電動汽車制動系統研究現狀

1. 什麼是再生制動，為什麼對電動汽車有用

雖然近些年純電動汽車技術在不斷的提升，但是里程焦慮依然存在，而導致里程焦慮的主要原因，包括充電時間較長、充電設施不完善以及動力電池技術方面的制約等等。為了緩解這種狀況，很多純電動汽車都配備了再生制動系統。那麼什麼是再生制動？對純電動汽車又有什麼用處呢？

再生制動可以在一定程度上可以延長純電動汽車的續航里程，對於緩解里程焦慮有一定的作用。但是即便如此，各大汽車廠商也應當繼續加大對動力電池技術的研究，提高其穩定性，這才是解決里程焦慮的正確之路。

本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。

2. 電動汽車電控技術的再生制動控制系統

再生制動控制系統傳統汽車的制動過程多依靠摩擦的方式消耗車輛行駛的動能而降低車速,其制動能量轉化為熱能散發到周圍環境中去。而電動汽車在制動時,可以將牽引電機轉換為發電機,依靠車輪拖動電機產生電能和車輪制動力矩,從而在減緩汽車速度的同時將部分動能轉化為電能儲存起來,回收了能量,提高了汽車的續航里程。
再生制動能量回饋系統的研究是電動汽車開發中的一個重要環節,其設計開發需要綜合考慮汽車動力學特性、電機發電特性、電池安全保證與充放電特性等多方面的問題。採用再生制動技術,需要滿足2個要求:(1)要滿足制動效能、制動效能恆定性、制動時汽車的方向穩定性以及最大限度地提高制動能量的回收程度;(2)要滿足司機操作的習慣、舒適性能的要求。而這些性能的滿足主要依賴於合理設計能量管理系統以及系統的控制策略。控制策略方面的3種典型控制策略有:並行制動系統控制策略、最佳制動能量回收控制策略以及理想制動力分配控制策略。其中並行制動系統控制策略是在傳統汽車制動系統的基礎上加入電機制動,其驅動軸在制動時是採用機械制動系統與再生制動系統聯合制動;最佳制動能量回收控制策略是在保證制動要求的前提下最大限度地回收制動能量;理想制動力分配控制策略是在保證最佳制動性能的前提下盡量回收制動能量。這3種控制策略中,並行制動系統控制策略較簡單,另2種比較復雜,而且要求精確的計算和控制。總體來說,國內關於制動能量回收的研究還處在初級階段。如何設計更加合理的系統及其控制策略以滿足制動要求和人性化要求,使再生制動與電動汽車性能匹配更加優化將成為電動汽車研究的重要方向。

3. 剎車系統的發展趨勢

1.制動系統的發展歷史

最原始的制動控制只是駕駛員操縱一組簡單的機械裝置向制動器施加作用力，這時的車輛的質量比較小，速度比較低，機械制動雖已滿足車輛制動的需要，但隨著汽車自質量的增加，助力裝置對機械制動器來說已顯得十分必要。這時，開始出現真空助力裝置。1932年生產的質量為2860kg的凱迪拉克V16車四輪採用直徑419.1mm的鼓式制動器，並有制動踏板控制的真空助力裝置。林肯公司也於1932年推出V12轎車，該車採用通過四根軟索控制真空加力器的鼓式制動器。 1936年，博世公司申請一項電液控制的ABS裝置專利促進了防抱制動系統在汽車上的應用。1969年的福特使用了真空助力的ABS制動器;1971年，克萊斯勒車採用了四輪電子控制的ABS裝置。這些早期的ABS裝置性能有限，可靠性不夠理想，且成本高。1979年，默·本茨推出了一種性能可靠、帶有獨立液壓助力器的全數字電子系統控制的ABS制動裝置。1985年美國開發出帶有數字顯示微處理器、復合主缸、液壓制動助力器、電磁閥及執行器「一體化」的ABS防抱裝置。隨著大規模集成電路和超大規模集成電路技術的出現，以及電子信息處理技術的高速發展，ABS以成為性能可靠、成本日趨下降的具有廣泛應用前景的成熟產品。

