專利名稱：集成機電制動器和輪邊緩速器的混合制動系統(tǒng)及制動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用在電動汽車上的制動系統(tǒng)，具體是電磁混合制動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，使用在電動汽車上的電子機械式制動系統(tǒng)(B卩“EMB系統(tǒng)”)由電子控制單元、傳感器等組成，制動踏板和車輪制動器之間不存在任何液壓管路連接，采用傳感器感知駕駛員的制動意圖并傳入電子控制單元(即“ECU”)中，控制相應(yīng)的EMB執(zhí)行機構(gòu)運動產(chǎn)生所需的制動壓力。EMB系統(tǒng)的優(yōu)點是不需要真空助力器和液壓制動管路等部件，使得整車布置更加方便，響應(yīng)速度更快，控制更加精確，并可以集成其他控制功能如ABS、ASR、VSC、ESP等。但EMB系統(tǒng)本身存在不少應(yīng)用的限制首先是電機可靠性的限制制動過程中需要頻繁的啟動、停止以及反轉(zhuǎn)電機，這對電機性能要求很高海一個車輪配備一個EMB執(zhí)行器實施制動，單回路制動可靠性不高，沒有考慮到機械或電氣失效等極端情況下的制動需求；其 次是能源利用率不高的限制，EMB系統(tǒng)的執(zhí)行電機要盡量工作在一定的最佳工作效率區(qū)間內(nèi)才能有效提高能源利用率；而且制動過程中頻繁的啟動、停止以及反轉(zhuǎn)電機十分消耗能量。最后是蓄電池性能的的限制=EMB系統(tǒng)在獲得需要提供較大的制動強度的信號時，ECU向電池能源管理系統(tǒng)和執(zhí)行電機控制器發(fā)出指令，蓄電池給出較大的階躍電流驅(qū)動執(zhí)行電機；當制動結(jié)束時，為了減少制動力消除時間，也需要蓄電池發(fā)出較大的階躍電流使電機反轉(zhuǎn)以消除制動力。目前，使用在電動汽車上的摩擦制動器具有熱衰退性這一固有的缺陷，影響汽車的制動安全性能。在摩擦制動器上安裝輪邊緩速器可以彌補摩擦制動器的缺陷。輪邊緩速器具有以下的優(yōu)點首先，能夠承負汽車運行中大部分制動負荷，使車輪摩擦制動器的溫升大為降低，緩解或避免車輛跑偏、傳統(tǒng)剎車失靈和爆胎等安全隱患。其次，采用電流直接驅(qū)動，無中間環(huán)節(jié)，其操縱響應(yīng)時間非常短，僅40毫秒；可以通過控制驅(qū)動的電流控制輪邊緩速器輸出的制動力矩大小，響應(yīng)迅速、控制精確。但是輪邊緩速器也有其固有的缺點，即在轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)速降到一定值就不能再工作，因此若獨立使用無法使汽車制動停車只能作為輔助制動裝直。

發(fā)明內(nèi)容
為了進一步改善汽車的制動安全性能，本發(fā)明提供一種集成機電制動器和輪邊緩速器的電磁混合制動系統(tǒng)及制動方法，實現(xiàn)對電子機械式制動器和非接觸式輪邊緩速器的獨立控制，使其控制更加精確，響應(yīng)更加迅速，在提高能源利用率的同時起到保護蓄電池的作用。