再生制动能否完全取代机械制动？
作者| 北湾南巷出品| 汽车电子与软件在2023年11月的广州车展上，比亚迪的高端品牌仰望展示了一款创新概念车，其设计灵感来源于已发布的仰望U8越野SUV。这款概念车特别之处在于其透明车身设计，展示了内部复杂的结构 ...
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 作者 | 北湾南巷 出品 | 汽车电子与软件 在2023年11月的广州车展上，比亚迪的高端品牌仰望展示了一款创新概念车，其设计灵感来源于已发布的仰望U8越野SUV。这款概念车特别之处在于其透明车身设计，展示了内部复杂的结构。基于先进的e⁴（易四方）技术，该概念车摒弃了传统的转向和制动系统，却依然能顺畅行驶。  e⁴技术以四电机独立驱动架构为核心，整合了驱动、制动和转向功能，为传统系统提供了额外的安全保障。每个车轮由独立电机控制，能够精确调整扭矩和方向，从而精细控制车辆行驶轨迹。在制动方面，e⁴技术通过电机反向拖动实现高效制动，提供最大1.0g的减速度，能在20米内将车速从60公里/小时降至静止。  仰望品牌及e⁴技术平台于2023年1月推出，预示着比亚迪高端车型将全面采用这一平台。e⁴技术以其独特的四电机独立矢量控制技术，实现了对车辆动态的精确控制，显著提升了车辆的操控灵活性、稳定性和安全性。它还能实现如原地掉头和横向移动等高级功能，为驾驶带来更多便利。  这一技术的推出不仅代表了汽车技术的未来发展方向，也预示着汽车行业电气化、电力电子和线控驱动的大趋势。比亚迪的这一创新步伐，无论需要十年、二十年还是三十年，都无疑指向了一个清晰而必然的未来。 #01 电机的再生制动（Regenerative braking) 1.1 什么是再生制动 再生制动，是当你开始在电动车或混合动力车中减速时发生的一种现象：如果它有一个电动机，它很可能具备再生制动的能力。当你松开油门时，电动机会产生一个电磁力，这个力会与车轮的前进运动相抵消。因此，你不会像在汽油车上那样滑行，而是会开始减速，类似于汽油车上的发动机制动。  再生制动是一种在电动车或混合动力车减速时发生的现象，它允许车辆在减速过程中回收能量。再生制动是电动汽车独有的功能，在电动汽车（EV）中，再生制动可以被认为是电动汽车传动效率的一个重要部分。它是一种能量回收机制，其中车辆的动能被转换成立即可用的形式或储存起来，直到需要时使用。它能在制动时（减速或下坡行驶）将车辆的动能转换回电能，否则会作为热能损失到刹车盘的能量。 再生制动系统的类型通常包括： 1.机械再生制动：在这种系统中，车辆的动能直接转换为机械能，存储在如飞轮等设备中，然后可以在需要时转换回动能。机械能存储涉及飞轮与驱动轮之间的物理连接，通常通过无级变速器（CVT）实现。  2.电气再生制动：这是电动车和混合动力车中最常用的类型，它使用电动机作为发电机，将动能转换为电能，存储在电池或其他电化学存储设备中。 3.液压再生制动：在某些系统中，动能可能被转换为液压能，存储在液压蓄能器中，然后用于其他用途，如车辆的悬挂系统。液压蓄能器用于以流体形式储存能量。（P-Pump M-Motor）  再生制动系统的目的是回收、储存和再利用车辆的部分制动能量，以提高燃油效率或增加电动和混合动力车辆（FEV和HEV）的续航里程。能量存储介质包括电动电池（和/或）超级电容器、飞轮和液压蓄能器。转换后的电能被储存在诸如电池、超级电容器和超高速飞轮等能量储存设备中。 飞轮是一种在制动时可以储存动能的旋转装置。超级电容器是再生制动系统中采用的最常见设备。超级电容器临时储存电荷。这种短暂的充电和放电周期比飞轮系统便宜，并且具有更高的能量密度。液压再生制动系统利用低压蓄能器、液压泵/电机和高压蓄能器来在压缩流体中存储能量。在制动时，泵由驱动轴提供动力，并将流体从低压蓄能器泵送到高压蓄能器，该蓄能器充有惰性气体以对工作流体施加压力。 通过储能从而延长整车行驶里程。这与内燃机车辆（ICE vehicles）中的传统制动不同，因为在那些车辆中，大多数制动时的能量会作为热能释放到大气中。