CN107264295A - 用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统及控制方法，系统包括复合制动控制单元、磁流变制动器制动单元、电机再生制动单元、具有力反馈功能的行车制动器。本发明系统结合控制方法，能够高效、快速地提供汽车制动时所需要的制动力矩，能够实现汽车防抱死功能，保证汽车制动时的方向稳定性和转向能力，而且还能够模拟汽车制动时的制动踏板感觉。

Description

用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车制动系统领域，具体是一种用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统及控制方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日益加剧，电动汽车已成为未来汽车行业发展的主流趋势。电动汽车依赖于清洁能源，使用过程中不会产生污染大气环境的有害气体，具有节能环保等优点。汽车的制动系统是关乎乘客乘车安全的关键，目前电动汽车的制动系统主要采用电机再生制动或传统液压制动装置，也有汽车制造商采用将电机再生制动与传统液压制动相结合的电液复合制动。但是，由于电机再生制动提供的制动力矩有限，仅在缓冲制动时起到能量回收的作用，并不能完全满足电动汽车制动时所需的制动力矩，这会影响汽车正常制动时的制动效果。传统的液压制动装置虽然可以提供电动汽车制动时所需的制动力矩，但是由于传统的液压制动装置存在结构与管路布置复杂、液压回路容易泄露、装配与维修难度大、制动响应速度不够快等缺点，这与电动汽车的设计初衷是有所违背的。

中国专利201410007342.6公开了一种水冷式磁流变制动器，中国专利201310393903.6公开了一种磁流变制动器。磁流变制动器是以磁流变液为工作介质，具有重量轻、能耗低、集成度高、响应速度快和适用于线控制动等优点。磁流变制动器的这些优点符合未来电动汽车的设计理念，因此考虑将电机再生制动与磁流变制动器制动相结合的线控复合制动应用于电动汽车的制动系统中。

汽车制动时的制动踏板感觉是衡量汽车性能的指标之一，安装有液压制动装置的汽车是依靠制动踏板液压系统的管路压力来提供制动感觉。当线控复合制动系统取代传统的液压制动装置时，为了保证汽车制动时的制动踏板感觉，原有的制动踏板系统就需要进行相应的改变。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统及控制方法，能够高效、快速地提供汽车制动时所需要的制动力矩，能够实现汽车防抱死功能，保证汽车制动时的方向稳定性和转向能力，而且还能够模拟汽车制动时的制动踏板感觉。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统，其特征在于：包括复合制动控制单元、磁流变制动器制动单元、电机再生制动单元、具有力反馈功能的行车制动器，其中：

复合制动控制单元包括复合制动ECU和制动信号采集模块，其中制动信号采集模块与复合制动ECU连接，复合制动ECU分别与磁流变制动器制动单元、电机再生制动单元连接，制动信号采集模块采集汽车的制动信号，复合制动ECU接收制动信号采集模块采集的制动信号，并生成控制指令分别传送至磁流变制动器制动单元、电机再生制动单元；

磁流变制动器制动单元包括磁流变制动器和磁流变制动器ECU，其中磁流变制动器设置于驱动车轮转动的半轴上，由磁流变制动器在汽车制动时对车轮施加制动力矩，磁流变制动器与磁流变制动器ECU连接，磁流变制动器ECU与复合制动控制单元中复合制动ECU连接，由磁流变制动器ECU接收复合制动ECU发出的控制指令，并由磁流变制动器ECU根据控制指令调整磁流变制动器输出制动力矩的大小；

电机再生制动单元包括轮毂电机、电机ECU，其中轮毂电机设置于电动汽车的驱动轮上，由轮毂电机给驱动轮提供驱动力矩和制动力矩，轮毂电机与电机ECU连接，电机ECU与复合制动控制单元中复合制动ECU连接，由电机ECU接收复合制动ECU发出的控制指令，并由电机ECU根据控制指令调整轮毂电机输出的再生制动力矩；

具有力反馈功能的行车制动器包括汽车车架、制动踏板、扭转弹簧、连杆、角位移传感器、直线位移传感器和磁流变阻尼器，其中制动踏板一端通过踏板转轴转动安装在汽车车架处，扭转弹簧套装于踏板转轴的外周面上，以使制动踏板在制动完成后复位，角位移传感器安装于踏板转轴上，以检测制动过程中制动踏板的开合角度，直线位移传感器和磁流变阻尼器均固定安装在汽车车架上，连杆一端与制动踏板中间通过销轴销接，连杆另一端与磁流变阻尼器的活塞杆通过销轴销接，直线位移传感器的滑片与磁流变阻尼器的活塞杆通过细杆固定连接在一起，滑片的伸缩方向与磁流变阻尼器活塞杆的伸缩方向一致，由直线位移传感器检测制动过程中磁流变阻尼器活塞杆的行程位移，以间接地反映制动踏板的开合角度，复合制动控制单元中的复合制动ECU分别与角位移传感器、直线位移传感器和磁流变阻尼器连接，角位移传感器和直线位移传感器检测到的制动信号传输给复合制动ECU，并由复合制动ECU发出的指令对磁流变阻尼器的工作状态进行相应调整。