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是本發(fā)明集成機電制動器和輪邊緩速器的混合制動系統(tǒng)由電磁混合制動器、信號線、蓄電池、電源線、制動踏板、制動踏板模擬器、電子控制單元、緩速器控制器、制動電機控制器和各種傳感器組成，每個車輪上配有一個電磁混合制動器，每個電磁混合制動器集成有電子機械式制動器和輪邊緩速器，輪邊緩速器具有內(nèi)制動盤、夕卜制動盤、線圈及鐵心、轉(zhuǎn)子軸、定子支架，內(nèi)制動盤與外制動盤分別固套在轉(zhuǎn)子軸上；電子機械式制動器包括制動電機、傳動減速機構(gòu)和作用于內(nèi)制動盤的制動鉗；電子控制單元通過信號線與各種傳感器、制動電機控制器、緩速器控制器連接，蓄電池通過電源線分別連接緩速器控制器和制動電機控制器，緩速器控制器連接線圈，制動電機控制器連接制動電機。上述的混合制動系統(tǒng)的制動方法提供的技術(shù)方案是具有如下步驟1)在汽車行駛過程中，電子控制單元通過各種傳感器收集汽車狀態(tài)的各種信息；當汽車需要減速時，駕駛員踩下制動踏板，制動踏板模擬器收集到制動踏板力的大小，電子控制單元計算出駕駛員需要的制動強度的大??；2)當輪邊緩速器提供的最大制動強度大于所述駕駛員需要的制動強度時，輪邊緩速器的線圈通電，制動電機不工作；3)當輪邊緩速器提供的最大制動強度小于所述駕駛員需要的制動強度時，輪邊緩速器中的線圈通電，制動電機工作；4)當其中一個車輪上的輪邊緩速器失效時，電子控制單元計算和檢測出另外一同軸車輪輪邊緩速器提供制動力矩的大小，使控制輪邊緩速器失效車輪的這一制動電機控制器控制制動電機從蓄電池獲得相應(yīng)電壓的大小和持續(xù)時間，使制動電機作用在內(nèi)制動盤上的制動力矩等于失效的輪邊緩速器提供的制動力矩；5)當一個車輪上的制動電機和傳動減速機構(gòu)失效時，電子控制單元控制相應(yīng)的同軸兩個車輪上的緩速器控制器，使電流從蓄電池流入相應(yīng)的兩個輪邊緩速器的線圈中，使內(nèi)、外制動盤制動；當汽車減速到輪邊緩速器最小工作速度時，電子控 制單元控制緩速器控制器使蓄電池不再向線圈提供電流，兩個輪邊緩速器停止工作。上述技術(shù)方案中的混合制動系統(tǒng)優(yōu)先使用非接觸式輪邊緩速器制動，當不需要制動停車時就不啟動電子機械式制動器工作，能夠充分利用利用車輪高轉(zhuǎn)速的區(qū)間，由于電子機械式制動系統(tǒng)消耗了蓄電池的能量，因此減少使用電子機械式制動系統(tǒng)有助于提高了能源的利用率；大強度制動時立即開啟緩速器制動，而電子機械式制動器緩慢加載電流進行啟動，這樣有利于保護蓄電池的性能；采用電子機械式制動器和非接觸式輪邊緩速器集成在一起的電磁混合制動器不再需要液壓制動系統(tǒng)，系統(tǒng)省去了液壓制動系統(tǒng)部件，使布置更加方便控制更加精確，適合在電動汽車上使用；每一車輪配有一個電子機械式制動器和一個非接觸式輪邊緩速器，形成兩套制動回路，制動安全可靠性大大提高。


圖I是電磁混合制動器結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明集成機電制動器和輪邊緩速器的混合制動系統(tǒng)在電動汽車上的安裝示意 圖3是輪邊緩速器制動力矩一轉(zhuǎn)速曲線；
圖中1.定子支架；2.螺栓；3.內(nèi)制動盤；4.制動電機；5.傳動減速機構(gòu)；6.制動鉗；7.線圈及鐵心；8.外制動盤；9.轉(zhuǎn)子軸；10.蓄電池；11.電子控制單元；12.緩速器控制器；13.傳感器；14.電源線；15.制動踏板；16.制動踏板模擬器；17.信號線；18.制動電機控制器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