这种类型的制动通过最小化能量消耗来提高车辆的整体效率，并且也延长了车辆制动系统的寿命。 然而，为了最大化再生制动的使用，再生制动功能具有一定的局限性。再生制动的量受到动力系统的有效容量、牵引力和电动汽车稳定性的限制。再生制动受到车辆速度、加速踏板和制动信号以及电池电压的限制。再生制动在低于一定速度时无法回收能量，并且可能损害车辆的整体效率。在使用再生制动系统时，电池的SOC不应超过90%，以避免电池过充。电池的SOC也不应低于10%，以避免电池过放。 加速和制动期间的高电池电流需求目前限制了可使用的再生制动量，所有再生制动系统技术的能量转换率都是挑战。大多数电机/发电机技术产生的制动力矩取决于速度；特别是，如图所示，当电机速度非常低时，扭矩会减小，因此，在低速下没有任何再生制动系统是有效的，摩擦制动可能仍将是必要的，以提供完整的道路车辆制动能力。  通常，电动汽车配备有再生-液压混合制动系统:将再生制动和摩擦制动结合起来，最大化使用再生制动系统。预计这将保持制动系统的稳定性，并且仍然能够回收大量能量。每当再生制动力矩不足以提供与传统车辆相同的减速率时，就会施加液压制动力矩。它们的分配控制如图。  目标是向驾驶员提供与在传统车辆中体验到的相同的制动感觉，同时保持最大再生制动。 再生制动系统通过将电动机的功能转变为发电机来工作。制动踏板可以用作将电动机功能转变为发电机的触发器，以便在减速过程中，车辆轮子的动能将被发电机转换为电能。 在低制动踏板力时，仅在驱动轮上施加再生制动力矩，且与踏板力成正比。非驱动轮上的制动力矩由液压制动产生，同时也与踏板力成正比。当踏板力超过一定限制时，在驱动轮上施加最大再生制动力矩，同时也在驱动轮上施加液压制动力矩，以补充所需的制动力矩。同时，保持最大再生制动力矩恒定，以完全回收动能。 下图显示了后轮驱动的电动汽车的制动控制系统的示意图。前后轴上都有机械制动，它们同时工作。  一般来说，机械制动系统应用液压系统，由于是后驱车，再生制动系统仅在后轮上实施。当驾驶员按下制动踏板时，根据控制系统的不同，它们将向机械制动和再生制动发出命令。再生制动通常用于轻度制动，而突然制动或紧急制动将由机械制动处理。再生制动的典型问题是响应缓慢，因为将电动马达转换为发电机需要一定的持续时间。此外，电动机作为发电机，吸收后轮动能的能力有限。对于紧急制动，机械制动系统必须负责制动过程。否则，可能会发生事故。 1.2 再生制动相关法规 在汽车应用中，最常见的再生制动系统是电动的，因此全世界有两种适用于轻型车辆电动再生制动系统的法规。到目前为止，还没有针对使用机械或流体存储的再生制动的法规，尽管针对电动系统的法规稍作修改后可能适用于其他类型。 在混合电动和电动车上实施的再生制动在世界大部分地区由联合国经济委员会欧洲经济委员会（UNECE，2011年）制定的文件所规范，该文件称为“13H号法规—关于采用统一技术规定，适用于可以安装和/或用于轮式车辆的设备和部件，以及基于这些规定授予的批准的相互认可条件的协议”。对于美国制造的车辆，相应的文件称为“联邦汽车安全标准135—轻型车辆制动系统”（美国交通部，2005年）。然而，13H号法规更为严格，特别是关于稳定性、分裂表面和对驾驶员输入的响应。目前，大多数监管机构都在向ECE法规靠拢，因此美国法规在这里仅供读者参考。 治理和法规的关键点包括： 1.全球法规：电动再生制动系统主要受联合国经济委员会欧洲经济委员会（UNECE）的13H号法规和美国交通部的联邦汽车安全标准135的规范。 2.A类和B类系统：A类系统不构成行车制动系统的一部分，而B类系统则构成行车制动系统的组成部分。 3.控制机制：A类系统由油门踏板或空挡位置控制（“单踏板”驾驶模式），而B类系统可能与基础制动器同时激活或按顺序激活。 4.防抱死控制（ABS）：如果车辆配备了ABS，B类系统必须由ABS控制，并且基础制动器必须能够自动补偿再生制动的扭矩变化。 5.法规协调：大多数监管机构正朝着ECE法规靠拢，这可能影响美国法规的适用性和重要性。 6.性能要求：法规强调了对稳定性、响应性和安全性的要求，确保再生制动系统在各种驾驶条件下都能可靠地工作。 7.