現代汽車電子技術

題目：電動助力轉向系

統

摘要

本文從全球環境污染和能源短缺等嚴峻問題闡述了發展電動汽

車的重要性和必要性，著重分析概括了電動汽車制動能量回收系統

的研究現狀

關鍵字電動汽車制動能量回收系統

1引言

目前，普通燃油汽車在國內外仍占據絕大部分汽車市場。汽車發

動機燃燒燃料產生動力的同時排放出大量尾氣，其成分主要有二氧

化碳（C02）,一氧化碳（CO），氮氧化合物（NOX）和碳氫化合物（HC）,

還有一些鉛塵和煙塵等固體細微顆粒物，雖然現代汽車技術已經使

汽車尾氣排放降到很低，但由于汽車保有量持續高速增加，汽車排放

的尾氣還是會對人類的生存環境造成很嚴重的影響，例如近年來不

斷加劇的溫室效應，光化學煙霧，城市霧霾等大氣污染現象。

內燃機汽車消耗的能源主要來自石油，石油屬于不可再生資源,

目前全球已探明的石油總量為12000.7億桶，按現在的開采速度將只

夠開采40.6年左右，即使會不斷發現新的油田，但總會有消耗的一

天。全球交通領域的石油消耗占石油總消耗的57%,由于汽車的保有

量持續快速增長（主要來自發展中國家），到2020年預計這一比例

將達到62%以上，2010年我國的石油對外依存度已達到53.8%,到

2030年預計這一比例將達到80%以上，可見石油資源的短缺將會直

接影響我國的能源安全，經濟安全和國家安全，不利于我國長期可持

續的發展，因此探索石油以外的汽車動力能源是21世紀迫切需要解

決的問題。

電動汽車具有無污染，已啟動，低噪聲，易操縱等優點，相關的

技術研究已趨成熟，是公認的未來汽車的主流。自1997年10底豐田

推出混合動力車型Prius以來，電動汽車越來越受市場的歡迎，近年

來不少國內外汽車生廠商已向市場推出不少種類的電動汽車，在混

合動力汽車領域，日本的豐田和本田不管從技術研發還是在市場銷

售，宣傳等方面已經走在世界的前列，推出了諸如Pius,Insight,Fit,

Civic等量產化混合動力車型，其他國外汽車制造商在本田和豐田之

后也相繼推出相應的車型，例如寶馬3系,5系,7系,8系都推出了相

應的混合動力車型，大眾途銳的混合動力版，特斯拉推出的MODELS

純電動車，國內汽車生產商比亞迪在電動汽車領域已經走在前列，相

繼推出包含“秦”在內的許多種混合動力車型。

制動能量回收系統是現代電動汽車和混合動力車重要技術之一,

也是其一個重要特點。其工作原理如圖1所示，在一般的內燃機汽車

上，當車輛減速、制動時，車輛的運動能量通過制動系統而轉變為熱

能，并向大氣中釋放。而在電動汽車與混合動力車上，這種被浪費掉

的部分運動能量已可通過制動能量回收技術轉變為電能并儲存于蓄

電池等儲能裝置中，有效地利用了車輛制動時的動能，可以顯著的改

善車輛的燃油經濟性及車輛的制動性，提高能量的利用效率，增加電

動汽車的行駛里程。

再

生

制

動動能回饋電網

制動輪（軸）能常轉換能

量能量保存

圖1制動能量回收原理

2電動汽車制動能量回收系統研究現狀

2.1制動能量回收系統的組成與分類

2.1.1制動能量回收系統的組成

由于電動機產生的再生制動力矩通常達不到傳動燃油車中的制

動系統產生的制動性能，所以在電動汽車中，制動能量回收系統包括

