新能源汽車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

蔣鳴雷

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，北京 100070）

引言[1]

制動(dòng)系統(tǒng)是保證汽車安全行駛最重要的一項(xiàng)主動(dòng)安全系統(tǒng)，是通過制動(dòng)器與車輪的摩擦使行駛中的汽車按照駕駛員的意愿進(jìn)行強(qiáng)制減速甚至停車，使汽車下坡行駛時(shí)保持速度穩(wěn)定，以及在各種道路條件下停駛的汽車保持穩(wěn)定不動(dòng)的專門裝置。汽車在制動(dòng)時(shí)，司機(jī)通過踩下剎車踏板，將腳踩力量傳遞給與剎車踏板相連推桿后的真空助力器上，通過真空助力器放大腳踩力，推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生壓力液流傳送、分配到各車輪的制動(dòng)器上，使制動(dòng)器與轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂之間產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力矩讓汽車減速或停止。汽車制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力非常大，如果只靠人力直接作用于制動(dòng)主缸活塞，司機(jī)在踩下制動(dòng)踏板時(shí)會(huì)遇到很大的阻力，甚至有可能無法制動(dòng)，因此該制動(dòng)系統(tǒng)需要真空助力器將制動(dòng)踏板的力放大。傳統(tǒng)燃油車真空助力器工作時(shí)的真空源來源于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，非常穩(wěn)定可靠，但新能源汽車特別是純電動(dòng)車，由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)總成，制動(dòng)系統(tǒng)缺少真空動(dòng)力源，因此缺乏真空助力功能，那新能源汽車將怎樣實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的助力呢？

1 采用電子真空泵的新能源汽車制動(dòng)系統(tǒng)[2][3]

目前不少純電動(dòng)新能源汽車在制動(dòng)系統(tǒng)方面，保留了原來傳統(tǒng)燃油車的真空助力器和液壓制動(dòng)管路，還在管路的另一側(cè)設(shè)置了一個(gè)電子真空泵，如圖1 所示。其工作過程為：車輛啟動(dòng)，12 V 電源供電，電子控制系統(tǒng)（VCU）進(jìn)行自檢，真空壓力傳感器測(cè)出真空罐內(nèi)的真空度，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓值送至控VCU，VCU 對(duì)該電壓值與原設(shè)定的真空度電壓值進(jìn)行比較，如果電壓值低，說明真空罐內(nèi)的真空度小于設(shè)定值，VCU 就發(fā)出控制命令讓電子真空泵開始工作，抽真空，當(dāng)真空壓力傳感器測(cè)出真空罐內(nèi)真空度達(dá)到設(shè)定值了，VCU 就發(fā)出命令讓真空泵停止工作。當(dāng)由于制動(dòng)消耗導(dǎo)致真空罐內(nèi)的真空度小于設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)真空泵就再次開始抽真空。總之，真空壓力傳感器只要監(jiān)測(cè)到真空助力器的真空度不足，電子真空泵就工作來保證真空助力器的真空度，使真空助力器能像原先燃油車那樣為駕駛員提供輔助助力制動(dòng)作用。

圖1 電動(dòng)真空助力系統(tǒng)原理圖

采用這種制動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)，對(duì)于從燃油車底盤改造而來的新能源汽車來說，原有的真空助力器及相關(guān)管路基本不變，只是將從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管引入真空環(huán)境的接口管路變換到單設(shè)的真空泵上，利用真空泵來保證真空環(huán)境，但其制動(dòng)原理則與傳統(tǒng)燃油車的制動(dòng)系統(tǒng)完全相同。這樣使得車輛設(shè)計(jì)生產(chǎn)變動(dòng)很小，原有燃油車的設(shè)計(jì)方案、裝配生產(chǎn)線等都可以得到充分利用，節(jié)約時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本，是當(dāng)前比較理想的一種過渡方案。但該方案的缺陷是電子真空泵的工作穩(wěn)定性不足，而且由于真空泵頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致壽命較短，不是非常適合作為唯一的真空源提供元件，這樣一旦電子真空泵出現(xiàn)任何工作問題，就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)制動(dòng)故障。因此該設(shè)計(jì)方案僅僅是為了節(jié)省成本，延續(xù)保留原傳統(tǒng)汽車大部分制動(dòng)系統(tǒng)的過渡方案，并非徹底解決新能源汽車制動(dòng)問題最佳方案。

2 采用智能化助力器的新能源汽車制動(dòng)系統(tǒng)[3][4]

圖2 Bosch(博世)iBooster 智能助力器

如果在制動(dòng)踏板和制動(dòng)主缸之間設(shè)計(jì)一種助力裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真空助力器，那就可以不再依賴真空源，從而徹底消除制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)真空的依賴。目前博世公司推出了一套名為iBooster 的智能化助力器，如圖2 所示。它是利用電控方式來輔助控制制動(dòng)力。簡(jiǎn)單來說，就是將原真空助力制動(dòng)系統(tǒng)中的真空助力器去掉，換成由電子控制單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的智能助力器，駕駛員踩下制動(dòng)踏板不再是傳遞的力，而是傳遞一個(gè)電信號(hào)給智能助力器，助力器通過踏板位置傳感器檢測(cè)到踏板踩下行程位置的變化，控制器以此為依據(jù)結(jié)合實(shí)際車輛運(yùn)行工況計(jì)算出需要的制動(dòng)力，控制器控制電機(jī)給出制動(dòng)助力所需的力矩到制動(dòng)總泵，制動(dòng)總泵驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)傳遞制動(dòng)力到ABS/ESP 制動(dòng)防抱死/電子穩(wěn)定系統(tǒng)控制器，ABS/ESC 再根據(jù)車輛狀況把制動(dòng)力分配到四個(gè)車輪。

