电动汽车制动能量回收系统
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国际2016汽车底盘性能开发系列会议
汽车转向与制动系统创新开发技术论坛
电动汽车制动能量回收系统
张俊智 教授
清华大学 2016-10-20
1
主要内容
1. 制动能量回收研究背景及现状
2. 制动能量回收系统研发进展
3. 制动能量回收系统测试评价方法
4. 总结与展望
研究背景
汽车城区运行时加减速频繁，制动耗散能量占总驱动能量 的40~50%。
电机调节主缸压力
踏板感觉
制动力调节 优势 目标车型
驱动轮制动管路与踏板解耦
基于ESP9.0 成本、性能 HEV和小型EV
踏板行程模拟器
电磁阀组
无需真空助力 强混合动力和EV
摩擦制动控制系统研发进展
电控真空助力液压制动系统
制动动力源：主动式真空助力器 踏板力：行程模拟器提供
8
制动压力调节：只能调节主缸压力，需依靠额外的ESC实 现轮缸压力的独立调节中真空度
13
EHB
开关阀、选择阀 解耦 电磁阀 准解耦 电磁阀 准解耦
iBooster
EDiB 新型 助力 电控真空 主缸 制动系统 技术 MK C1 Smart Booster
德国博世
日本日立 德国大陆 德国大陆
直流无刷电机+ 二级齿轮装置 直流电机 滚珠丝杠
电控真空助力 器 电机
电磁阀
电机 电磁阀 电磁阀
早期多采用叠加式，目前协调式逐渐成主流。
研究背景
• 摩擦制动控制系统是能量回收系统关键的执行 机构，需要实现三个重要功能：
(1)摩擦制动力供给
(2)制动踏板感觉模拟 (3)摩擦制动压力调节
5
摩擦制动控制系统研发进展
第一代 第二代 第三代 第四代
6
系统
制动 动力源 踏板 感觉 制动力 调节 性能
液压制动助力 高压蓄能器
MK C1
制动执行模块、制动助力器模块以及制动压力控制模块 （ABS、ESC）高度集成 制动动力源：高性能电机驱动主缸活塞产生主缸压力 踏板力：集成在执行模块中的弹簧/缓冲器单元提供 制动压力调节：已集成ESC模块
取消真空泵和ESC的多活塞液压泵，消除了主要噪声源。 可满足自动驾驶车辆的制动需求
摩擦制动控制系统研发进展
9
电机驱动智能制动系统EDiB（Electric Driven Intelligent Brake）
通过无刷电机和滚珠丝杠建立主缸压力
利用弹簧组相对作用力补偿踏板力
需依靠额外ESP调节液压制动力
Nissan Leaf
摩擦制动控制系统研发进展
10
ESC-R回馈制动系统
11
Smart Booster
基于传统ESC控制系统，增加相应电 磁阀，同时对储油罐进行重新设计 系统与传统汽车制动系统组成基本 相同，成本得到有效控制
通过直流电机以及相应传动系统控制 主缸压力 踏板行程模拟器提供全行程制动感觉
摩擦制动控制系统研发进展
12
Servo Brake
高压蓄能器提供制动动力源 行程模拟器提供踏板力 开关阀组调节液压制动力
制动能量回收是决定电动汽车能效水平的关键
研究背景
电机回馈制动力与原有摩擦制动力如何协调是关键！
叠加式
制动力
4
协调式
制动力
动 制 力
馈 回
摩擦 制动力 回馈制动力
摩擦制动力
0
制动行程
0
wenku.baidu.com制动行程
回馈制动力直接叠加在摩擦制动力上， 对摩擦制动系统改动较小； 能量回收效率低 制动感觉差
优先使用回馈制动力，对摩擦制动力 进行相应调节，需改造摩擦制动系统 能量回收效率高 制动感觉好
Power Supply 建压单元
Active Hydraulic Booster 集成了踏板模拟器、 主缸、制动压力调节器
摩擦制动控制系统研发进展
ESP hev
系统
7
HAS hev
iBooster hev
制动动力源
踏板力+真空助力器
液压助力系统+高压蓄能器
直流无刷电机+ 二级齿轮装置 电机补偿踏板力度
2
传统摩擦制动
滚动 阻力 35%
空气 阻力 12%
动能
热能
制动 53%
数据来源：德国亚琛工业大学
制动能量回收节能潜力巨大
研究背景
制动时，电动汽车拖动电机发电，将上述耗散能量回收至 蓄电池，用于驱动车辆运行，同时对驱动轮产生制动力矩。