液壓制動和再生制動兩個子系統，同時涉及到整車控制器、變速器、

差速器和車輪等相關部件，如圖2所示。電制動系統包含驅動電機及

其控制器、動力電池和電池管理系統電機控制器用于控制驅動電機工

作于發電狀態，施加回饋制動力;電池管理系統控制電能回收于電池；

液壓控制系統包括液壓制動執行機構和制動控制器(BCU),用于控制摩

擦制動力的建立與調節。

CANH

CANL

電池管理電機控制

系統BMS器MCU

變速器

圖2制動能量回收系統的組成

2.1.2制動能量回收系統的分類

按回饋制動力與摩擦制動力的耦合關系，制動能量回收系統可分

為疊加式（或并聯式）和協調式（或串聯式）兩種，如圖3所示。

踏板行程踏板行程

⑶疊加式（b）協調式

圖3疊加式與協調式制動能量回收系統

疊加式制動能量回收系統是將電機回饋制動力直接疊加在原有

摩擦制動力之上，不調節原有摩擦制動力，實施方便,但回饋效率低，制

動感覺差。協調式制動能量回收系統則是優先使用回饋制動力，對液

壓制動力進行相應調節,使兩種制動力之和與總制動需求協調一致，回

饋效率較高，制動感覺較好,但須對傳統液壓制動系統進行改造，實施

較為復雜。早期的電驅動車輛大多采用疊加式回饋制動。隨著技術的

發展,在回饋效率、制動感覺和制動安全等諸多方面具有巨大優勢的

協調式回饋制動逐漸成為了研發的主流。

對于疊加式回饋制動，液壓制動力無須調節,傳統液壓制動系統即

可實現。而對于協調式回饋制動,則應對液壓系統進行重新設計或改

造。按照其液壓調節機構所依托的技術平臺，協調式制動能量回收系

統又可分為以下3類。

(1)基于EHB技術(電子液壓制動系統)的制動能量回收系統

此類方案采用傳統車輛EHB電控液壓制動系統作為協調式回饋制動

的執行機構。

(2)基于ESP/ESC技術的制動能量回收系統此類方案基于

ESP/ESC技術平臺，利用標準化零部件，對制動管路布置進行相應改

造。

⑶基于新型主缸/助力技術的制動能量回收系統此類方案根

據協調式回饋制動的技術要求對制動主缸和助力系統進行重新的設

計與開發。

裝備協調式能量回收系統的車輛制動時，在保證制動安全的

條件下優先采用電機回饋制動力，當回饋制動力不能滿足制

動需求時再施加液壓制動力。在施加電機回饋制動力時要考

慮電機的外特性、電池狀態和制動穩定性等，因此在制動過

程中電機回饋制動力總是在變化的，這就要求能夠準確快速

地調節液壓制動力以使得總制動力與駕駛員需求相符。因此

傳統車的液壓制動系統不滿足制動能量回收技術的要求，需

要加以改造或重新設計新的液壓制動系統。除了需要設計能

夠靈活調節液壓制動力的液壓制動系統之外，還需設計合適

的控制策略，主要包括回饋制動力與液壓制動力的分配以及

前后輪制動力的分配，控制策略必須充分考慮到制動穩定

性、電池充電能力、電機特性和駕駛感覺。目前制動能量回

收技術的研究主要集中在兩個面：方案設計和控制策略。

2.2制動能量回收系統方案設計

電驅動車輛與傳統內燃機車輛相同，都安裝了各種各樣的底盤

動力學控制系統，以保證車輛的正常行駛，一般包括驅動控制和制動

控制兩大方面，在制動控制系統上，目前基本上所有的車輛都配備了

