CN102806856B - 集成机电制动器和轮边缓速器的混合制动系统及制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种使用在电动汽车上的集成机电制动器和轮边缓速器的混合制动系统及制动方法，混合制动系统由电磁混合制动器、信号线、蓄电池、电源线、制动踏板、制动踏板模拟器、电子控制单元、缓速器控制器、制动电机控制器和各种传感器组成，每个车轮上配有一个电磁混合制动器，每个电磁混合制动器集成有电子机械式制动器和轮边缓速器，优先使用轮边缓速器制动，当不需要制动停车时就不启动电子机械式制动器工作，由于电子机械式制动系统消耗了蓄电池的能量，因此减少使用电子机械式制动系统，有助于提高了能源的利用率；大强度制动时立即开启轮边缓速器制动，而电子机械式制动器缓慢加载电流进行启动，有利于保护蓄电池的性能。

Description

集成机电制动器和轮边缓速器的混合制动系统及制动方法

技术领域

本发明涉及使用在电动汽车上的制动系统，具体是电磁混合制动系统。

背景技术

目前，使用在电动汽车上的电子机械式制动系统（即“EMB系统”）由电子控制单元、传感器等组成，制动踏板和车轮制动器之间不存在任何液压管路连接，采用传感器感知驾驶员的制动意图并传入电子控制单元（即“ECU”）中，控制相应的EMB执行机构运动产生所需的制动压力。EMB系统的优点是不需要真空助力器和液压制动管路等部件，使得整车布置更加方便，响应速度更快，控制更加精确，并可以集成其他控制功能如ABS、ASR、VSC、ESP等。但EMB系统本身存在不少应用的限制：首先是电机可靠性的限制：制动过程中需要频繁的启动、停止以及反转电机，这对电机性能要求很高；每一个车轮配备一个EMB执行器实施制动，单回路制动可靠性不高，没有考虑到机械或电气失效等极端情况下的制动需求；其次是能源利用率不高的限制，EMB系统的执行电机要尽量工作在一定的最佳工作效率区间内才能有效提高能源利用率；而且制动过程中频繁的启动、停止以及反转电机十分消耗能量。最后是蓄电池性能的的限制：EMB系统在获得需要提供较大的制动强度的信号时，ECU向电池能源管理系统和执行电机控制器发出指令，蓄电池给出较大的阶跃电流驱动执行电机；当制动结束时，为了减少制动力消除时间，也需要蓄电池发出较大的阶跃电流使电机反转以消除制动力。 

目前，使用在电动汽车上的摩擦制动器具有热衰退性这一固有的缺陷，影响汽车的制动安全性能。在摩擦制动器上安装轮边缓速器可以弥补摩擦制动器的缺陷。轮边缓速器具有以下的优点：首先，能够承负汽车运行中大部分制动负荷，使车轮摩擦制动器的温升大为降低，缓解或避免车辆跑偏、传统刹车失灵和爆胎等安全隐患。其次，采用电流直接驱动，无中间环节，其操纵响应时间非常短，仅40毫秒；可以通过控制驱动的电流控制轮边缓速器输出的制动力矩大小，响应迅速、控制精确。但是轮边缓速器也有其固有的缺点，即在转子盘转速降到一定值就不能再工作，因此若独立使用无法使汽车制动停车只能作为辅助制动装置。

发明内容

为了进一步改善汽车的制动安全性能，本发明提供一种集成机电制动器和轮边缓速器的电磁混合制动系统及制动方法，实现对电子机械式制动器和非接触式轮边缓速器的独立控制，使其控制更加精确，响应更加迅速，在提高能源利用率的同时起到保护蓄电池的作用。