3
电机回馈制动
制动能量回收一般可延长电动 汽车续驶里程15~20% 。 动能 电能
行程模拟器 电磁阀组
电控制动系统（ECB） 电控制动系统（ECB） 电控制动系统（ECB） 高压蓄能器
行程模拟器 电磁阀组
高压蓄能器
行程模拟器 电磁阀组
高压蓄能器
行程模拟器 电磁阀组
液压响应更快，制动感 三通道ABS、RBS和液 线性电磁阀，改善了控 减少线性阀降低成本， 觉更平滑，能量回收范 压制动协调效果不佳， 制效果，但存在成本高、 同时改善小型化、轻量 围更大。 停车间隙制动力急剧增 体积大等缺点。 化。 未整合ABS/ESC系统， 大，产生异样感。 通用性更强。
基于ESC液压单元 独立的踏板模拟器 电磁阀组调节制动压力
移滑控制助力系统SCB (Slip Control Boost)
液压制动助力器和高压蓄能器 带双腔主缸的踏板模拟器 类似EHB思路
Volt
Ford Escape
摩擦制动控制系统研发进展
万都长期与现代公司合作，对传统液压 控制系统进行改造，实现能量回收功能。
解耦
准解耦 解耦 解耦
否
否 否 是
e － Up!、e －Golf 、下 一代特斯拉、BYD e6
日产Leaf 奔驰S600 Hybrid 阿尔法·罗密欧Giulia
韩国现代
直流电机
电机
准解耦
否
—
国外整车与零部件企业液压回馈系统方案
Civic Hybrid
摩擦制动控制系统研发进展
技术 平台 系统名称 ECB SCB Servo Brake HAS-hev ESC-R ESP ESP-hev 厂商 日本丰田 爱德克斯 美国天合 日本本田 德国博世 美国天合 德国博世 多柱塞泵 电动液压泵 电动液压泵 高压蓄能器 液压供给单元 压力调节机构 开关阀、比例阀 开关阀、选择阀 开关阀、 机械式伺服阀 踏板 解耦 解耦 解耦 解耦 前后制动力 独立可调 是 是 否 是 否 应用车型 丰田 Prius 凯美瑞 Hybrid 福特Fushion Hybrid 福特Escape Hybrid 通用 Volt 本田 Insight 本田Civic Hybrid — — 奔驰S400 Hybrid
汽车转向与制动系统创新开发技术论坛
电动汽车制动能量回收系统
张俊智 教授
清华大学 2016-10-20
1
主要内容
1. 制动能量回收研究背景及现状
2. 制动能量回收系统研发进展
3. 制动能量回收系统测试评价方法
4. 总结与展望
研究背景
汽车城区运行时加减速频繁，制动耗散能量占总驱动能量 的40~50%。
电机调节主缸压力
踏板感觉
制动力调节 优势 目标车型
驱动轮制动管路与踏板解耦
基于ESP9.0 成本、性能 HEV和小型EV
踏板行程模拟器
电磁阀组
无需真空助力 强混合动力和EV
摩擦制动控制系统研发进展
电控真空助力液压制动系统
制动动力源：主动式真空助力器 踏板力：行程模拟器提供
8
制动压力调节：只能调节主缸压力，需依靠额外的ESC实 现轮缸压力的独立调节中真空度
13
EHB
开关阀、选择阀 解耦 电磁阀 准解耦 电磁阀 准解耦
iBooster
EDiB 新型 助力 电控真空 主缸 制动系统 技术 MK C1 Smart Booster
德国博世
日本日立 德国大陆 德国大陆
直流无刷电机+ 二级齿轮装置 直流电机 滚珠丝杠
电控真空助力 器 电机
电磁阀
电机 电磁阀 电磁阀
早期多采用叠加式，目前协调式逐渐成主流。
研究背景
• 摩擦制动控制系统是能量回收系统关键的执行 机构，需要实现三个重要功能：
(1)摩擦制动力供给
(2)制动踏板感觉模拟 (3)摩擦制动压力调节
5
摩擦制动控制系统研发进展
第一代 第二代 第三代 第四代
6
系统
制动 动力源 踏板 感觉 制动力 调节 性能
液压制动助力 高压蓄能器
MK C1
制动执行模块、制动助力器模块以及制动压力控制模块 （ABS、ESC）高度集成 制动动力源：高性能电机驱动主缸活塞产生主缸压力 踏板力：集成在执行模块中的弹簧/缓冲器单元提供 制动压力调节：已集成ESC模块
取消真空泵和ESC的多活塞液压泵，消除了主要噪声源。 可满足自动驾驶车辆的制动需求