描述本發(fā)明的電磁混合制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及制動方式。
如圖I所示電磁混合制動器，它集成了電子機械式制動器和非接觸式輪邊緩速器，每個車輪上配有一個電磁混合制動器，每個電磁混合制動器配備了一個EMB控制器和緩速器控制器，實現(xiàn)對電子機械式制動器和非接觸式輪邊緩速器的獨立控制，兩套制動回路獨立工作互不干擾。非接觸式輪邊緩速器由內(nèi)制動盤3、外制動盤8、線圈及鐵心7、轉(zhuǎn)子軸9、定子支架I等組成。內(nèi)制動盤3與外制動盤8分別套在轉(zhuǎn)子軸9上，并且內(nèi)制動盤3與外制動盤8分別通過螺釘2與轉(zhuǎn)子軸9固定連接，轉(zhuǎn)子軸9與電動汽車輪轂固定在一起。非接觸式輪邊緩速器的定子部分由八組線圈及鐵心7和定子支架I組成，線圈及鐵心7固定在定子支架I上，定子支架I與轉(zhuǎn)向節(jié)或懸架固定在一起。電子機械式制動器將制動鉗6和EMB執(zhí)行器集成在一起，EMB執(zhí)行器包括制動電機4和傳動減速機構(gòu)5，電子機械式制動器的制動力作用在內(nèi)制動盤3上，制動鉗支架與轉(zhuǎn)向節(jié)固定連接在一起，起著支撐電子機械式制動器的作用。如圖2所示的電磁混合制動器在電動汽車上的布置，電磁混合制動器、各種傳感 器13、信號線17、蓄電池10、電源線14、制動踏板15以及制動踏板模擬器16、電子控制單元
11、緩速器控制器12、制動電機控制器18組成了汽車電磁混合制動系統(tǒng)。制動踏板15和制動踏板模擬器16用來感知駕駛員的制動意圖，并將駕駛員的制動需求變換為電信號發(fā)送給電子控制單元11。蓄電池10通過電源線14分別連接緩速器控制器12和制動電機控制器18，緩速器控制器12與輪邊緩速器的線圈之間用電源線14連接，制動電機控制器18與制動電機4之間用電源線14連接的，這樣蓄電池10可以向輪邊緩速器的線圈和制動電機4供電。緩速器控制器12控制蓄電池10給線圈提供電流，緩速器控制器12通過控制流過線圈中電流的大小以控制施加在內(nèi)外制動盤3和8上的制動力矩，電流流過線圈時，便在鐵芯的作用下產(chǎn)生磁場，在旋轉(zhuǎn)的內(nèi)外制動盤3和8的表面形成渦流，達到制動內(nèi)外制動盤3和8的目的。制動電機控制器18通過控制制動電機4獲得電壓的大小以及持續(xù)時間，達到控制制動力矩大小的目的。電子控制單元11還通過信號線17與各種傳感器13、制動電機控制器18、緩速器控制器12連接，達到根據(jù)各種信號來控制制動電機4以及輪邊緩速器的制動力矩大小的目的。本發(fā)明提出了正常制動情況下，制動力在輪邊緩速器和電子機械式制動器之間的制動策略，具體如下
當汽車需要減速時，駕駛員踩下制動踏板15，制動踏板模擬器16收集到制動踏板力的大小，加速度以及踏板行程等信息一并傳入電子控制單元11中。電子控制單元11根據(jù)輸入的制動力的信息判斷是否需要進入緊急制動模式，同時根據(jù)內(nèi)置在電子控制單元11的制動踏板行程——制動強度曲線，計算出駕駛員需要的制動強度的大小，ECU根據(jù)計算出來的駕駛員所需的制動強度大小判斷應(yīng)該進入哪一種制動模式。在汽車行駛過程中，電子控制單元11通過各種傳感器13收集汽車狀態(tài)的各種信息，包括汽車瞬時速度％、地面附著系數(shù)P、蓄電池10的SOC狀態(tài)等。在非緊急制動情況下，當駕駛員需要的制動強度為z時，前輪受到的地面法相反作用力財= G(b+zx Hg)i L ,
