1.2 制動能量回收系統(tǒng)的基本原理

制動能量回收系統(tǒng)是由傳統(tǒng)制動系統(tǒng)發(fā)展而來的，二者的首要功能均為確保行駛中的汽車按照駕駛員的要求進行強制減速甚至停車。因此，在認(rèn)識制動能量回收系統(tǒng)前，首先要理解傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的工作原理。

圖1.2所示為傳統(tǒng)液壓盤式制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。傳統(tǒng)制動系統(tǒng)包含制動踏板、真空助力器、制動主缸、儲液罐、液壓調(diào)節(jié)單元和制動器，制動器又包含制動盤、活塞、摩擦片等部件。

當(dāng)駕駛員踩下制動踏板后，真空助力器將制動踏板的輸入力放大，推動主缸活塞運動，主缸活塞壓縮來自儲液罐的制動液，制動液經(jīng)過液壓調(diào)節(jié)單元流入四個車輪的制動器中，并推動制動器活塞和摩擦片運動，最終由制動器摩擦片與旋轉(zhuǎn)的制動盤接觸，通過摩擦片與制動盤之間的相互摩擦來阻止車輪的旋轉(zhuǎn)運動，并將汽車的動能轉(zhuǎn)化為摩擦副的熱能耗散在大氣中[4]。

根據(jù)液壓管路的布置形式，傳統(tǒng)汽車制動系統(tǒng)主要有一軸對一軸型（簡稱II型）和交叉型（簡稱X型）兩種。如圖1.3所示，II型制動的主缸前出液口與前軸兩側(cè)制動器以液壓管路相連，主缸后出液口與后軸兩側(cè)制動器相連。這種布置形式最為簡單，且制動穩(wěn)定好；其缺點是當(dāng)一套液壓管路失效時，汽車有一軸完全喪失制動力，由于前后軸制動力并非按等比例分配，因此一軸失效后的制動效能將明顯大于或小于常規(guī)狀態(tài)的50%。X型布置則將前后軸對角線方向上的兩個制動器共用一套液壓管路，在任何一套管路失效時，剩余的總制動力都能保持在常規(guī)狀態(tài)的50%，且前后軸的制動力分配比值保持不變，保證了制動時與整車負(fù)荷的適應(yīng)性。然而這種型式，在一套管路失效后，前后軸產(chǎn)生的制動力并不對稱，導(dǎo)致前輪向制動起作用車輪的一側(cè)繞主銷轉(zhuǎn)動，容易使汽車失去方向穩(wěn)定性。

綜上所述，傳統(tǒng)制動系統(tǒng)不論結(jié)構(gòu)和管路布置形式如何，制動力均來自液壓制動系統(tǒng)。相比之下，新能源汽車制動能量回收系統(tǒng)的制動力不僅來自液壓制動系統(tǒng)，還來自再生制動系統(tǒng)，即制動能量回收系統(tǒng)由液壓制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)兩部分組成[5-6]。

圖1.4所示為制動能量回收系統(tǒng)的工作原理。整車制動時，在液壓制動系統(tǒng)向車輪提供制動力矩的同時，驅(qū)動電機進入發(fā)電狀態(tài)，也向車輪提供制動力矩，將汽車制動過程中損失在摩擦制動器上的一部分熱能，通過電機的發(fā)電作用轉(zhuǎn)換為電能向動力蓄電池充電。這種由驅(qū)動電機作為發(fā)電機向車輪提供制動力的模式又稱為電機再生制動。然而電機參與制動會對整車的其他性能產(chǎn)生影響，比如影響前后軸制動力的分配關(guān)系、制動強度的一致性、制動踏板感覺、制動防抱死功能等，因此，新能源汽車制動能量回收系統(tǒng)就是要在盡可能多地回收制動能量的同時保證整車的其他性能[7-8]。

新能源汽車制動能量回收系統(tǒng)基本可分為兩類：一類是并聯(lián)系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)簡單，在保持傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上，疊加電機再生制動，兩種制動互不影響；另一類是串聯(lián)系統(tǒng)，串聯(lián)系統(tǒng)通過獨立調(diào)節(jié)前后輪的液壓制動力，使得液壓制動力和電機制動力根據(jù)總制動需求協(xié)調(diào)輸出，保證制動效能。下面以驅(qū)動電機前置前軸驅(qū)動車型為例，分別對并聯(lián)和串聯(lián)兩種制動能量回收系統(tǒng)進行分析介紹。