ABS防抱死制動系統，在各種惡劣工下該系統已經可以很大程度上保

證車輛制動時的可控性和穩定性。而在電驅動車輛的制動控制中，由

于引入電動機回饋制動，會對防抱死制動系統產生的不確定的影響，

需要對制動回饋系統和防抱死制動系統進行協調，常見的協調式（串

聯式）制動回饋系統和防抱死制動系統從調節手段和執行機構上來看,

防抱死制動和串聯回饋制動下的制動融合是相同的，這就為實現這

兩個制動系統協調控制提供了便利。

因此在使用協調式制動回饋系統的趨勢下，為了充分保證制動

安全，簡化執行機構，提高系統的集成程度，對制動能量回饋與防抱

死制動在硬件和軟件上進行集成設計與控制具有現實意義。目前國際

上已經有不少知名的整車和零部件制造商都提出了自己的解決方■案，

其中大多適用于乘用車的液壓制動能量回收系統，按照其工作原理

大致可以分為兩類：一類是基于原有的ABS/ESP系統，在制動管路上

安裝調節閥、蓄能器、電機和泵等來達到調節摩擦制動轉矩的目的，

同時保證制動踏板感覺；第二類是對原有會制動系統的主缸進行改造,

在進入輪邊調節閥之前完成踏板感覺和實際制動力的解耦。以上兩種

方案中，為了保證制動感覺與傳統的內燃機汽車一致，普遍安裝了踏

板感覺模擬器。第一類方案的代表是日本的豐田公司。他們推出的基

于EHB方案設計的集成制動能量回收功能制動防抱死系統（圖4）

已經批量應用于Prius混合動力車上，在正常制動情況下，主缸與制

動器管路隔離，阻斷了踏板和液壓管路的關聯。系統中有專門的電機

泵和低壓蓄能器為輪缸提供制動壓力，同時利用沖程模擬器模擬踏

板的位移和反作用力。踏板位移傳感器和主缸壓力傳感器判斷駕駛員

的制動需求，在獲知當前最大回饋制動力后，總制動力被分配給摩擦

制動和回饋制動，相應的控制信號分別傳遞至輪邊壓力調節閥和電

機控制器。其中，鴕邊壓力調節閥也作為防抱死制動時的調節機構，

在防抱死控制循環中進行增壓、保壓、降壓等操作。當系統失效時,主

缸與制動管路接通同時關閉沖程模擬器，主缸壓力直接送達輪缸產

生制動力。該方案的優點是可以任意調節各輪缸壓力，回饋策略的設

計因此變得簡單，能量回收效率也較高。

AC?高壓蓄能器

BP?制動踏板

HP-液壓泵

MC?制動主飪

PC■網體空腔

PM?主位壓力傳感居

PN-閥體活塞

PW?輪缸壓力傳感器

RS?儲液癥

S?油封

SD?減壓閑

SE?阻斷閥

SI?增壓閥

SM?踏板行程模擬嶄

SP?彈簧

ST?踏板行程傳感器

W?制動器

圖4豐田制動壓力調節系統原理圖

Nissan公司于2008年推出的能量回收系統則完全基于ESP系

統設計:在ESP的基礎上沒有增加任何部件，僅對制動管路做出了改

動，將兩個開關閥與蓄能器和主缸相連。在制動能量回收中需要調節

摩擦制動力時，同樣使用了開關閥隔斷主缸和輪缸，消除輪缸壓力波

動對主缸壓力的影響。其次，位于蓄能器和主缸之間的開關閥根據制

動踏板位移傳感器的信號進行適度地調節，從而真實模擬主缸壓力

對踏板的影響。同時電機控制泵抽取制動液進入輪缸，隨后各輪缸根

據需要分別進行調節。

韓國MANDO公司于2009年推出的制動能量回收系統，同樣也

是基于ESP設計的。在原有的ESP系統的基礎上，增加了一套開關