2制動系統功用及組成

制動系的功用是使汽車以適當的減速度降速行駛直至停車;在下坡行駛時，使汽車保持適當的穩定車速;使汽車可靠地停在原地或坡道上[2]。制動系統按動力源可分為摩擦式、氣壓式、液力式和電磁式四種;按照功能可分為行車制動系統、駐車制動系統、第二制動系統和輔助制動系統;按控制方式還可分為人力制動、動力制動和伺服制動三類。無論制動系統分類如何，任何制動系統均由四個基本部分組成：供能裝置，即提供製動作用所需能量和改善傳能介質狀態的構件;控制裝置，即產生制動和控制制動強度的運動件;傳動裝置，即輸送能量至制動器使之起作用的零件;制動器，即關鍵零部件，產生制動力迫使車輛減速的重要部件。一些高級轎車的制動系統還包括制動力調節和壓力保護等附加裝置。一般制動系需要滿足以下幾點要求：①具有足夠的制動效能，即具有足夠的制動減速度和盡量短的制動距離;②制動系統工作可靠，採用多管路制動方案可避免一路失效則制動整體失效;③制動的同時能夠保證穩定的操作和方向穩定性;④由於制動器工作時溫升較高，所以應具備良好的散熱和抗熱穩定性;⑤具有一定的使用壽命。

3制動器分類及介紹

制動器是制動系統中用以產生阻礙車輛的運動或運動趨勢的力（制動力）的部件。摩擦制動器為常用的制動器類型，其基本原理是固定元件與旋轉元件表面間的摩擦作用產生制動力矩，使得汽車驅動輪減速。摩擦制動器主要為鼓式制動器和盤式制動器兩大類。

3.1 鼓式制動器

鼓式制動器有內張型和外束型兩種，內張型以內圓柱面為工作表面，採用帶摩擦片的制動蹄作為固定元件。由於驅動裝置的不同又可分為輪缸式制動器、凸輪式制動器和楔式制動器。由於篇幅有限，這里我們僅拿輪缸式制動器中的領從蹄式制動器介紹。

這里記汽車行進時制動鼓旋轉方向，制動蹄支撐點在其前端，輪缸施加的促動力作用於後端，制動過程中，制動蹄1張開的旋轉方向與制動鼓的旋轉方向相同，因此稱為「領蹄」。領蹄上的切向合力作用結果使得領蹄在制動鼓上壓得更緊，具有「增勢」作用;制動蹄支撐點在其後方，促動力作用於前方，制動蹄張開的旋轉方向與制動鼓旋轉方向相反，故稱為「從蹄」。很明顯，從蹄的切向合力有放鬆制動鼓的「減勢」作用。在倒車制動時，制動鼓旋轉方向相反，領從蹄互換，但制動效能不變。領從蹄式制動器具有結構簡單，成本低，蹄片與制動鼓之間的間隙易調節，便於附裝駐車制動驅動機構等優點，因此領從蹄式制動器得到廣泛應用。

