完整版新能源汽车电制动简述.docx

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完整版新能源汽车电制动简述

新能源汽车电制动简述

概括：

全文共5部分。

第一部分，纯电动汽车制动系统概

述，主要介绍电动真空助力系统的主要构成元件和工作原理；

第二部分，混淆动力汽车制动系统，主要介绍混淆动力汽车电

子制动控制系统的主要构成元件和工作原理；第三部分，制动

能量回收系统，主要介绍制动能量回收系统的原理和能量回收

模式；第四部分，拓展知识，主要介绍EMB电子机械制动系统、

brake-by-wire的发展简介；第五部分，事例，主要介绍本田第四代IMA混淆动力系统的制动能量回收系统控制；第六部，传统汽车刹车系统，主要介绍鼓式和盘式刹车。

一、纯电动汽车制动系统

纯电动汽车采纳的液压制动系统与传统汽车基本结构差异不大，可是在液压制动系统的真空协助助力系统和制动主缸两个零件上存在较大的差异。

绝大部分的汽车采纳真空助力伺服制动系统，

人力和助力

并用。

真空助力器利用前后腔的压差供应助力。

传统汽车真空

助力装置的真空源来自于发动机进气歧管，真空度负压一般可

达到0.05～。

关于纯电动汽车因为没有发动机总成即没

有了传统的真空源，仅由人力所产生的制动力没法知足行车制

动的需要，往常需要独自设计一个电动真空泵来为真空助力器

供应真空源。

这个助力系统就是电动真空助力系统，即

EVP系

统（ElectricVacuumPump，电动真空助力）。

1

如图1所示，电动真空助力系统由真空泵、真空罐、真空泵控制器（后期集成到VCU整车控制器里）以及与传统汽车同样的真空助力器、12V电源构成。

电动真空助力系统的工作过程为：

当驾驶员起动汽车时，车辆电源接通，控制器开始进行系统自检，假如真空罐内的真空度小于设定值，真空罐内的真空压力传感器输出相应电压信号至控制器，此时控制器控制电动真空泵开始工作，当真空度达到设定值后，真空压力传感器输出相应电压信号至控制器，此时控制器控制真空泵停止工作。

当真空罐内的真空度因制动耗费，真空度小于设定值时，电动真空泵再次开始工作，这样循环。

（一）电动真空助力系统的主要构成元件

以下介绍电动真空助力系统的主要构成元件。

（1）真空泵

真空泵是指利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被

抽容器进行抽气而获取真空的器件或设施。

平常来讲，真空泵

2

是用各样方法在某一封闭空间中改良、产生和保持真空的装置，汽车上往常采纳如图2所示的电动真空泵。

图2北汽EV系列车型真空泵

（2）真空罐

真空罐用于储藏真空，并经过真空压力传感器感知真空度

并把信号发送给真空泵控制器，如图3所示。

图3真空罐（电线插头地点为真空压力传感器）

3

（3）真空泵控制器

真空泵控制器是电动真空系统的核心零件。

真空泵控制器

依据真空罐真空压力传感器发送的信号控制真空泵工作，如图4

所示。

图4真空泵控制器

（二）电动真空助力系统的工作原理

以下介绍真空泵控制器对电动真空系统的控制原理。

（1）电动真空助力系统性能参数见表1

4

（2）真空泵起动策略

当驾驶员起动车辆时，12V电源接通，电子控制系统模块开

始自检，假如真空罐内的真空度小于设定值，真空压力开关处于常开状态，此时电动真空泵开始工作，当真空度大于设定值时，真空压力开关或传感器处于常闭状态，电子延时模块立刻