所述的用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统，其特征在于：复合制动控制单元中，制动信号采集模块包括外部路况传感器、车速传感器、车轮角速度传感器、行车制动器和驻车制动器，其中外部路况传感器设置于汽车车身上，用于探测汽车所处环境的路况，车速传感器设置于汽车车身上，用于检测汽车的车速，车轮角速度传感器设置于汽车的四个车轮上，用于检测汽车车轮的角速度，行车制动器和驻车制动器设置于汽车车身内部，用于接收驾驶员发出的制动命令。

所述的用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统，其特征在于：电机再生制动单元还包括备用电源，备用车载电源分别和轮毂电机、磁流变制动器制动单元中磁流变制动器连接，由备用车载电源存储轮毂电机再生制动时产生的电能，并在驻车制动或者汽车主电源出现异常的情况下为磁流变制动器供电。

一种用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统的ABS控制方法，其特征在于：包括驻车制动器制动、行车制动器制动和紧急制动三种制动模式，其中：

所述驻车制动器制动用于车辆停下后稳定车辆，以避免车辆在斜坡路面停车时发生溜车现象；当复合制动ECU接收到驻车制动器发出的制动命令时，通过对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器对车轮施加一定的制动力矩，从而稳定车辆；

所述行车制动器制动根据驾驶员的实际制动需求，高效、快速地调整汽车制动系统的输出制动力矩；当驾驶员踩下制动踏板制动时，行车制动器中的角位移传感器和直线位移传感器将相应的角度信号θ和位移信号l传输给复合制动ECU，如果角度信号θ小于门限角度θ₁或者位移信号l小于门限位移l₁，则复合制动ECU对电机ECU发出相应的制动信号，使得轮毂电机介入制动；如果角度信号θ大于门限角度θ₁或者位移信号l大于门限位移l₁，则复合制动ECU对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器介入制动，其输出制动力矩的值与角度信号θ或者位移信号l的值正相关；制动过程中，复合制动ECU实时监测汽车车轮的滑移率S，滑移率其中v是汽车车速，w是车轮角速度，r是车轮半径，如果制动过程中所述滑移率S大于门限滑移率S₁，此时汽车车轮有抱死趋势，则复合制动ECU给行车制动器中的磁流变阻尼器发出信号，使得阻尼器阻尼力增大从而模拟传统汽车在制动时的制动踏板感觉，同时复合制动ECU对磁流变制动器ECU发出信号，减小磁流变制动器的输出制动力矩；当移率S小于门限滑移率S₂，此时汽车车轮没有抱死趋势，则复合制动ECU给行车制动器中的磁流变阻尼器发出信号，使得阻尼器阻尼力减小，此时驾驶员可以根据实际情况继续采取制动措施，从而完成一个ABS控制循环；

所述紧急制动是在汽车行驶过程中遇到需要紧急制动的情况，由复合制动ECU自动发出制动命令，可以避免因驾驶员制动不及时而造成的危险；汽车行驶过程中，外部路况传感器将汽车所处环境的路况实时反馈给复合制动ECU，如果复合制动ECU根据收到的路况参数判定汽车需要紧急制动，则通过对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器介入制动，其输出制动力矩的值与此时汽车的车速正相关。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明提出了一种用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统，采用电机再生制动与磁流变制动器制动相结合的线控复合制动，将制动系统中原有的机械/液压连接用电路连接代替，从而提高了制动响应速度、简化了制动系统的结构、降低了装配与维修的难度，能够高效、快速地提供汽车制动时所需要的制动力矩；

(2)本发明提出了一种用于电动汽车磁流变线控复合制动系统的ABS控制方法，能够实现汽车防抱死功能，保证汽车制动时的方向稳定性和转向能力；

(3)本发明提出了一种具有力反馈功能的行车制动器，通过采用具有阻尼可控、耗能少、响应迅速等优点的磁流变阻尼器，使得装有线控复合制动的电动汽车可以模拟传统汽车在制动时的制动踏板感觉，从而保证更好的驾驶体验；

(4)本发明通过采用外部路况传感器，可以实时探测汽车所处环境的路况，当汽车在行驶过程中遇到需要紧急制动的情况，由复合制动ECU自动发出制动命令，可以避免因驾驶员制动不及时而造成的危险。

附图说明

图1为本发明线控复合制动系统的原理框图。

图2为本发明具有力反馈功能行车制动器的结构简图。

图3为本发明线控复合制动系统三种制动模式的流程图。

图4为本发明线控复合制动系统的结构简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统，包括磁流变制动器制动单元、电机再生制动单元、复合制动控制单元和具有力反馈功能的行车制动器。

如图1和图4所示，磁流变制动器制动单元包括磁流变制动器9和磁流变制动器ECU12。磁流变制动器9设置于驱动车轮转动的半轴上，用于汽车制动时对车轮施加制动力矩。磁流变制动器ECU12分别和磁流变制动器9、复合制动ECU14电气连接，用于接收复合制动ECU14发出的控制指令，并根据相应的控制指令调整磁流变制动器9输出制动力矩的大小。磁流变制动器9输出制动力矩的值与所接入的电流值正相关，因此只需要调节输入电流的大小，便可迅速地改变磁流变制动器9输出制动力矩的大小。