4. 國內外汽車制動器發展現狀如何

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隨著科學技術的發展，汽車工業追求更高的標准來滿足社會發展的需要，當今汽車發展的主題是：經濟性、可靠性、安全性，並符合環保要求。速度與安全，是一對矛盾，要好好地解決這個問題，就要從多方面考慮，其中之一就是汽車必須具備性能良好的制動性能。
高速公路的發展，說明社會的經濟在騰飛。可是高速行車和車流密度的加大，出現了頻繁的交通事故，因此，保證行車安全已成為現今汽車設計中一項十分引人關注的問題。對汽車制動系統結構及制動性能的要求有逐步提高的趨勢。當汽車轉向經過不同路面或會車時，都必須使車速降低，特別是遇有障礙物或行人，或其他車輛時，更需要在盡可能短的時間，短的距離內將車速降低，甚至為零。如果汽車不具備這一性能，高速行駛就不可能實現。汽車在下長坡時，由於重力的作用，有不斷加速到危險的程度的趨勢，此時應將車速限制在一定的安全值以內，並且保持穩定。此外，對已停駛，特別是在坡道上停駐的汽車，應使之可靠地原地不動，當常用制動器發生故障時，通常用駐車制動裝置作為第二制動系。
雖然每萬車輛造成的死亡率呈下降趨勢，但每10萬人口死亡率卻呈上升趨勢。在這些交通事故中，由於制動系統故障造成的交通事故也時有發生。2010年由於制動系統故障（制動失效或制動不良）造成的交通事故及損失情況見表1.1。[1]
表1.1 2010年由於制動系統故障造成的交通事故及損失情況
故障原因 事故次數（次） 死亡人數（人） 受傷人數（人） 直接經濟損失（元）
制動失效 4663 1023 4256 38645167
制動不良 7633 2656 5447 39413006
在2010年11月召開的全國公安交通管理工作會議透露的最新統計數字，2010年前10個月，全國共發生交通事故379200起，死亡80339人。在貨車發生的交通事故中，除去排在第一位的違章駕駛以外，最主要的原因就是車輛機械故障了，而在各種車輛機械故障中，制動失靈佔有相當高的比例。[2]
全國公路交通事故統計數據表明，我國公路交通事故數量呈逐年增加趨勢，由此造成的傷、亡人數和直接經濟損失也不斷增加，2004~2010年全國公路交通事故統計數據見表1.2。
表1.2 2004～2010年全國公路交通事故統計
年份 事故次數
（次） 死亡人數
（人） 受傷人數
（人） 直接經濟損失
（萬元） 萬車死亡率 10萬人口死亡率
2004 253537 66362 148817 133383 24.26 5.54
2005 271843 71494 159308 152267 22.48 5.90
2006 287685 73655 174447 171769 20.41 6.02
2007 304217 73861 190128 184616 17.50 5.97
2008 346129 78067 222721 192951 17.30 6.25
2009 412860 83529 286080 212402 15.45 6.82
2010 616971 93853 418721 266890 15.60 7.27
綜上所述，制動系對汽車來說是至關重要的。沒有制動系，汽車的行駛是不安全的。
制動裝置可分行車、駐車、應急和輔助四種裝置。
行車制動裝置給汽車以必要的減速度，將汽車降低到所要求的數值，直至停車；在下短坡時，它能使汽車保持適當的穩定速度。
駐車制動裝置主要用來使汽車可靠地在原地（包括在斜坡上）停駐。為此，它常用機械驅動機械，而不用液壓驅動機構，此外，駐車制動裝置還有助於在坡道上起車。
應急制動裝置利用機械力（如強力壓縮彈簧）進行制動。在某些採用動力制動或伺服制動的汽車上，一旦發生蓄壓裝置壓力過低等故障時，可用應急制動裝置實現汽車制動。同時在人力控制下還能兼作駐車制動。當應急制動出現故障時，普通的手力駐車制動裝置也可以起應急制動作用。
輔助制動裝置通過裝設緩速器等輔助制動裝置，實現汽車下長坡時保持穩定車速的作用，並減輕或者解除行車制動裝置的負荷。
對制動系的主要要求有：
（1）足夠的制動能力，制動能力包括行車制動能力和駐坡能力，行車制動能力，用一定初速度下制動減速度和制動距離兩項指標來評定。駐坡能力是指在良好路面上能可靠地停駐的最大坡度。
（2）行車制動至少有兩套獨立的驅動制動管路，當其中一套管路失效時，另一套管路應保證汽車制動效能不低於正常值的30%。
（3）制動時的汽車操縱穩定性好。即用任何速度制動，汽車都不應當喪失操縱性和方向穩定性。否則當前輪抱死而側滑時，汽車喪失操縱性；當後輪抱死而側滑甩尾時，汽車喪失方向穩定性。汽車前、後輪制動器的制動力矩應有較合適的比例。最好能隨各軸間的載荷轉移情況而變化。否則，制動時會發生某一軸車輪首先抱死滑移，從而造成汽車無法操縱或甩尾，甚至自動調頭等危險狀況。同一軸上左右車輪制動力應該相同，它們最大差值不得超過15%，以免制動時發生汽車跑偏。
（4）防止水和污泥進入制動器的工作表面。工作表面受水、污泥污染後，會使制動能力降低並加速工作表面磨損。鼓式制動器能較好地防止泥土直接進入制動器，通常不要求採取特殊措施。若後輪用盤式制動器，在泥濘道路上行駛時，易沾上由前輪轉動而飛濺起來的泥土，對此應有防範措施。制動器表面浸水後，會因水的潤滑作用使摩擦系數下降而造成水衰退，出水後需要制動若干次方能恢復。一般規定要求達到重復制動次數為5次到15次，即應恢復其制動效能。