閥機構，用來在摩擦制動力調節過程中隔斷主缸和輪缸之間的聯系,

從而保證制動感覺。同時通過原有ESP系統中的開關閥和電機泵,

將蓄能器中的制動液直接輸送至輪缸的進油閥處，來增摩擦制動力,

同時也可以通過關閉進油閥和打開排油閥來保持和減小輪缸制動壓

力。該系統同時具有進行ABS和ESP調節的功能，為了加快進油速

度，系統中在前后制動管路上各使用了兩個泵。

總結以上方案，各個廠家的做法大同小異，基本著眼于已有的液

壓制動系統結構進行改造。優點是這些系統普遍具有同時進行制動能

量回收控制和底盤動力學控制的功能，對于單個車輪的控制也較自

由。不過也存在以下一些不足：

豐田公司的方案基于EHB系統，目前EHB在國內外應用得還

不是很廣泛，因此要以EHB為基礎開發，系統成本太高且可靠性還

需要驗證，目前豐田公司自身也正處于改進以達到降低成本的階段；

MANDO公司的方案與前兩者相比，ESP本身的成本略有降低，可靠

性上也到了保證。不過在系統中增加大量的壓力傳感器，從成本上來

說也是很不利于進行大規模推廣的。因此從這些角度看，如果是利用

原有的ABS/ESP/EHB系統進行制動能量回收系統的設計，應盡量以

成熟的ABS系統為基礎，這樣本身可靠且代價較小。同時也要注意

盡可能減少系統中的壓力傳感器等部件，降低成本。

第二類方案普遍是對原有制動主缸送行改造，主要目的是將踏

板力和主缸壓力完全解耦。這種方案中，需要對制動主缸進行重新設

計，因此在初期需要付出的代價和精力就很大。同時系統的可靠性相

比于前一種也存在更多的未知。

本田公司于2006年推出了伺服制動能量回收系統，設計了一

種新型制動主缸替換傳統的液壓制動系統主缸。制動回饋調節閥安裝

在制動主缸里，主缸到輪缸的制動管路與一般制動系統相同，輪邊的

壓力調節閥負責進行防抱死控制。制動主缸中的回饋調節閥除了在制

動回饋時調節制動管路的壓力，還可將高壓蓄能器的制動液直接送

達輪缸進行主動制動。該系統相對于傳統的液壓制動系統只在局部進

行改動，將原車的主缸替換為帶回饋調節閥的主缸。同時通過采用行

程模擬器和伺服制動閥，將踏板制動力與制動管路壓力解藕。此系統

是純機械系統，可靠性相對較高。本田將該方案應用在Civic和Insight

混合動力車型上。

大陸公司在2008年推出的電控真空助力液壓制動系統，其結

構如圖5所示。該系統也實現了踏板力與液壓制動力之間的完全解

藕，踏板力完全由行程模擬器提供，從而保證了踏板感覺較好。該系

統中，

圖5大陸電動真空助理系統

在主缸和踏板之間增加了液壓腔，該液壓腔由額外的電控真空

泵提供動力。常規制動時，液體進入該腔，在制動主缸和踏板之間形

成一道阻隔。主缸的壓力增長和減小由液壓腔內的液體直接控制，同

時該部分液體能夠對踏板相關部件產生反向的作用力，保證壓力調

節過程中不影響踏板等的位置。液壓腔同時留有部分保證踏板相關部

件和主缸部件在系統失效時仍能保持機械接觸，從而恢復為常規液

壓制動系統，失效俁護方案較好。

（1）系統正常工作時踏板動作被推桿槽限制，即踏板行程是受

限的，踏板力完全由行程模擬器提供；

（2）踏板轉角傳感器可檢測踏板轉角，從而確定駕駛員制動需

求;