进入延时工作模式，15s左右延不时间停止。

此时真空罐内的真空度达到设定值，电机停止工作，当真空罐内的真空度因制动

耗费，真空度小于设定值时，真空压力开关或传感器再次处于常开状态，电动真空泵再次开始工作，这样循环。

（3）真空泵工作原理

电线连结好后，接通12V直流电源，控制器接通真空泵电

机开始工作，当真空度达到－55kPa时真空压力开封闭合，输出

高电平信号给控制器，控制器在接收到信号后延时10s，电机停

止工作。

二、混淆动力汽车制动系统

以典型的丰田普锐斯混淆动力汽车的THS-II（第二代重生

制动）制动系统为例，介绍混淆动力汽车的制动系统。

丰田普锐斯混淆动力汽车的THS-II制动系统属于ECB（电

子控制制动）系统。

THS-II制动系统可依据驾驶员踩制动踏板的程度和所施加的力计算所需的制动力。

而后，此系统施加需要的制动力（包含重生制动力和液压制动系统产生的制动力）并有效地汲取能量。

5

THS-II制动系统的构成包含制动信号输入、电源和液压控

制部分，撤消了传统的真空助力器。

正常制动时，主缸产生的液压力换成液压信号，而不是直接作用在轮缸上，经过调整作用于轮缸的制动履行器上液压源的液压获取实质控制压力。

THS-II制动系统构成，如图5所示。

图5THS-II制动系统构成

ECBECU和制动防滑控制ECU集成在一同，并和液压制动系统（包含带EBD的ABS、制动助力和VSC＋）一同对制动进行综合控制。

VSC＋系统除了有正常制动控制VSC功能外，还可以依据车辆

行驶状况和EPS配合，供应转向助力来帮助驾驶员转向。

THS-Ⅱ系统采纳电动机牵引控制系统。

该系统不只拥有旧

车型上的THS系统拥有的保护行星齿轮和电动机的控制功能，

6

并且还可以对滑动的车轮施加液压制动控制，把驱动轮的滑动减

小到最低限度，并产生合适路面状况的驱动力。

THS-Ⅱ系统制动系统的功能，见表2。

（一）混淆动力汽车电子制动控制系统的主要构成元件ECB（电子控制制动）系统的主要零件有：

制动踏板行程传

感器、制动灯开关、行程模拟器、制动防滑控制ECU、制动履行

器、制动主缸、备用电源装置。

丰田普锐斯混淆动力汽车的主

要制动组件地点，如图6所示。

混淆动力制动系统的主要零件，

如图7所示。

7

图6普锐斯混淆动力汽车主要制动组件

图7混淆动力制动系统的主要零件

（1）制动踏板行程传感器和制动灯开关

制动踏板行程传感器和制动灯开关，如图8所示。

制动踏板行程传感器直接检测驾驶员踩下制动踏板的程

度。

此传感器包含触点式可变电阻器，它用于检测制动踏板行

程踩下的程度并发送信号到制动防滑控制ECU，信号采纳反向冗

余设计。

制动灯开关的作用与传统汽车同样，作为控制制动灯

及制动踏板动作信号。

8

图8制动踏板行程传感器

（2）行程模拟器

行程模拟器如图9所示，制动时依据踏板力度产生踏板行程。

行程模拟器位于主缸和制动履行器之间，它依据制动中驾驶员踩制动踏板的力产生踏板行程。

行程模拟器包含弹簧系数不一样的两种螺旋弹簧，拥有对应于主缸压力的两个阶段的踏板行程特色。

图9行程模拟器

（3）制动防滑控制ECU

汽车制动防滑控制系统是制动防抱死系统和驱动防滑系统

的统称。

制动防滑控制ECU办理各样传感器信号和重生制动信

号以便控制重生制动联合控制、带EBD的ABS、VSC＋制动助力

和正常制动。

依据各传感器信号来判断车辆行驶状况，并控制制动履行器。

（4）制动履行器

9

制动履行器如图10所示，包含以下部分：

（5）制动主缸

混淆动力汽车撤消了传统汽车制动主缸上的真空助力器，

采纳了电动机液压助力。