本发明提供的技术方案是：本发明集成机电制动器和轮边缓速器的混合制动系统由电磁混合制动器、信号线、蓄电池、电源线、制动踏板、制动踏板模拟器、电子控制单元、缓速器控制器、制动电机控制器和各种传感器组成，每个车轮上配有一个电磁混合制动器，每个电磁混合制动器集成有电子机械式制动器和轮边缓速器，轮边缓速器具有内制动盘、外制动盘、线圈及铁心、转子轴、定子支架，内制动盘与外制动盘分别固套在转子轴上；电子机械式制动器包括制动电机、传动减速机构和作用于内制动盘的制动钳；电子控制单元通过信号线与各种传感器、制动电机控制器、缓速器控制器连接，蓄电池通过电源线分别连接缓速器控制器和制动电机控制器，缓速器控制器连接线圈，制动电机控制器连接制动电机。

上述的混合制动系统的制动方法提供的技术方案是具有如下步骤：1）在汽车行驶过程中，电子控制单元通过各种传感器收集汽车状态的各种信息；当汽车需要减速时，驾驶员踩下制动踏板，制动踏板模拟器收集到制动踏板力的大小，电子控制单元计算出驾驶员需要的制动强度的大小；2）当轮边缓速器提供的最大制动强度大于所述驾驶员需要的制动强度时，轮边缓速器的线圈通电，制动电机不工作；3）当轮边缓速器提供的最大制动强度小于所述驾驶员需要的制动强度时，轮边缓速器中的线圈通电，制动电机工作；4）当其中一个车轮上的轮边缓速器失效时，电子控制单元计算和检测出另外一同轴车轮轮边缓速器提供制动力矩的大小，使控制轮边缓速器失效车轮的这一制动电机控制器控制制动电机从蓄电池获得相应电压的大小和持续时间，使制动电机作用在内制动盘上的制动力矩等于失效的轮边缓速器提供的制动力矩；5）当一个车轮上的制动电机和传动减速机构失效时，电子控制单元控制相应的同轴两个车轮上的缓速器控制器，使电流从蓄电池流入相应的两个轮边缓速器的线圈中，使内、外制动盘制动；当汽车减速到轮边缓速器最小工作速度时，电子控制单元控制缓速器控制器使蓄电池不再向线圈提供电流，两个轮边缓速器停止工作。

上述技术方案中的混合制动系统优先使用非接触式轮边缓速器制动，当不需要制动停车时就不启动电子机械式制动器工作，能够充分利用利用车轮高转速的区间，由于电子机械式制动系统消耗了蓄电池的能量，因此减少使用电子机械式制动系统有助于提高了能源的利用率；大强度制动时立即开启缓速器制动，而电子机械式制动器缓慢加载电流进行启动，这样有利于保护蓄电池的性能；采用电子机械式制动器和非接触式轮边缓速器集成在一起的电磁混合制动器不再需要液压制动系统，系统省去了液压制动系统部件，使布置更加方便控制更加精确，适合在电动汽车上使用；每一车轮配有一个电子机械式制动器和一个非接触式轮边缓速器，形成两套制动回路，制动安全可靠性大大提高。

附图说明

图1是电磁混合制动器结构示意图；

图2是本发明集成机电制动器和轮边缓速器的混合制动系统在电动汽车上的安装示意图；

图3是轮边缓速器制动力矩—转速曲线；

图中：1.定子支架；2.螺栓；3.内制动盘；4.制动电机；5.传动减速机构；6.制动钳；7.线圈及铁心；8.外制动盘；9.转子轴；10.蓄电池；11.电子控制单元；12.缓速器控制器；13.传感器；14.电源线；15.制动踏板；16.制动踏板模拟器；17.信号线；18.制动电机控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式描述本发明的电磁混合制动系统的结构及制动方式。

如图1所示电磁混合制动器，它集成了电子机械式制动器和非接触式轮边缓速器，每个车轮上配有一个电磁混合制动器，每个电磁混合制动器配备了一个EMB控制器和缓速器控制器，实现对电子机械式制动器和非接触式轮边缓速器的独立控制，两套制动回路独立工作互不干扰。