（3）通過真空調節閥調節助力器中的真空度，從而調節制動主

缸中的壓力；

（4）計算出目標液壓制動力后，通過真空調節閥、位移傳感器

和真空度傳感器閉環調節制動主缸中的壓力；

（5）系統失效時，例如系統斷電、行程模擬器失效或真空調節

閥等失效時，行程模擬器關閉，制動踏板運動至推桿最左端并繼續向

左運動推動真空助力器推桿，從而推動制動主缸推桿，產生制動壓力,

恢復為常規液壓制動系統。

由以上分析可以看出，在該系統中踏板力與液壓制動力之間完

全解耦，踏板力完全由行程模擬器提供，從而保證了良好的踏板感

覺。系統失效時可恢復為常規液壓制動系統，失效保護方案較好。其

缺點是電動真空泵壽命一般并不高，另外該系統只能調節主缸制動

力，不能對前后輪液壓制動力單獨調節，因此在設計制動能量回收控

制策略時受到一定限制。目前該系統尚未應用在任何量產車型上。

另一種常見的在主缸內隔斷踏板力和主缸壓力的做法，是增加

額外的動力機構，起到踏板推桿的作用，而避免踏板推桿在摩擦制動

力調節過程中受壓力波動的影響。Nissan、Honda和韓國的Hyundai

公司都基于該思路開發出了各自的新型主缸。

Nissan、Hyundai采用的均是與踏板同軸放置的電機，首先

將電機的輸出經過一級增速機構，隨后利用螺紋螺桿機構將

轉動轉化為直線移動，推動某種軸向運動機構。該軸向運動

機構一般與主缸內滑動鍵相接觸，自身運動的同時也推動了

滑動鍵的移動，從而平穩控制主缸內的制動壓力。與

Hyundai的系統安裝了踏板力模擬機構不同的是，Nissan

的系統沒有配備該機構，有可能會對制動中的舒適性造成一

定影響。Honda與2010年提出的新的系統結構與前兩者

略有不同，該系統在制動踏板相連的一級主缸后加入了一個

次級主缸。動力機構就是與該次級主缸相連，通過一個錐齒

輪結構將電機的轉動轉化成活塞的移動來推動次級主缸內

的彈簧和滑塊，進而來控制壓力并將其輸出至其后的各制動

輪缸對應的開關閥處。在調節次級主缸內的壓力時，通過一

組開關閥阻斷一級主缸和次級主缸，同時使用了蓄能器和開

關閥的組合來模擬踏板制動感覺，這一點做法與第一類中的

相似。

總結第二類方案中的幾種系統，可以看到如果采用了新型主

缸，一般無法回避不能獨立調節前后輪缸壓力的缺陷,

Honda的方案是這樣，Nissan和Hyundai的方案同樣如

此。這樣就導致在設計制動能量回收控制算法時受到一定的

限制。大陸的方案除了這一點缺憾，同時還存在電動真空泵

性能和壽命要求高的問題，因此目前尚未應用在任何量產車

型上。Honda于2010年提出的方案通過增加次級主缸和

開關閥解決了這一問題，可以做到前后輪獨立調節，不過系

統的成本太高，結構上也略顯繁雜，不利于在實車上的布

置。第二類方法最致命的一點是，需要重新對制動主缸進行

設計，精密度要求高，而國內的生產水平從目前來看還有不

少差距。國外的其它公司或科研院校在該領域也進行了一些

研究，但成果較少，沒有實現現量產裝車應用。

2.3制動能量回收系統的控制策略

為了在滿足制動性能要求下盡量多的回收車輛的動能，應該

協調控制液壓制動和再生制動兩個子系統，這樣就會呈現兩

個基本問題：首先是如何在再生制動和液壓制動之間分配所

需的總制動力，以盡可能多的回收車輛動能；二是如何在前

后輪軸上分配總制動力，以實現穩定的制動狀態。目前基本

上有四中不同的制動控制策略：具有最佳制動感覺的串聯制

動策略、具有最佳能量回收率的串聯制動策略、并聯制動策

略和ABS防抱死制動策略。

2.3.1具有最佳制動感覺的串聯制動策略

具有最佳制動效果的串聯制動系統通過控制器控制施加于前后

輪上的制動力，而使制動距離達到最小，且駕駛者的感覺良好。這就

要求施加在前后輪的制動力遵循理想的制動力分布曲線Io

當給出的制動踏板行程小于某值時，將僅有再生制動施加于前

輪，模擬了傳統汽車中發動機延遲點火作用。制動踏板行程大于該值

時，施加于前后輪的制動力遵循理想的制動力分布曲線I,如圖6粗線

所示。施加于前輪的制動力分為再牛制動力Fbf.reg和機械摩擦制動

力Fbf.mech兩部分。當所需的制動力小于電機所能產生的最大制動