制动主缸仍采纳双腔串连形式，一旦电动机液压助力无效，制动主缸的前腔和后腔将分别对汽车的

左前轮和右前轮进行制动，所以这个主缸也成为前轮制动主缸。

（6）备用电源装置

如图11所示，备用电源装置用以保证给制动系统稳固的供

电，该装置包含28个电容器电池，用于储藏车辆电源（12V）供应的电量。

当车辆电源电压（12V）降落时，电容器电池中的

电就会作为协助电源向制动系统供电。

封闭电源开关后，HV系

统停止工作时，储存在电容器电池中的电量被开释。

维修中电源开关封闭后，备用电源装置就处于放电状态，但电容器中仍有必定的电压。

在从车辆上拆下备用电源装置或将其翻开检查盒内部以前，必定要检查它的节余电压，若有必需则将其放电。

图11备用电源装置

10

（二）混动汽车制动系统的工作原理

电源开关（电源信号）翻开后，蓄电池向控制器供电，控制器开始工作，此时EMB信号灯显示系统应正常工作。

驾驶员进行制动操作时，第一由电子制动踏板行程传感器探知驾驶员

的制动企图（踏板速度和行程），把这一信息传给ECU。

ECU齐集轮速传感器、制动踏板行程传感器等各路信号。

依据车辆行

驶状态计算出每个车轮的最大制动力。

再发出指令给履行器（电机），让其履行各车轮的制动。

电动机械制动器能迅速而精准

地供应车轮所需制动力，进而保证最正确的整车减速度和车辆制动成效。

（三）重生制动联合控制

如图12所示，在制动时，电动机MG2起到发电作用，和电

动机MG2转动方向相反的转动轴产生的阻力是重生制动力的来

源。

发电量（蓄电池充电量）越多，阻力也越大。

图12重生制动联合控制

11

驱动桥和MG2经过机械方式连结在一同，驱动轮带动MG2转动而发电，MG2产生的重生制动力就会传到驱动轮，这个力由控制发电的THS-Ⅱ系统进行控制。

重生制动联合控制和传统制动方式最大的差异是，前者并

不但靠液压系统产生驾驶员所需的制动力，而是THS-Ⅱ系一致

起联合控制供应重生制动的合制动力。

这样控制能够最大限度

地减少正常液压制动的动能损失，并把这些动能转变成电能。

在THS-Ⅱ系统中，因为采纳了THS-Ⅱ系统，使MG2的输出功率获取了增添，THS-Ⅱ增大了重生制动力。

此外，因为采纳

ECB系统，制动力获取了改良，进而有效地增添了重生制动的使

用范围。

这些提高了系统恢复电能的能力，进而提高了燃油经

济性，如图13所示。

图13改良的重生制动三、制动能量回收系统

制动能量回收是电动汽车与混淆动力汽车重要技术之一，

也是它们的重要特色。

在一般内燃机汽车上，当车辆减速、制动时，车辆的运动能量经过制动系统而转变成热能，并向大气中开释。

而在电动汽车与混淆动力汽车上，这类被浪费掉的运

12

14所示。

动能量已可经过制动能量回收技术转变成电能并储藏于蓄电池中，并进一步转变成驱动能量。

比如，当车辆起步或加快时，需要增大驱动力时，电机驱动力成为发动机的协助动力，使电能获取了有效应用。

制动能量回收系统车辆的仪表板，如图

图14制动能量回收系统车辆的仪表板

（一）制动能量回收系统的原理

一般状况下，在车辆非紧迫制动的一般制动场合，约

1/5

的能量能够经过制动回收。

制动能量回收依据混淆动力的工作方式不一样而有所不一样。

在发动机气门不断止工作场合，减速时能够回收的能量约是车辆运动能量的1/3。

经过智能气门正时与升程控制系统负气门停止工作，发动机自己的机械摩擦（含泵气损失）能够减少

约70%。

回收能量增添到车辆运动能量的2/3。

制动能量回收系统包含与车型相适配的发电机、蓄电池以

及能够监督电池电量的智能电池管理系统。

制动能量回收系统