非接触式轮边缓速器由内制动盘3、外制动盘8、线圈及铁心7、转子轴9、定子支架1等组成。内制动盘3与外制动盘8分别套在转子轴9上，并且内制动盘3与外制动盘8分别通过螺钉2与转子轴9固定连接，转子轴9与电动汽车轮毂固定在一起。非接触式轮边缓速器的定子部分由八组线圈及铁心7和定子支架1组成，线圈及铁心7固定在定子支架1上，定子支架1与转向节或悬架固定在一起。电子机械式制动器将制动钳6和EMB执行器集成在一起，EMB执行器包括制动电机4和传动减速机构5，电子机械式制动器的制动力作用在内制动盘3上，制动钳支架与转向节固定连接在一起，起着支撑电子机械式制动器的作用。

如图2所示的电磁混合制动器在电动汽车上的布置，电磁混合制动器、各种传感器13、信号线17、蓄电池10、电源线14、制动踏板15以及制动踏板模拟器16、电子控制单元11、缓速器控制器12、制动电机控制器18组成了汽车电磁混合制动系统。制动踏板15和制动踏板模拟器16用来感知驾驶员的制动意图，并将驾驶员的制动需求变换为电信号发送给电子控制单元11。

蓄电池10通过电源线14分别连接缓速器控制器12和制动电机控制器18，缓速器控制器12与轮边缓速器的线圈之间用电源线14连接，制动电机控制器18与制动电机4之间用电源线14连接的，这样蓄电池10可以向轮边缓速器的线圈和制动电机4供电。缓速器控制器12控制蓄电池10给线圈提供电流，缓速器控制器12通过控制流过线圈中电流的大小以控制施加在内外制动盘3和8上的制动力矩，电流流过线圈时，便在铁芯的作用下产生磁场，在旋转的内外制动盘3和8的表面形成涡流，达到制动内外制动盘3和8的目的。制动电机控制器18通过控制制动电机4获得电压的大小以及持续时间，达到控制制动力矩大小的目的。

电子控制单元11还通过信号线17与各种传感器13、制动电机控制器18、缓速器控制器12连接，达到根据各种信号来控制制动电机4以及轮边缓速器的制动力矩大小的目的。

本发明提出了正常制动情况下，制动力在轮边缓速器和电子机械式制动器之间的制动策略，具体如下：

当汽车需要减速时，驾驶员踩下制动踏板15，制动踏板模拟器16收集到制动踏板力的大小，加速度以及踏板行程等信息一并传入电子控制单元11中。电子控制单元11根据输入的制动力的信息判断是否需要进入紧急制动模式，同时根据内置在电子控制单元11的制动踏板行程——制动强度曲线，计算出驾驶员需要的制动强度的大小，ECU根据计算出来的驾驶员所需的制动强度大小判断应该进入哪一种制动模式。

在汽车行驶过程中，电子控制单元11通过各种传感器13收集汽车状态的各种信息，包括汽车瞬时速度                                                、地面附着系数、蓄电池10的SOC状态等。

在非紧急制动情况下，当驾驶员需要的制动强度为z时，

       前轮受到的地面法相反作用力，   

       后轮受到的地面法相反作用力，    

其中，为汽车重力，a为汽车质心至前轴中心线的距离，b为汽车质心至后轴中心线的距离，为汽车轴距，为汽车质心高度。

制动时所需要的地面制动力，

      =，

其中为前轴地面制动力，为后轴地面制动力。

轮边缓速器和电子机械式制动器的制动力均可独立控制，所以在车轮不抱死的情况下，满足制动器提供的制动力等于制动时所需要的地面制动力。通过路面识别系统得到的地面附着系数为，求得地面所能提供的前后轴最大制动力，

   地面提供给前轴的最大制动力，

   地面提供给后轴的最大制动力。

如图3所示是轮边缓速器制动力矩—转速曲线，横坐标为轮边缓速器的转子轴9的转速，纵坐标为轮边缓速器提供的制动力矩。当轮边缓速器能够提供的最大制动强度大于驾驶员需要的制动强度时，缓速器控制器12和制动电机控制器18接受来自电子控制单元11的指令，轮边缓速器的线圈通电，制动电机4不工作，即启动轮边缓速器而不启动电子机械式制动器。若车轮转速减至轮边缓速器的额定转速之前就停止减速，断开线圈电流，关闭轮边缓速器；若车轮转速减至时仍需要减速至停车，则有梯度的降低轮边缓速器的线圈电流的大小（假设由减至），同时，电子控制单元11控制制动电机控制器18使制动电机4工作，即开启电子机械式制动器，相应地有梯度的增加电子机械式制动器中制动电机4的驱动电流的大小，使电子机械式制动器增加的制动力矩与轮边缓速器减少的制动力矩相等。当车轮转速减到缓速器最小工作速度时，正好断开轮边缓速器中线圈的电流，关闭轮边缓速器，实现安全地停车制动。