iBooster 智能化助力器完全是靠電控制而不用真空來實(shí)現(xiàn)整個(gè)助力過程的控制，制動(dòng)更平順更柔滑，同時(shí)反應(yīng)速度也比傳統(tǒng)車輛制動(dòng)效果好得多，它的控制單元能和車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP 合作，實(shí)現(xiàn)能量回收，讓新能源汽車更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保。

此外大陸公司也推出一套MK C1 制動(dòng)系統(tǒng)，其工作理念和博世iBooster 基本相同。但是MK C1 除了完全取代真空助力器外，還集成了ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)，ABS 和 ESC 功能，其模塊化設(shè)計(jì)的好處是能更集成化和小型化，顯著提高 ABS 和 ESC 的主動(dòng)制動(dòng)響應(yīng)速度，而且由于系統(tǒng)是集成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能直接控制執(zhí)行所有制動(dòng)動(dòng)作。

3 采用線控制動(dòng)的新能源汽車制動(dòng)系統(tǒng)[4][5]

隨著傳感器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，線控技術(shù)已成為汽車控制技術(shù)的未來發(fā)展方向。汽車的線控制動(dòng)（BBW）系統(tǒng)，是用線控電子機(jī)械制動(dòng)器代替了代替液壓的制動(dòng)系統(tǒng)，電源取代了傳統(tǒng)的液壓源，機(jī)電動(dòng)作器取代了液壓的作動(dòng)設(shè)備。傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的元件，像主缸、真空增壓設(shè)備、液壓管路等均被機(jī)電結(jié)合的一體化元件所取代，如液壓鼓式或盤式制動(dòng)器及調(diào)節(jié)器被電腦控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)所代替，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力的大小由電控ECU 調(diào)控，驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆轉(zhuǎn)產(chǎn)生制動(dòng)力。線控制動(dòng)系統(tǒng)電腦根據(jù)電子踏板傳感器將剎車踏板踩下的速度信號(hào)與位移行程變化，結(jié)合車輪轉(zhuǎn)速等信息，向制動(dòng)電機(jī)發(fā)送工作信號(hào)并控制電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，產(chǎn)生制動(dòng)所需的力矩，實(shí)現(xiàn)車輪制動(dòng)。

線控制動(dòng)（BBW）系統(tǒng)與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)相比，沒有了制動(dòng)油缸、液壓閥、助力裝置、油箱以及復(fù)雜的液壓管路等液壓部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，布置靈活，可控性好與響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。此外只要設(shè)計(jì)好相應(yīng)的控制程序，可根據(jù)實(shí)際情況自如控制制動(dòng)力的大小，控制各軸的制動(dòng)力分配，完全能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)液壓制動(dòng)的ABS、ASR 等功能，是未來無人駕駛汽車不可或缺的配置。

但線控制動(dòng)（BBW）系統(tǒng)目前也存在控制技術(shù)難度大、需要多個(gè)驅(qū)動(dòng)能源、控制系統(tǒng)失效如何處理及電子元件抗干擾等問題。

4 新能源汽車制動(dòng)時(shí)的能量回收[6][7]

傳統(tǒng)燃油車中，大部分車輛不帶制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，而新能源汽車特別是純電動(dòng)汽車均帶有制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，新能源汽車?yán)脺p速、制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再存儲(chǔ)到動(dòng)力電池中， 這就是新能源汽車制動(dòng)時(shí)的能量回收。

電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)的能量回收一般采用再生制動(dòng)方式，再生制動(dòng)也被稱為反饋制動(dòng)或者制動(dòng)能量回收，是指電動(dòng)汽車在實(shí)施制動(dòng)或下坡慣性滑行中，動(dòng)力電池輸出電源關(guān)閉，制動(dòng)力拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)慣性反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過電路切換，使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場(chǎng)，電機(jī)定子線圈繞組切割磁力線，感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電流通過功率變化器流入動(dòng)力電池，將制動(dòng)中消耗的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，這個(gè)過程稱為再生制動(dòng)。在再生制動(dòng)中，制動(dòng)應(yīng)盡可能采用線控制動(dòng)方式的電機(jī)回饋發(fā)電制動(dòng)來取代機(jī)械式制動(dòng)，制動(dòng)鏈接采用電力連接，能有效減少了機(jī)械損失，提高能量回收效率。

5 結(jié)束語

總之，無論是電動(dòng)車還是傳統(tǒng)采用內(nèi)燃機(jī)的汽車，制動(dòng)系統(tǒng)電子化是未來汽車制動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，隨著新能源汽車和無人駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展，與傳統(tǒng)真空助力液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比，全電子控制的電子機(jī)械一體化制動(dòng)系統(tǒng)具有智 能化優(yōu)勢(shì)，在提高制動(dòng)的舒適性、穩(wěn)定性的方向有著很大的優(yōu)越性，也必將成為新能源汽車未來制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的主流。