（5）制動效能的熱穩定性好。汽車的高速制動、短時間的頻繁重復制動，尤其是下長坡時的連續制動，都可能引起制動器溫度過高而導致摩擦系數的降低，使制動能力低落，這種現象稱為熱衰退。制動器發生熱衰退後，經過一定次數的和緩使用，由於溫度下降和摩擦材料表面得到磨合，其制動能力可重新恢復，這稱為熱恢復。因此要求制動能力的熱穩定性好，也就是要求不易衰退，衰退率小，且衰退後較快地恢復制動能力。
（6）操縱輕便，要求制動踏板和手柄的位置和行程，以及踏板力能為一般體形和體力的駕駛員所適應。緊急制動次數大約只佔制動總數的5~10%，故最大制動踏板力允許比離合器踏板力大得多，但也不亦過大。而過小又將使駕駛員失去踏板感，（或稱路感）而難以控制制動強度。各國法規規定的最大踏板力一般為500N（轎車）~700N（貨車），踏板行程（計入摩擦襯片或襯塊的容許磨損量）對轎車應不大於100~150mm，對貨車應不大於150~200mm。制動踏板高度與加速踏板的相對位置應便於操作。制動手柄行程應不大於160—200mm。
（7）作用滯後性包括產生制動和解除制動的滯後時間，應盡可能短。
（8）一旦牽引車和掛車（半掛車）之間的連接制動管路損壞，牽引車應有防止壓縮空氣進一步漏失的裝置。車行駛過程中，若牽引連接機構脫開，列車之間的制動管路應立即斷氣，而且掛車應能自動停駐。掛車一旦摘掛，亦應使用駐車制動將其停住。
（9）為了提高汽車、列車的制動穩定性，除了保證列車各軸有正確的制動力分配外，還應注意主掛車之間各軸制動起作用的時間，尤其是主掛之間制動開始時間的協調。
（10）當制動驅動裝置的任何元件發生故障並使其基本功能遭到破壞時，汽車制動系應裝有音響或光信號等警報裝置。
（11）制動時不應產生振動和雜訊。
（12）制動系的機件應使用壽命長，製造成本低；對摩擦材料的選擇也應考慮到環保要求，應力求減小制動時飛散到大氣中的有害於人體的石棉纖維。
隨著電子技術的飛速發展，大部分的車都已將ABS列為標准配備。「ABS」中文譯為「防抱死剎車系統」.它是一種具有防滑、防鎖死等優點的汽車安全控制系統。ABS是常規剎車裝置基礎上的改進型技術，可分機械式和電子式兩種。
現代汽車上大量安裝防抱死制動系統，ABS既有普通制動系統的制動功能，又能防止車輪鎖死，使汽車在制動狀態下仍能轉向，保證汽車的制動方向穩定性，防止產生側滑和跑偏，是目前汽車上最先進、制動效果最佳的制動裝置。如果沒有ABS，緊急制動通常會造成輪胎抱死，這時，滾動摩擦變成滑動摩擦，制動力大大下降。而且如果前輪抱死，車輛就失去了轉向能力；如果後輪先抱死，車輛容易產生側滑，使車行方向變得無法控制。所以，ABS系統通過電子機械的控制，以非常快的速度精密的控制制動液壓力的收放，來達到防止車輪抱死，確保輪胎的最大制動力以及制動過程中的轉向能力，使車輛在緊急制動時也具有躲避障礙的能力。
世界上第一台防抱死制動系統ABS(Ant-ilock Brake System),在1950年問世，首先被應用在航空領域的飛機上，1968年開始研究在汽車上應用。70年代，由於歐美七國生產的新型轎車的前輪或前後輪開始採用盤式制動器，促使了ABS在汽車上的應用。 1980年後，電腦控制的ABS逐漸在歐洲、美國及亞洲日本的汽車上迅速擴大。到目前為止，一些中高級豪華轎車，如西德的賓士、寶馬、雅迪、保時捷、歐寶等系列；英國的勞斯來斯、捷達、路華、賓利等系列；義大利的法拉利、的愛快、領先、快意等系列；法國的波爾舍系列；美國福特的TX3、30X、紅彗星及克萊斯勒的帝王、紐約豪客、男爵、道奇、順風等系列；日本的思域，凌志、豪華本田、奔躍、俊朗、淑女300Z等系列，均採用了先進的ABS。到1993年，美國在轎車上安裝ABS已達46%，現今在世界各國生產的轎車中有近75%的轎車應用ABS。現今全世界已有本迪克斯、本迪克斯、波許、摩根.戴維斯、海斯.凱爾西、蘇麥湯姆、本田、日本無限等許多公司生產ABS，它們中又有整體和非整體之分。預計隨著轎車的迅速發展，將會有更多的廠家生產。[3]

5. 宋楠：深度解析比亞迪漢車族技術狀態之IPB制動篇

2020年1月，新能源情報分析網前往室外溫度最低達到-28攝氏度的牙克石，對覆蓋著重度偽裝的比亞迪漢車族測試車進行全向技術評測。綜合目前獲得的相關信息研判，比亞迪漢車族將包括DM和EV（適配電四驅系統）兩大車系。其中DM車系搭載超級電四驅系統、EV車系則適配電四驅技術。

因配置IPB制動技術解決方案，使得漢車族的在安全層面的制動距離和相應時間的縮短，直接提升整車主被動安全性能；制動分泵的制動片和制動盤被標定為「零」接觸，換來的是更低的行車電耗（針對漢EV車型）與更高的行車發電功率（針對漢DM車型）。

讓人激動的是，比亞迪正在同和對外合作，尋求漢車族甚至改款全新一代唐車族以及後續推出的全新車族，操控性、舒適性的提升。為了迎合不同用車人群的需求，DM車型的經濟性和EV車型極端氣候續航里程穩定性的提升，也都將在漢車族上得到體現。

未完待續。。。

文/新能源情報分析網宋

本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。