如图3所示，当轮边缓速器能够提供的最大制动强度小于驾驶员需要的制动强度时，缓速器控制器12和制动电机控制器18接受来自电子控制单元11的指令，轮边缓速器中的线圈通电，制动电机4工作，即在启动轮边缓速器的同时也需要启动电子机械式制动器。当汽车车轮转速减至时仍需要减速至停车，则有梯度的降低轮边缓速器中线圈电流的大小，同时有梯度的增加EMB执行器中制动电机4的驱动电流的大小，使电子机械式制动器增加的制动力矩与轮边缓速器减少的制动力矩相等，以保持车轮制动力矩恒定。当车轮转速减到时，正好断开线圈电流，即关闭轮边缓速器。

本发明提出了在机械或电气失效等极端情况下进行制动的方法。该电磁混合制动系统形成了两个独立的制动回路，即轮边缓速器制动回路和电子机械式制动回路。轮边缓速器制动回路上的每个轮边缓速器都可以通过对应的缓速器控制器进行制动力的独立精确地控制，而电子机械式制动回路上的每个EMB执行器也可以通过对应的EMB控制器进行制动力的独立精确地控制。具体如下：

当其中一个车轮上电磁混合制动器的轮边缓速器失效时，电子控制单元11发出缓速器失效警告信号，但此时汽车仍能够进行正常的制动停车，这个车轮上的EMB执行器在制动阶段被提供更大的电流以补偿轮边缓速器提供的那一部分制动力矩。这个车轮上EMB执行器在制动阶段时，电子控制单元11实时的计算和检测出同轴车轮轮边缓速器提供制动力矩的大小，控制缓速器失效车轮的制动电机控制器18，制动电机控制器18控制制动电机4从蓄电池10获得电压的大小以及持续时间，使制动电机4作用在内制动盘3上的制动力矩等于失效的轮边缓速器提供的那一部分制动力矩，即补偿失效的轮边缓速器提供的那一部分制动力矩。对于另外一个同轴车轮，电子控制单元11向该车轮的缓速器控制器12发出控制信号，电流从蓄电池10流入线圈，便在铁芯的作用下产生磁场，在旋转的内外制动盘3和8的表面形成涡流，使内外制动盘3和8制动。即在制动初始阶段，轮边缓速器失效的车轮上的制动力矩由电子机械式制动器独立提供，且与同轴车轮的轮边缓速器提供的制动力矩保持相同防止跑偏；而当电子控制单元11的控制策略决定轮边缓速器停止工作后，该车轮上的电子机械式制动器与同轴车轮上电子机械式制动器制动力矩相等。

当有一个车轮的EMB执行器失效时，电子控制单元11发出EMB执行器失效警告信号并提醒驾驶员就近停车。若驾驶员不方便停车，该轴的两个车轮就只使用轮边缓速器制动保证左右车轮的制动力相同。此时，电子控制单元11向该轴两个车轮的两个缓速器控制器12发出控制信号，两个缓速器控制器12控制电流从蓄电池10流入相应的两个轮边缓速器的线圈中，便在铁芯的作用下产生磁场，在旋转的内外制动盘3和8的表面形成涡流，使内外制动盘3和8制动。当汽车减速到轮边缓速器最小工作速度时，电子控制单元11发出信号，控制缓速器控制器12，使蓄电池10不再向相应的两个轮边缓速器中的线圈提供电流，该轴的两个轮边缓速器停止工作，不再向该轴车轮提供制动力矩，在保证不抱死的情况下，将制动力全部分配到其它车轴实现停车制动。

Claims (5)