后輪受到的地面法相反作用力應(yīng)2 = G(a -zxHg) / L ,
其中，σ為汽車重力，a為汽車質(zhì)心至前軸中心線的距離，b為汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離，L為汽車軸距，%為汽車質(zhì)心高度。制動時所需要的地面制動力Afi ,
Fxb= Fxbl +Fxh2 = Oz ,
其中ΛτΜ為前軸地面制動力，PjM為后軸地面制動力。 輪邊緩速器和電子機械式制動器的制動力均可獨立控制，所以在車輪不抱死的情況下，滿足制動器提供的制動力等于制動時所需要的地面制動力。通過路面識別系統(tǒng)得到的地面附著系數(shù)為$，求得地面所能提供的前后軸最大制動力，
地面提供給前軸的最大制動力Fxb'm = FzUip,
地面提供給后軸的最大制動力Fxb2m = Ρζ1·κ φ。如圖3所示是輪邊緩速器制動力矩一轉(zhuǎn)速曲線，橫坐標為輪邊緩速器的轉(zhuǎn)子軸9的轉(zhuǎn)速，縱坐標為輪邊緩速器提供的制動力矩。當輪邊緩速器能夠提供的最大制動強度大于駕駛員需要的制動強度時，緩速器控制器12和制動電機控制器18接受來自電子控制單元11的指令，輪邊緩速器的線圈通電，制動電機4不工作，即啟動輪邊緩速器而不啟動電子
機械式制動器。若車輪轉(zhuǎn)速w咸至輪邊緩速器的額定轉(zhuǎn)速Sr之前就停止減速，斷開線圈電流，關(guān)閉輪邊緩速器；若車輪轉(zhuǎn)速《減至時仍需要減速至停車，則有梯度的降低輪邊緩
速器的線圈電流的大小(假設(shè)由A減至Z2 )，同時，電子控制單元11控制制動電機控制器18
使制動電機4工作，即開啟電子機械式制動器，相應(yīng)地有梯度的增加電子機械式制動器中制動電機4的驅(qū)動電流的大小，使電子機械式制動器增加的制動力矩與輪邊緩速器減少的
制動力矩相等。當車輪轉(zhuǎn)速減到緩速器最小工作速度《_時，正好斷開輪邊緩速器中線圈
的電流，關(guān)閉輪邊緩速器，實現(xiàn)安全地停車制動。如圖3所示，當輪邊緩速器能夠提供的最大制動強度小于駕駛員需要的制動強度時，緩速器控制器12和制動電機控制器18接受來自電子控制單元11的指令，輪邊緩速器中的線圈通電，制動電機4工作，即在啟動輪邊緩速器的同時也需要啟動電子機械式制動
器。當汽車車輪轉(zhuǎn)速減至時仍需要減速至停車，則有梯度的降低輪邊緩速器中線圈電流的大小，同時有梯度的增加EMB執(zhí)行器中制動電機4的驅(qū)動電流的大小，使電子機械式制動器增加的制動力矩與輪邊緩速器減少的制動力矩相等，以保持車輪制動力矩恒定。當車輪轉(zhuǎn)速減到懸時，正好斷開線圈電流，即關(guān)閉輪邊緩速器。本發(fā)明提出了在機械或電氣失效等極端情況下進行制動的方法。該電磁混合制動系統(tǒng)形成了兩個獨立的制動回路，即輪邊緩速器制動回路和電子機械式制動回路。輪邊緩速器制動回路上的每個輪邊緩速器都可以通過對應(yīng)的緩速器控制器進行制動力的獨立精確地控制，而電子機械式制動回路上的每個EMB執(zhí)行器也可以通過對應(yīng)的EMB控制器進行制動力的獨立精確地控制。具體如下當其中一個車輪上電磁混合制動器的輪邊緩速器失效時，電子控制單元11發(fā)出緩速器失效警告信號，但此時汽車仍能夠進行正常的制動停車，這個車輪上的EMB執(zhí)行器在制動階段被提供更大的電流以補償輪邊緩速器提供的那一部分制動力矩。