并聯(lián)系統(tǒng)的典型硬件構(gòu)型如圖1.5所示。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板到某個開度時，液壓制動系統(tǒng)工作，使前后軸產(chǎn)生液壓制動力；同時踏板位移傳感器將踏板開度信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入控制器，控制器中的制動能量回收模塊依據(jù)踏板開度信號確定電機制動力，并向電機發(fā)出指令產(chǎn)生相應(yīng)制動力，回收一部分制動能量并轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力蓄電池中。任一時刻電機回收制動能量的多少由該時刻電機制動功率決定，電機制動功率越大，意味著電機回收的制動能量越多。這種系統(tǒng)相當(dāng)于液壓制動和電機再生制動并聯(lián)工作，因此稱為并聯(lián)系統(tǒng)。

并聯(lián)系統(tǒng)在能量回收時，液壓制動與電機制動是相互獨立的，即在原始液壓制動的基礎(chǔ)上疊加電機再生制動。由于電機回收能力時刻在變化，即使踏板開度相同，汽車的制動減速度也可能發(fā)生變化。基于上述原因，并聯(lián)系統(tǒng)的電機制動力不宜設(shè)置得過大，過大會導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)不能充分發(fā)揮電機的制動能力，導(dǎo)致回收的制動能量極為有限，這部分內(nèi)容在本書第5章還會有詳細分析。

為了保證駕駛員的制動感覺及駕駛舒適性，同時盡量發(fā)揮電機的再生制動能力，需要在駕駛員踩下制動踏板到某個開度時，讓前軸電機首先提供其最大再生制動力，不足部分由液壓制動力補償。

為了實現(xiàn)上述功能，本書在第2章給出了五種硬件構(gòu)型方案。以其中一種單軸解耦構(gòu)型為例，其需要在傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)的主缸前腔與液壓調(diào)節(jié)單元之間增設(shè)踏板感覺模擬器，工作原理如圖1.6所示。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板推動制動主缸活塞時，主缸后腔仍直接將制動液輸入后軸輪缸，但主缸前腔輸入到前軸輪缸的制動液量需要根據(jù)此刻前軸的需求制動力進行調(diào)節(jié)。當(dāng)前軸需求制動力可全部由電機再生制動力提供時，前軸制動輪缸不需要制動液，此時該構(gòu)型通過踏板感覺模擬器切斷主缸前腔與前軸輪缸間的液壓回路，前軸輪缸與主缸實現(xiàn)解耦，制動踏板力推動主缸前腔所排出的制動液全部流入踏板感覺模擬器；當(dāng)前軸電機再生制動力無法滿足全部前軸制動力需求時，需要進行液壓制動力補償，此時主缸前腔將所需補償?shù)闹苿右和ㄟ^液壓調(diào)節(jié)單元輸入到前軸制動輪缸，而其余部分仍然流入踏板感覺模擬器。踏板感覺模擬器的作用就是在制動時容納主缸前腔排出的制動液，同時在常規(guī)制動過程中模擬駕駛員的踏板感覺。

這種能獨立調(diào)節(jié)前后輪液壓制動力，使液壓制動力和電機制動力根據(jù)總制動需求協(xié)調(diào)輸出，并且能回收更多制動能量的制動能量回收系統(tǒng)即為串聯(lián)系統(tǒng)。

串聯(lián)系統(tǒng)的硬件構(gòu)型如圖1.7所示。駕駛員踩下制動踏板到某個開度，液壓制動系統(tǒng)工作，使后軸產(chǎn)生液壓制動力，同時踏板位移傳感器將踏板開度信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入控制器，控制器根據(jù)輸入開度信號獲得前軸制動需求，計算出此時前軸電機所能提供的制動力以及液壓制動系統(tǒng)所需補償?shù)闹苿恿Γ⑾螂姍C與液壓制動系統(tǒng)發(fā)出指令，控制電機和液壓制動系統(tǒng)產(chǎn)生所需制動力。

串聯(lián)制動能量回收系統(tǒng)可實現(xiàn)電機與液壓制動力的協(xié)調(diào)控制，可以在保證駕駛員制動感覺及駕駛舒適性的前提下，充分發(fā)揮電機的制動能力，提高能量回收效果。此外，對于采用不同的硬件實現(xiàn)形式以及控制算法的串聯(lián)系統(tǒng)，能量回收效果也不盡相同，這部分內(nèi)容會在后面章節(jié)進行詳細分析。