1.一种集成机电制动器和轮边缓速器的混合制动系统，其特征是：该混合制动系统由电磁混合制动器、信号线（17）、蓄电池（10）、电源线（14）、制动踏板（15）、制动踏板模拟器（16）、电子控制单元（11）、缓速器控制器（12）、制动电机控制器（18）和传感器（13）组成，每个车轮上配有一个电磁混合制动器，每个电磁混合制动器集成有电子机械式制动器和轮边缓速器，轮边缓速器具有内制动盘（3）、外制动盘（8）、线圈及铁心（7）、转子轴（9）、定子支架（1），内制动盘（3）与外制动盘（8）分别固套在转子轴（9）上；电子机械式制动器包括制动电机（4）、传动减速机构（5）和作用于内制动盘（3）的制动钳（6）；电子控制单元（11）通过信号线（17）与传感器（13）、制动电机控制器（18）、缓速器控制器（12）连接，蓄电池（10）通过电源线（14）分别连接缓速器控制器（12）和制动电机控制器（18），缓速器控制器（12）连接线圈，制动电机控制器（18）连接制动电机（4）。

2.一种如权利要求1所述混合制动系统的制动方法，其特征是具有如下步骤：

1）在汽车行驶过程中，电子控制单元（11）通过传感器（13）收集汽车状态的信息；当汽车需要减速时，驾驶员踩下制动踏板（15），制动踏板模拟器（16）收集到制动踏板力的大小，电子控制单元（11）计算出驾驶员需要的制动强度的大小；

2）当轮边缓速器提供的最大制动强度大于所述驾驶员需要的制动强度时，轮边缓速器的线圈通电，制动电机（4）不工作；

3）当轮边缓速器提供的最大制动强度小于所述驾驶员需要的制动强度时，轮边缓速器中的线圈通电，制动电机（4）工作；

4）当其中一个车轮上的轮边缓速器失效时，电子控制单元（11）计算和检测出另外一同轴车轮轮边缓速器提供制动力矩的大小，使控制轮边缓速器失效车轮的这一制动电机控制器（18）控制制动电机（4）从蓄电池（10）获得相应电压的大小和持续时间，使制动电机（4）作用在内制动盘（3）上的制动力矩等于失效的轮边缓速器提供的制动力矩；

5）当一个车轮上的制动电机（4）和传动减速机构（5）失效时，电子控制单元（11）控制相应的同轴两个车轮上的缓速器控制器（12），使电流从蓄电池（10）流入相应的两个轮边缓速器的线圈中，使内、外制动盘（3、8）制动；当汽车减速到轮边缓速器最小工作速度时，电子控制单元（11）控制缓速器控制器（12）使蓄电池（10）不再向线圈提供电流，两个轮边缓速器停止工作。

3.根据权利要求2所述的制动方法，其特征是：步骤2）中，若车轮转速减至轮边缓速器的额定转速之前就停止减速，断开线圈电流；若车轮转速减至轮边缓速器的额定转速时仍需要减速至停车，则有梯度的降低线圈电流的大小，同时由电子控制单元（11）控制制动电机控制器（18）使制动电机（4）工作，相应地有梯度的增加制动电机（4）的驱动电流的大小，使电子机械式制动器增加的制动力矩与轮边缓速器减少的制动力矩相等，当车轮转速减到轮边缓速器最小工作速度时，断开线圈的电流。

4.根据权利要求2所述的制动方法，其特征是：步骤3）中，当汽车车轮转速减至轮边缓速器的额定转速时仍需减速至停车，则有梯度的降低线圈电流的大小，同时有梯度的增加制动电机（4）的驱动电流的大小，使电子机械式制动器增加的制动力矩与轮边缓速器减少的制动力矩相等；当车轮转速减到轮边缓速器最小工作速度时，断开线圈电流。

5.根据权利要求2所述的制动方法，其特征是：步骤4）中，对于另外一同轴车轮，电子控制单元（11）通过该车轮的缓速器控制器（12）控制电流从蓄电池（10）流入线圈，使内、外制动盘（3、8）制动。