13

回收车辆在制动或惯性滑行中开释出的剩余能量，并经过发电机将其转变成电能，再储藏在蓄电池中，用于以后的加快行驶。

这个蓄电池还可为车内耗电设施供电，降低对发动机的依靠、燃油耗费及二氧化碳排放。

混淆动力汽车在车辆减速时，能够经过在发动机与电机之间设置离合器，使发动机停止输出功率而得以解决。

但制动能量回收还波及混淆动力汽车的液压制动与制动能量回收的复杂均衡或条件优化的协调控制。

那么，为何能够经过驱动电机能够回收车辆的运动能量呢？

纲要地说，其原由就是电机工作的逆过程就是发电机工作状态。

电学基础理论说明，电机驱动的工作原理是左手定章，而电机发电的工作原理则是右手定章。

因为电机运行，线圈在阻挡磁通变化的方向上发生电动势。

该方向与使电机旋转而流动的电流方向相反，称为逆电动势。

逆电动势跟着转速的增添而上涨。

因为转速增添，本来使电机旋转而流动的电流，其流动阻力加大，最后达到某一转速后，转速不再增添。

当制动时，经过电机的电流被切断，代之而发生逆电动势。

这就是使电机

起到发电机作用的制动能量回收的原理。

上述这类电机称为“电动机发电机”。

但是，当制动能量回收制动实行时，怎样办理行车制动？

行车制动时，制动踏板行程（或强度）怎样与制动能量回收系统保持协调关系？

这是因为起到制动能量回收作用的制动部分，会惹起减少行车制动的制动力。

14

关于行车制动来说，从制动能量回收中所起作用考虑，一定在减少行车制动的制动力方面作出相应举措。

在制动力减少的同时，制动踏板的踏板力要求与踏板行程相对应。

重要的是，无论发生或不发生制动能量回收，与往常车辆同样，制动踏板的作用依旧存在，为此，人们开发了一种称为行程模拟器（StrokeSimulator）的装置。

（二）制动能量回收系统的能量回收模式

依据车辆运行状况，制动能量回收系统的能量回收具备不一样的模式。

（1）发动机封闭时滑行/制动状态下的能量回收模式

在发动机封闭时滑行/制动状态下的能量回收模式，如图15

所示。

在发动机封闭时滑行/制动状态下，发动机与电机离合器

翻开，电机/发电机离合器闭合，能量仅经过电机/发电机回收。

图15发动机封闭时滑行/制动状态下的能量回收模式

（2）发动机倒拖时滑行/制动状态下的能量回收模式

15

在发动机倒拖时滑行/制动状态下的能量回收模式，如图16所示。

在发动机倒拖时滑行/制动状态下，发动机与电机离合器闭

合，电机/发电机离合器闭合，能量除了经过电机/发电机回收外，一部分用于发动体制动（此时发动机切断燃油供应）。

图16发动机倒拖时滑行/制动状态下的能量回收模式

（3）发动机起动时滑行/制动状态下的能量回收模式

在发动机起动时滑行/制动状态下的能量回收模式，如图17

所示。

在发动机起动时滑行/制动状态下，发动机离合器翻开，电

机/发电机离合器闭合，能量仅经过电机/发电机回收。

16

图17发动机起动时滑行/制动状态下的能量回收模式四、拓展知识

（一）EMB电子机械制动系统分析

跟着花费者对车辆安全性愈来愈重视，车辆制动系统也历

经了数次变迁和改良。

从最初的皮革摩擦制动，到此后的鼓式、

盘式制动器，再到此后的机械式ABS制动系统，陪伴着电子技

术的发展又出现了模拟电子ABS制动系统、数字式电控ABS制

动系统等等。

近来几年来，西方发达国家又盛行了对车辆线控系统

（x-by-wire）的研究，线控制动系统（brake-by-wire）应运

而生，由此睁开了对电子机械制动器（ElectromechanicalBrake）的研究，简单来说电子机械制动器就是把原出处液压或许压缩空气驱动的部分改为由电动机来驱动，借以提高响应速