摩擦制动控制系统研发进展
9
电机驱动智能制动系统EDiB（Electric Driven Intelligent Brake）
通过无刷电机和滚珠丝杠建立主缸压力
利用弹簧组相对作用力补偿踏板力
需依靠额外ESP调节液压制动力
Nissan Leaf
摩擦制动控制系统研发进展
10
ESC-R回馈制动系统
11
Smart Booster
基于传统ESC控制系统，增加相应电 磁阀，同时对储油罐进行重新设计 系统与传统汽车制动系统组成基本 相同，成本得到有效控制
通过直流电机以及相应传动系统控制 主缸压力 踏板行程模拟器提供全行程制动感觉
摩擦制动控制系统研发进展
12
Servo Brake
高压蓄能器提供制动动力源 行程模拟器提供踏板力 开关阀组调节液压制动力
制动能量回收是决定电动汽车能效水平的关键
研究背景
电机回馈制动力与原有摩擦制动力如何协调是关键！
叠加式
制动力
4
协调式
制动力
动 制 力
馈 回
摩擦 制动力 回馈制动力
摩擦制动力
0
制动行程
0
wenku.baidu.com制动行程
回馈制动力直接叠加在摩擦制动力上， 对摩擦制动系统改动较小； 能量回收效率低 制动感觉差
优先使用回馈制动力，对摩擦制动力 进行相应调节，需改造摩擦制动系统 能量回收效率高 制动感觉好
Power Supply 建压单元
Active Hydraulic Booster 集成了踏板模拟器、 主缸、制动压力调节器
摩擦制动控制系统研发进展
ESP hev
系统
7
HAS hev
iBooster hev
制动动力源
踏板力+真空助力器
液压助力系统+高压蓄能器
直流无刷电机+ 二级齿轮装置 电机补偿踏板力度
2
传统摩擦制动
滚动 阻力 35%
空气 阻力 12%
动能
热能
制动 53%
数据来源：德国亚琛工业大学
制动能量回收节能潜力巨大
研究背景
制动时，电动汽车拖动电机发电，将上述耗散能量回收至 蓄电池，用于驱动车辆运行，同时对驱动轮产生制动力矩。
3
电机回馈制动
制动能量回收一般可延长电动 汽车续驶里程15~20% 。 动能 电能
行程模拟器 电磁阀组
电控制动系统（ECB） 电控制动系统（ECB） 电控制动系统（ECB） 高压蓄能器
行程模拟器 电磁阀组
高压蓄能器
行程模拟器 电磁阀组
高压蓄能器
行程模拟器 电磁阀组
液压响应更快，制动感 三通道ABS、RBS和液 线性电磁阀，改善了控 减少线性阀降低成本， 觉更平滑，能量回收范 压制动协调效果不佳， 制效果，但存在成本高、 同时改善小型化、轻量 围更大。 停车间隙制动力急剧增 体积大等缺点。 化。 未整合ABS/ESC系统， 大，产生异样感。 通用性更强。
基于ESC液压单元 独立的踏板模拟器 电磁阀组调节制动压力
移滑控制助力系统SCB (Slip Control Boost)
液压制动助力器和高压蓄能器 带双腔主缸的踏板模拟器 类似EHB思路
Volt
Ford Escape
摩擦制动控制系统研发进展
万都长期与现代公司合作，对传统液压 控制系统进行改造，实现能量回收功能。
解耦
准解耦 解耦 解耦
否
否 否 是
e － Up!、e －Golf 、下 一代特斯拉、BYD e6
日产Leaf 奔驰S600 Hybrid 阿尔法·罗密欧Giulia
韩国现代
直流电机
电机
准解耦
否
—
国外整车与零部件企业液压回馈系统方案
Civic Hybrid
摩擦制动控制系统研发进展
技术 平台 系统名称 ECB SCB Servo Brake HAS-hev ESC-R ESP ESP-hev 厂商 日本丰田 爱德克斯 美国天合 日本本田 德国博世 美国天合 德国博世 多柱塞泵 电动液压泵 电动液压泵 高压蓄能器 液压供给单元 压力调节机构 开关阀、比例阀 开关阀、选择阀 开关阀、 机械式伺服阀 踏板 解耦 解耦 解耦 解耦 前后制动力 独立可调 是 是 否 是 否 应用车型 丰田 Prius 凯美瑞 Hybrid 福特Fushion Hybrid 福特Escape Hybrid 通用 Volt 本田 Insight 本田Civic Hybrid — — 奔驰S400 Hybrid