技术适应性：虽然目前没有针对机械或流体存储的再生制动的专门法规，但现有的电动系统法规可以经过适当修改后适用于这些系统。 这些法规确保了再生制动系统在提高车辆能效和安全性的同时，满足必要的性能和安全标准。 1.3 再生制动的机理 制动力分布基于前后轴的制动比，其值来自车辆前后轴最大制动力的值。方程式 bf/br=bfmax/brmax 显示了车辆前后轴的制动力比。在公式中，bf 和 br分别是前轴和后轴的总制动力的比例，bfmax 和 brmax 分别是前轴和后轴的最大制动力。 前后轴最大制动力量的确定受到理想制动分布曲线的限制。  该值限制了前轮和后轮何时会锁死。如果制动力比例高于理想制动分布曲线，后轮会比前轮更早锁死。反之，低于制动分布的理想曲线，前轮会在后轮之前锁死。制动力还受到车轮和路面附着力的限制。理想制动力分配曲线的公式如下：   其中，bf和br分别是前轴和后轴的制动力，u是路面和车轮之间的摩擦系数，L是轴距，lr是车辆重心与后轴之间的距离，h是车辆重心与表面/路面之间的距离，W为整车重量。 如果是后驱车型，Fbr是由（电机）制动力和机械制动力。Fbr = Fregen+Fmechr。后轮制动力中电机再生制动力所占的百分比定义为参数k，即再生率。k的值通过将再生制动力除以前轮混合制动力来计算，如方程式所述：k=Fregen/（Fregen + Fmechr）。 为了估算制动负荷，引入了制动强度（z）的概念：  为了应对制动安全问题，汽车制造商根据相关标准应用制动法规。根据欧洲UN Regulation 13-H，对于所有装载状态（不涉及ABS干预），理论附着力参数（μ）的值在0.2和0.8之间时，两轴车辆的制动强度（z）必须满足方程式的要求：  为了满足更高的制动安全性要求，联合国法规13-H实际应用的需求因子（0.70）被一个更大的安全因子（0.85）所取代，如下图（制动力前后轴分布图）中的红色曲线所示。值得注意的是，理想曲线的安全标准高于ECE曲线，后者对前后轴都有较好的分布要求。  图中的实线蓝色曲线代表“理想制动力分布”曲线。制动分配策略的设计遵循这两条曲线，以在制动安全性和能量回收效率之间取得满意的平衡。 再生制动系统通过将电动机转换为发电机来工作。制动踏板可以作为触发器，用于将电动机的功能转换为发电机，以便在减速时，电动机的动能将被转换为电能。然后，这种电能可以储存在电池中，以增加电池中的能量，从而延长电动汽车的行驶里程。 由于可以恢复的电能量受所用电动机规格的限制，电动汽车的制动系统需要将再生制动和摩擦制动结合起来。制动控制系统可以实施以最大化再生制动系统的使用。预计制动系统将保持稳定，并仍能回收大量能量。在配备再生制动的BEV中，可以采用串联、并联或其他经过修改的策略来节省电池。在串联制动控制策略中，将使用再生制动至轮胎和路面可以接收的最大扭矩值，然后剩余部分使用机械制动。同时，并联制动控制系统是同时使用再生制动和机械制动的制动系统。下图显示了三种制动控制系统的差异，即串联制动控制系统和并联制动控制系统以及串行系统的修改。  后轮驱动车辆的制动控制系统包括前轴液压制动（橙色）、后轴液压制动（黄色）和再生制动（绿色） 如图所示的后驱车辆的制动控制系统由三部分组成：前轴的液压制动（橙色）、后轴的液压制动（黄色）以及再生制动（绿色）。在这种系统中，不同类型的制动被用于不同的制动需求和驾驶条件，以实现最佳的制动效果和能量回收效率。 1.前轴液压制动（橙色）：这部分制动系统使用液压来增加制动力，通常在需要较大制动力时使用，如紧急制动或高速制动。 2.后轴液压制动（黄色）：由于车辆为后驱，后轴的制动对于车辆的稳定性和操控性至关重要。液压制动可以在需要时提供额外的制动力，尤其是在再生制动不足以提供所需制动力的情况下。 3.再生制动（绿色）：再生制动利用电动车的电动机作为发电机，将车辆的动能转换为电能，从而在减速时回收能量。这种制动方式在电动车中尤为重要，因为它可以显著提高能源效率并延长电池的使用寿命。 再生制动模型的核心在于如何有效地将动能转换为电能，并将其存储在电池或其他能量存储设备中。这种转换的效率取决于多种因素，包括电动机的设计、电池的充电状态、车辆的速度和制动需求等。 