度、增添制动效能等，同时也大大简化了却构、降低了装置和保护的难度。

因为人们对制动性能要求的不断提高，传统的液压或许空

气制动系统在加入了大批的电子控制系统如ABS、TCS、ESP等

17

后，结构和管路部署更加复杂，液压（空气）回路泄露的隐患

也在加大，同时装置和维修的难度也随之提高。

所以，结构相

对简单、功能集成靠谱的电子机械制动系统愈来愈遇到人们青

睐。

能够预示，EMB将最后取代传统的液压（空气）制动器，成

为未来车辆的发展方向。

（二）brake-by-wire的发展简介

brake-by-wire是指一系列智能制动控制系统的集成，它提

供诸如ABS、车辆稳固性控制、助力制动、牵引力控制等等现有制动系统的功能，并经过车载有线网络把各个系统有机地联合

成一个完好的功能系统。

原有的制动踏板用了一个模拟发生器代替，以接受驾驶员的制动企图，产生、传达制动信号给控制和履行机构，并依据必定的算法模拟反应给驾驶员。

不言而喻，它需要特别安全靠谱的结构，用以正常的工作。

因为技术发展程度的限制，当前出现了两种形式的

brake-by-wire系统：

EHB与EMB。

（三）EHB系统

EHB（Electro-HydraulicBrale）即线控液压制动器，是

在传统的液压制动器基础上发展而来的。

EHB用一个综合的制动

模块来取代传统制动器中的压力调理器和ABS模块等，这个综

合制动模块包含了电机、泵、蓄电池等零件，它能够产生并储

存制动压力，并可分别对4个轮胎的制动力矩进行独自调理。

比起传统的液压制动器，EHB有了明显的进步，其结构紧凑、改

善了制动效能、控制方即靠谱、制动噪声明显减小，不需要真

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空装置，供应了更好的制动踏板感觉。

因为模块化程度的提高，

在车辆设计过程中又提高了设计的灵巧性、减少了制动系统的

零零件数目、节俭了车内制动系统的部署空间。

可见，对比传

统的液压制动器，EHB有了很大的改良。

可是EHB仍是有其限制

性，那就是整个系统仍旧需要液压零件。

EHB的出现主假如为此后研究和生产EMB打下基础、累积大

量的生产经验。

早在1993年，福特企业就有一款电动汽车采纳

了EHB，此后通用企业也在一款轿车上采纳了EHB制动系统。

（四）EMB简介

假如把EHB称为“湿”式brake-by-wire制动系统的话，

那么EMB就是“干”式brake-by-wire制动系统。

EMB是

ElectromechanicalBrake的英文简称，它和EHB以及HB的最

大差异就在于，不再需要制动液和液压零件，制动力矩完好部是

经过安装在4个轮胎上的由电机驱动的履行机构产生。

所以，

相应撤消了制动主缸、液压管路等零件，能够大大简化制动系

统的结构，便于部署、装置和维修，更加明显的是跟着制动液

的撤消，关于环境的污染大大降低了。

此外，因为相应能够撤消好多现有零件，所以，能够大大

减小系统的质量，便于对车辆底盘进行综合主动控制。

其突出

的长处是：

不需要制动管路，进而降低了制造成本和安装部署

的难度，制动效能获取了提高、性能稳固；不需要制动液，降

低了成本并且保护环境；便于融入到车辆综合控制的网络中去

（CAN总线）；因为减少了零件数，降低了对空间的占用；还由

19

于制动踏板只供应参照输入不直接作用于制动系统之上，进而

便于改良踏板性能。

（1）EMB的发展和现状

EMB起初是应用在飞机上的，此后才慢慢转变应用到汽车上

来。

EMB与传统的制动系统有着极大的差异，其履行和控制机构

需要完好从头设计。

其履行机构需要能够把电动机的转动安稳

转变成制动蹄块的平动、能够减速增矩、能够自动赔偿因为长

期工作而产生的制动空隙等，并且因为体积的限制，其结构也

一定奇妙和紧凑，这是整个EMB系统中特别重要的构成部分；

其控制部分也要求能精准控制电动机的转速和转角进而防备制

动抱死。

近来几年，一些国际大型汽车零配件厂商和汽车厂进

行了一些关于EMB制动系统的研究工作，主要参加竞争的企业

有：

Conti-nentalTeves、Siemens、Bosch、Eaton、AlliedSignal、Delphi、VarityLucas、Hayes等，而国内在此项目上也进行了一些有关的研究工作。