力，只采用電機再生制動；反之，電機將產生其最大的制動轉矩，剩

余的制動力由機械制動系統補足。由于電機不同于內燃機的外特性,

電動機產生的最大再生制動力與其轉速密切相關。在低轉速（低于基

速）的狀態下，其最大轉矩為常量。在高轉速（高于基速）狀態下，最大

轉矩隨著轉速呈雙曲線形下降。因此，在給定制動踏板位置時，機械

制動轉矩將隨車速而變化。

圖6對應于最佳制動效果的前后輪制動力

2.3.2具有最佳能量回收率的穿啦制動策略

具有最佳能量回收的串聯制動是在滿足對應于給定的制動踏板

行程指令的總制動力情況下，盡可能多地回收制動能量。當車輛制動

強度z小于路面附著系數中制動時，只要滿足前后輪制動力之和等于

總制動力，則施加在前后輪上的制動力可在一定范圍內變化。變化范

圍如圖7粗線AB所示。此時應優先采用再生制動；若Fbf_reg_max

在這一范圍內（圖中點C）,則施加在前輪上的制動力應僅由再生制動

得到無須機械制動。滿足總制動力需求，后輪制動力按點E得出。若

Fbf_reg_max小于點A所對應的數值，則控制電動機產生其最大的再

生制動為。前后輪的制動力應控制在點F的狀態，以優化駕駛者的感

覺，并減小制動距離。此時，前輪必須產生機械摩擦制動力，后輪上產

生點H的制動力。當制動強度比路面附著系數小很多時，且再生制動

力能滿足總制動力需要時，可只應用再生制動，無須在前后輪上施加

機械制動。當制動強度等于路面附著系數時，前后輪上制動力工作點

在曲線I上。在高附著系數的路面上（工作點F）,應用最大的再生制動

力，剩余部分由機械制動供給。在較低附著系數的路面上（工作點K）,

單獨應用再生制動力，產生前輪制動力。

N

S

戈

毒

系

仁

圖7對應于最佳能量回收的前后輪制動力

2.3.3并聯制動策略

該制動系統具有一個對前后輪以固定的制動比率分配的傳

統機械制動裝置。再生制動添加了施加在前輪上的附加制動

力，結果形成以總制動力分布曲線。施加在前后輪軸上的機

械制動力正比于主汽缸中的液壓。由電動機產生的再生制動

力是主缸中液壓函數，因此為車輛減速度函數。由于有效再

生制動力是電動機轉速的函數，且因在低轉速條件下，幾乎

沒有被回收的動能。當所需的負加速度小于給定的負加速度

設定值時，再生制動有效。當給出的負加速度率制動指令小

于某設定值時，將只應用再生制動，此時模擬了傳統車輛中

發動機的延遲點火。

2.3.4ABS防抱死制動策略

ABS防抱死制動策略在混合動力再生制動能

量回收中具有較大的優勢，尤其是在四個車

輪上都安裝有電動機的車輛。它效仿了傳統

的制動系統的控制感受。當接受到制動信號

后，總制動器單元將牽引電動機的特性和控

制法則，給出前后輪的制動轉矩，再生制動

轉矩和機械制動轉矩。電動機控制器將指令

電動機產生恰當的制動轉矩，而機械制動控

制器則向電動裝置給出指令，以對每個車輪

產生恰當的制動轉矩。該電動機制動裝置同

時被防抱死制動系統控制，以防止車輪完全

被抱死。

3電動汽車制動能量回收影響因素分析

暫不考慮再生制動能量回收系統控制策略對制動能量回收的影

響，從電動汽車再生制動系統能量流動圖可以看出，制動能量由車輪

流至蓄電池，所流經的每一個零部件都會對能量造成損失，考慮到機

械傳動效率很高且穩定，因此影響制動能量回收的主要因素有三個

部分：電機的工作特性、蓄電池的工作狀態和液壓制動系統的布置形

式。另外，相關研究表明在合適的制動力范圍內，再生制動力所占的

比例越大，制動能量回收率越高，雙軸電機驅動比單軸電驅動能夠有

更好的制動能量回收表現。

摩擦損失摩擦損失

C^）

蓄

驅動電

口=傳動系統

電機池

代表能量流動方向

CSX）

摩摞損失摩擦損失

圖8再生制動系統能量流動

4總結與展望

在世界環保節能意識高漲和能源問題突出的21世紀，隨著國內外相

關政策的放松，電動車關鍵技術和基礎設施的不斷完善，電動汽車將

是“后汽油機時代的次生代新能源汽車的主流"制動能量回收系統

作為電動汽車的重要關鍵技術之一，不僅能夠大幅提高整車的經濟

性，增加其續航歷程，同時也