可以看出，每种策略根据制动踏板位置的大小来分配制动力。并行制动系统将均匀分配车辆所需减速的制动力。 相比之下，串行制动系统将最大化再生制动功能，并与前轮的液压制动结合使用。如果所需的制动力超过了电动机的最大再生制动能力，前轴或后轴的两个液压制动器将一起使用。修改后的制动系统是串行策略的扩展。这是因为串行策略可以比并行策略恢复更多的能量。不同之处在于，修改后的制动将完全使用再生制动，直到电动机能力的最大极限。如果所需的制动力值超过了电动机能力的最大限制，将使用前轴和后轴的液压制动来执行制动。再生制动系统的效率和效果受到多种因素的影响，包括驾驶员的驾驶习惯、道路条件、车辆速度和车辆的特定技术配置。因此，车辆制造商和工程师需要仔细考虑这些因素，以设计出最佳的再生制动系统，实现最大的能量回收和利用。 电气再生制动系统的设计和优化对于提高电动车的能源利用效率和续航里程至关重要。通过精确控制制动过程中的能量回收，电动车可以在不同的驾驶条件下实现更好的性能，同时减少对环境的影响。 #02 再生制动是否可以取代机械 摩擦制动？ 在赛车领域，尤其是电动方程式赛车（Formula E，简称FE）中，能量回收系统（Energy Recovery System，简称ERS）的应用达到了新的高度，其中第三代FE赛车取消了后轮的机械制动系统，完全依赖ERS进行减速。  这些赛车使用了一个前置电机专门用于能量回收，使得后轮的减速不再需要传统机械制动的参与。与前一代赛车相比，ERS系统的功率从350kW提升至600kW，显著增加了制动时的能量回收效率。尽管后轮完全采用再生制动，前轮依然配备有传统制动系统，允许驾驶员调整刹车平衡，以适应多变的赛道条件和驾驶需求。这种设计减少了能量转换过程中的损失，提升了能效，同时对ERS系统的稳定性和热管理系统提出了更高要求，以应对高负荷制动时产生的热量。为了安全性，赛车保留了前轮的机械制动系统作为备份。FE赛车的ERS系统不仅展示了电动车在极限条件下的性能潜力，而且促进了电动车技术的创新和发展，这些技术有潜力未来被应用于量产电动车，特别是在城市环境中的频繁起停和低速行驶工况下。电动方程式赛车通过这些先进技术的应用，不仅提供了精彩的赛事体验，也成为了电动车技术创新的重要平台，推动了电动车技术的普及和发展。 在民用车领域，新款保时捷Taycan在再生制动技术方面实现了显著提升，其能量回收功率从之前车型的320千瓦提高到了400千瓦。这一改进不仅增强了车辆在减速时的能量回收效率，也意味着Taycan现在可以仅依靠再生制动系统实现接近0.5g的减速度，而之前的版本这一数字为0.3g。 可以看出再生制动的能力在不断得到提升，未来是否会出现一款真正的完全取消机械制动的量产车型，还需要进行相关的研究以及高水平技术的普及。  接下来总结下目前再生制动无法取代机械制动的相关关键点： 1.电动机制动特性：
2.日常驾驶与赛车应用：
3.制动系统的未来：
4.技术挑战与设计：
5.摩擦制动器的角色：
6.安全系统依赖：
7.再生制动的限制：
8.电池与再生制动：
9.效率与损耗：
10.驾驶方式与系统校准：
11.电池管理系统（BMS）：
总结来说，电动汽车的再生制动系统是一个提高能效和减少制动系统磨损的重要特性，但它并不是一个万能的解决方案。再生制动系统的有效性受到多种因素影响，包括电池状态、车速、温度等，而且它不能完全取代摩擦制动系统，特别是在安全关键的应用中。未来的电动汽车设计可能会进一步集成和优化再生制动技术，以提高整体性能和效率。 参 考： 1-2025 Porsche Taycan Gets Range, Efficiency Upgrades Thanks To These Tweaks (insideevs.com) 2-无转向柱和刹车卡钳！比亚迪仰望全新技术概念车展示：全球领先--快科技--科技改变未来 (mydrivers.com) 3-能量回收 到底有多少用？_腾讯新闻 (qq.com) / END / |
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