EMB的设计初衷之一就是为了提高行车安全性，EMB的响应

速度快（约0.01s），能够大大提高制动系统的性能，进而提高

行车安全性。

西门子VDO设计的EWB（楔块式电子机械制动器）

不但响应速度快，并且很好地利用了增力原理，制动效能高、

能耗低、制动器体积小，西门子企业曾对此进行过装车试验，

整体表现仍是很优异的。

靠谱性的确是EMB急需解决的问题，

也是此刻的技术难点，因为一旦电控系统无效，应有举措保证

车辆拥有足够的能力制动。

20

（2）EMB系统的结构和分类

关于EMB系统的机械履行机构，它直接接受电动机产生的

力矩，并放大作用到制动盘上，其结构应当知足以下几个基本

要求：

1.结构紧凑、便于部署。

2.能够把转动转变成平动。

3.有减速增矩、自增力机构。

4.能够自动赔偿制动空隙。

5.能够供应泊车时的驻车制动。

6.安全靠谱、工作时间长。

总的来说，EMB制动系统从节俭能量的角度来说能够分为两个大类，其一是电动机直接带动机械履行机构而后作用到制动

盘上，其典型是ContinentalTeves企业研制的制动器；第二类是电动机经过一个自增力机构，间接作用到制动盘上，能够大

大降低系统所耗费的能量，GermanAerospaceCenter（DLR）内部资料显示其企业研制的EMB制动系统eBrake比第一类结构节俭了约83%的能量。

第一种结构形式的制动器特色是控制简单，

制动过程稳固；可是，因为电机供应全部推进制动块所需的推力，使得所需的驱动电机的功率很大，进而造成电机的尺寸、质量和能耗都较大。

第二种结构形式的制动器，因为间接利用

了汽车的动能作为制动自增力，驱动电机所需功率可大幅降落，只要要约3%的其余代替方案的能耗，其体积、尺寸和质量也必定比第一种结构形式的制动器小，可是当前这类形式的制动器

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控制难度大，制动稳固性也不如前者。

汽车作为一种地面交通工具，行驶、转向、泊车是其三个

基本功能。

而此中泊车功能就是由汽车的制动系统来达成的。

“安全、节能、环保”是汽车未来发展的三大主题，制动系统

作为汽车的一个重要构成部分，直接影响到汽车的安全性。

EMB

制动系统是以电能作为能量根源，由中心控制模块控制，由电

机经过传动装置产生促动力驱动制动钳，实现制动功能的崭新

制动系统，与传统制动系统对比，EMB系统拥有以下长处：

制动系统用电线传达能量、数据线传达信号，完好摒

弃了原有的液压管路等零件，并且无真空助力器，结构简短、

质量轻、体积小，便于发动机舱其余零件的部署，也有益于减

轻整车重量和整车结构的设计与部署。

采纳了电控，易于并入车辆综合控制网络中（CAN总

线），并且能够同时实现ABS、TCS、ESP、ACC等多种功能，这

些电子装备的传感器、控制单元等零件能够与EMB共用，而无

需增添其余的附带装置。

防止了像传统制动系统那样，在制动

系统线路上安装大批的电磁阀和传感器，使得制动系统结构更

加复杂，也增添了液压回路泄露的隐患。

3.在传统的制动系统中，制动踏板至制动主缸的机械结构以及气压、液压系统的固有特征，使得制动反响时间长、动向

响应速度慢。

制动力由零增添到最大需要0.2～0.9s，并且当需

要较小的制动力时，动向响应更慢。

而EMB制动系统就不存在

这样的问题，EMB以踏板模拟器取代了传统的机械制动踏板传力

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装置，中心控制单元接受踏板模拟器传来的电信号，判断驾驶

员的企图，产生相应的控制命令，这样便大大缩短了制动反响

时间，并且改良了制动时的脚感，无打脚