這個車輪上EMB執(zhí)行器在制動階段時，電子控制單元11實時的計算和檢測出同軸車輪輪邊緩速器提供制動力矩的大小，控制緩速器失效車輪的制動電機控制器18，制動電機控制器18控制制動電機4從蓄電池10獲得電壓的大小以及持續(xù)時間，使制動電機4作用在內(nèi)制動盤3上的制動力矩等于失效的輪邊緩速器提供的那一部分制動力矩，即補償失效的輪邊緩速器提供的那一部分制動力矩。對于另外一個同軸車輪，電子控制單元11向該車輪的緩速器控制器12發(fā)出控制信號，電流從蓄電池10流入線圈，便在鐵芯的作用下產(chǎn)生磁場，在旋轉(zhuǎn)的內(nèi)外制動盤3和8的表面形成渦流，使內(nèi)外制動盤3和8制動。即在制動初始階段，輪邊緩速器失效的車輪上的制動力矩由電子機械式制動器獨立提供，且與同軸車輪的輪邊緩速器提供的制動力矩保持相同防止跑偏；而當電子控制單元11的控制 策略決定輪邊緩速器停止工作后，該車輪上的電子機械式制動器與同軸車輪上電子機械式制動器制動力矩相等。當有一個車輪的EMB執(zhí)行器失效時，電子控制單元11發(fā)出EMB執(zhí)行器失效警告信號并提醒駕駛員就近停車。若駕駛員不方便停車，該軸的兩個車輪就只使用輪邊緩速器制動保證左右車輪的制動力相同。此時，電子控制單元11向該軸兩個車輪的兩個緩速器控制器12發(fā)出控制信號，兩個緩速器控制器12控制電流從蓄電池10流入相應(yīng)的兩個輪邊緩速器的線圈中，便在鐵芯的作用下產(chǎn)生磁場，在旋轉(zhuǎn)的內(nèi)外制動盤3和8的表面形成渦流，使內(nèi)外制動盤3和8制動。當汽車減速到輪邊緩速器最小工作速度時，電子控制單元11發(fā)出信號，控制緩速器控制器12，使蓄電池10不再向相應(yīng)的兩個輪邊緩速器中的線圈提供電流，該軸的兩個輪邊緩速器停止工作，不再向該軸車輪提供制動力矩，在保證不抱死的情況下，將制動力全部分配到其它車軸實現(xiàn)停車制動。
權(quán)利要求
1.一種集成機電制動器和輪邊緩速器的混合制動系統(tǒng)，其特征是該混合制動系統(tǒng)由電磁混合制動器、信號線(17)、蓄電池(10)、電源線(14)、制動踏板(15)、制動踏板模擬器(16)、電子控制單元(11)、緩速器控制器(12)、制動電機控制器(18)和各種傳感器(13)組成，每個車輪上配有一個電磁混合制動器，每個電磁混合制動器集成有電子機械式制動器和輪邊緩速器，輪邊緩速器具有內(nèi)制動盤(3)、外制動盤(8)、線圈及鐵心(7)、轉(zhuǎn)子軸(9)、定子支架(1)，內(nèi)制動盤(3)與外制動盤(8)分別固套在轉(zhuǎn)子軸(9)上；電子機械式制動器包括制動電機(4)、傳動減速機構(gòu)(5)和作用于內(nèi)制動盤(3)的制動鉗(6);電子控制單元(11)通過信號線(17)與各種傳感器(13)、制動電機控制器(18)、緩速器控制器(12)連接，蓄電池(10)通過電源線(14)分別連接緩速器控制器(12)和制動電機控制器(18)，緩速器控制器(12 )連接線圈，制動電機控制器(18 )連接制動電機(4 )。
