饋制動(dòng)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)ABS，發(fā)揮電機(jī)制動(dòng)力響應(yīng)快、準(zhǔn)確可控的優(yōu)點(diǎn)。

東京大學(xué)、伊斯坦布爾大學(xué)、臺(tái)北科技大學(xué)等研究院所對(duì)這種思路開展了相關(guān)研究［45－47］。結(jié)果表明這種控制方式確實(shí)可以利用電機(jī)響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，改善控制效果，然而對(duì)于不同電驅(qū)動(dòng)等級(jí)的車輛，這種控制方式并不完全適用。電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩范圍不能完全滿足制動(dòng)總需求，在大部分的制動(dòng)過程中，總是需要摩擦制動(dòng)系統(tǒng)起作用。因此該種控制方式目前只停留在仿真中，未見實(shí)車驗(yàn)證與應(yīng)用。

(3)回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)共同實(shí)現(xiàn)ABS控制

第3種研究思路是由回饋制動(dòng)和摩擦制動(dòng)共同實(shí)現(xiàn)ABS控制。

文獻(xiàn)［48］中提出了一種稱作Hybrid-ABS的回饋制動(dòng)與液壓制動(dòng)混合防抱死控制方法，由回饋制動(dòng)力負(fù)責(zé)制動(dòng)需求中的高頻部分，由液壓制動(dòng)力負(fù)責(zé)制動(dòng)需求中的低頻部分。綜合采用PQ-method、基于濾波器的頻帶選擇方法和模型跟隨控制法，來控制兩種制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)ABS功能。

清華大學(xué)基于這種思路，提出了兩種控制策略。一種是在傳統(tǒng)的ABS控制基礎(chǔ)上，加入對(duì)回饋制動(dòng)力的一體化控制策略［27］;另一種是以最佳滑移率為目標(biāo)的優(yōu)化補(bǔ)償控制策略，通過最優(yōu)控制方法確定車輪最優(yōu)制動(dòng)力矩，利用邏輯門限值法控制摩擦制動(dòng)力，用電機(jī)力矩補(bǔ)償最優(yōu)制動(dòng)力矩與摩擦制動(dòng)力矩之間的差值［28］。

此外，俄亥俄州立大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位的學(xué)者也基于這種思路開展了相關(guān)研究，采用邏輯門限值控制、模糊控制等方式，探索了兩種制動(dòng)力共同實(shí)現(xiàn)ABS的新型控制模式［49－51］。

綜上所述，對(duì)于緊急制動(dòng)過程中回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制策略，整車及零部件企業(yè)的思路較為保守，保持傳統(tǒng)成熟的ABS控制方法，最大限度地保證車輛的制動(dòng)安全性與可靠性，回饋制動(dòng)對(duì)控制效果改善潛力沒有得到利用。而科研院所的思路則較為靈活，從現(xiàn)代控制理論的角度探索兩種制動(dòng)力的耦合方式，盡可能挖掘回饋制動(dòng)對(duì)動(dòng)力學(xué)控制效果改善的潛力，但控制方法尚未經(jīng)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際應(yīng)用存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

4 總結(jié)與展望

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可應(yīng)用于包括混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車在內(nèi)的電驅(qū)動(dòng)乘用車，能夠大幅提高整車能量經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也是整車制動(dòng)安全性、制動(dòng)舒適性的重要影響因素，因此成為了電驅(qū)動(dòng)乘用車一項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)和一種具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的零部件產(chǎn)品。

國(guó)外整車與零部件廠商基于傳統(tǒng)底盤動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)EHB、ESP以及新型主缸/助力技術(shù)等不同體系，紛紛推出了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，并應(yīng)用于商業(yè)化電驅(qū)動(dòng)車型上。隨著電驅(qū)動(dòng)車輛技術(shù)的日趨成熟，國(guó)外的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)已從技術(shù)積累階段逐漸進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。而未來的制動(dòng)能量回收技術(shù)的發(fā)展將在性能、成本、可靠性、安全性等各方面對(duì)系統(tǒng)提出更高的要求。

國(guó)內(nèi)在制動(dòng)能量回收技術(shù)的研發(fā)方面也取得了一些進(jìn)展，但由于在關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與制造方面存在的差距，國(guó)內(nèi)各整車企業(yè)開發(fā)的電驅(qū)動(dòng)車型目前大多采用較為簡(jiǎn)單的疊加式回饋制動(dòng)系統(tǒng)。清華大學(xué)、吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)等科研院所在協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制方面開展了較深入的研究，通過產(chǎn)學(xué)研合作，在協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研發(fā)方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

作為電驅(qū)動(dòng)車輛的共性關(guān)鍵零部件，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在我國(guó)的推廣應(yīng)用與研發(fā)，建議采取循序漸進(jìn)的方式。在電動(dòng)汽車前期的推廣應(yīng)用階段，立足于疊加式回饋制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)須結(jié)合國(guó)內(nèi)的技術(shù)基礎(chǔ)，進(jìn)行協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)工作。圍繞系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造、協(xié)調(diào)控制方法、整車集成調(diào)試等關(guān)鍵點(diǎn)，集中進(jìn)行性能、可靠性、耐久性和成本等4方面的綜合優(yōu)化。隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，開發(fā)出滿足整車需求的產(chǎn)品，形成與國(guó)外同類水平相抗衡的能力。

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