2.一種如權(quán)利要求I所述混合制動系統(tǒng)的制動方法，其特征是具有如下步驟 1)在汽車行駛過程中，電子控制單元(11)通過各種傳感器(13)收集汽車狀態(tài)的各種信息；當汽車需要減速時，駕駛員踩下制動踏板(15)，制動踏板模擬器(16)收集到制動踏板力的大小，電子控制單元(11)計算出駕駛員需要的制動強度的大小； 2)當輪邊緩速器提供的最大制動強度大于所述駕駛員需要的制動強度時，輪邊緩速器的線圈通電,制動電機(4)不工作； 3)當輪邊緩速器提供的最大制動強度小于所述駕駛員需要的制動強度時，輪邊緩速器中的線圈通電,制動電機(4)工作； 4)當其中一個車輪上的輪邊緩速器失效時，電子控制單元(11)計算和檢測出另外一同軸車輪輪邊緩速器提供制動力矩的大小，使控制輪邊緩速器失效車輪的這一制動電機控制器(18)控制制動電機(4)從蓄電池(10)獲得相應(yīng)電壓的大小和持續(xù)時間，使制動電機(4)作用在內(nèi)制動盤(3)上的制動力矩等于失效的輪邊緩速器提供的制動力矩； 5 )當一個車輪上的制動電機(4)和傳動減速機構(gòu)(5 )失效時，電子控制單元(11)控制相應(yīng)的同軸兩個車輪上的緩速器控制器(12)，使電流從蓄電池(10)流入相應(yīng)的兩個輪邊緩速器的線圈中，使內(nèi)、外制動盤(3、8)制動；當汽車減速到輪邊緩速器最小工作速度時，電子控制單元(11)控制緩速器控制器(12)使蓄電池(10)不再向線圈提供電流，兩個輪邊緩速器停止工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制動方法，其特征是步驟2)中，若車輪轉(zhuǎn)速減至輪邊緩速器的額定轉(zhuǎn)速之前就停止減速，斷開線圈電流；若車輪轉(zhuǎn)速減至輪邊緩速器的額定轉(zhuǎn)速時仍需要減速至停車，則有梯度的降低線圈電流的大小，同時由電子控制單元(11)控制制動電機控制器(18)使制動電機(4)工作，相應(yīng)地有梯度的增加制動電機(4)的驅(qū)動電流的大小，使電子機械式制動器增加的制動力矩與輪邊緩速器減少的制動力矩相等，當車輪轉(zhuǎn)速減到輪邊緩速器最小工作速度時，斷開線圈的電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制動方法，其特征是步驟3)中，當汽車車輪轉(zhuǎn)速減至輪邊緩速器的額定轉(zhuǎn)速時仍需減速至停車，則有梯度的降低線圈電流的大小，同時有梯度的增加制動電機(4)的驅(qū)動電流的大小，使電子機械式制動器增加的制動力矩與輪邊緩速器減少的制動力矩相等；當車輪轉(zhuǎn)速減到輪邊緩速器最小工作速度時，斷開線圈電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制動方法，其特征是步驟4)中，對于另外一同軸車輪，電子控制單元(11)通過該車輪的緩速器控制器(12)控制電流從蓄電池(10)流入線圈，使內(nèi)、夕卜制動盤(3、8)制動。
全文摘要
本發(fā)明公開一種使用在電動汽車上的集成機電制動器和輪邊緩速器的混合制動系統(tǒng)及制動方法，混合制動系統(tǒng)由電磁混合制動器、信號線、蓄電池、電源線、制動踏板、制動踏板模擬器、電子控制單元、緩速器控制器、制動電機控制器和各種傳感器組成，每個車輪上配有一個電磁混合制動器，每個電磁混合制動器集成有電子機械式制動器和輪邊緩速器，優(yōu)先使用輪邊緩速器制動，當不需要制動停車時就不啟動電子機械式制動器工作，由于電子機械式制動系統(tǒng)消耗了蓄電池的能量，因此減少使用電子機械式制動系統(tǒng)，有助于提高了能源的利用率；大強度制動時立即開啟輪邊緩速器制動，而電子機械式制動器緩慢加載電流進行啟動，有利于保護蓄電池的性能。
文檔編號B60L7/24GK102806856SQ20121026966
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者何仁, 胡東海 申請人:何仁