如图1和图4所示，电机再生制动单元包括轮毂电机11、电机ECU13和备用车载电源10。轮毂电机11设置于电动汽车的驱动轮上，用于给驱动轮提供驱动力矩和制动力矩。电机ECU13分别和轮毂电机11、复合制动ECU14电气连接，用于接收复合制动ECU14发出的控制指令，并根据相应的控制指令调整轮毂电机11输出的再生制动力矩。备用车载电源10分别和轮毂电机11、磁流变制动器9电气连接，用于存储轮毂电机11再生制动时产生的电能，并在驻车制动或者汽车主电源出现异常的情况下为磁流变制动器9供电，保证电动汽车的制动能力。

如图1和图4所示，复合制动控制单元包括复合制动ECU14和制动信号采集模块。所述制动信号采集模块包括外部路况传感器、车速传感器、车轮角速度传感器、行车制动器和驻车制动器。外部路况传感器设置于汽车车身上，用于探测汽车所处环境的路况，车速传感器设置于汽车车身上，用于检测汽车的车速，车轮角速度传感器设置于汽车的四个车轮上，用于检测汽车车轮的角速度，行车制动器和驻车制动器设置于汽车车身内部，用于接收驾驶员发出的制动命令。复合制动ECU14分别和磁流变制动器ECU12、电机ECU13、外部路况传感器、车速传感器、车轮角速度传感器、行车制动器、驻车制动器电气连接，用于接收制动信号采集模块发出的制动信号，并根据相应的制动信号调整轮毂电机11和磁流变制动器9的输出制动力矩。复合制动ECU14根据接收到的汽车车速与车轮角速度，可以计算出汽车车轮的滑移率S。外部路况传感器将汽车所处环境的路况参数实时反馈给复合制动ECU14，以便复合制动ECU14判别汽车是否需要采取紧急制动。

如图2所示，具有力反馈功能的行车制动器主要包括汽车车架1、制动踏板5、扭转弹簧2、连杆4、角位移传感器3、直线位移传感器8和磁流变阻尼器6。所述制动踏板5通过平键固定连接在踏板转轴上，扭转弹簧2套装于踏板转轴的外周面上，用于制动完成后制动踏板5的复位，连杆4与制动踏板5、磁流变阻尼器6的活塞杆分别通过销轴固定连接，角位移传感器3安装于行车制动器的踏板转轴上，用于检测制动过程中制动踏板5的开合角度，直线位移传感器8的滑片与磁流变阻尼器6的活塞杆通过细杆7固定连接在一起，滑片的伸缩方向与磁流变阻尼器6活塞杆的伸缩方向一致，用于检测制动过程中磁流变阻尼器6活塞杆的行程位移，以便间接地反映制动踏板5的开合角度，直线位移传感器8和磁流变阻尼器6均固定安装在汽车车架1上。角位移传感器3、直线位移传感器8和磁流变阻尼器6分别与复合制动ECU电气连接，用于将角位移传感器3和直线位移传感器8检测到的制动信号传输给复合制动ECU并根据复合制动ECU发出的指令对磁流变阻尼器6的工作状态进行相应调整。制动过程中，角位移传感器3产生的的角度信号θ和直线位移传感器8产生的位移信号l是一一对应的，复合制动ECU根据两者中的任意一个信号就能做出相应的制动判断。采用两个传感器的目的是考虑到当其中一个传感器出现故障时，另一个仍能正常工作，增强了汽车制动系统的可靠性。

一种用于电动汽车磁流变线控复合制动系统的ABS控制方法，包括驻车制动器制动、行车制动器制动和紧急制动三种制动模式。

如图3所示，驻车制动器制动用于车辆停下后稳定车辆，以避免车辆在斜坡路面停车时发生溜车现象。当复合制动ECU接收到驻车制动器发出的制动命令时，通过对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器对车轮施加一定的制动力矩，从而稳定车辆。采用驻车制动器制动时，磁流变制动器由备用车载电源提供电能，从而实现磁流变制动器在汽车主电源关闭的条件下仍能正常工作。

如图3所示，行车制动器制动根据驾驶员的实际制动需求，高效、快速地调整汽车制动系统的输出制动力矩。当驾驶员踩下制动踏板制动时，行车制动器中的角位移传感器和直线位移传感器将相应的角度信号θ和位移信号l传输给复合制动ECU，如果所述角度信号θ小于门限角度θ₁或者位移信号l小于门限位移l₁，则所述复合制动ECU对电机ECU发出相应的制动信号，使得轮毂电机介入制动。如果所述角度信号θ大于门限角度θ₁或者位移信号l大于门限位移l₁，则所述复合制动ECU对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器介入制动，其输出制动力矩的值与角度信号θ或者位移信号l的值正相关。制动过程中，复合制动ECU实时监测汽车车轮的滑移率S，所述滑移率其中v是汽车车速，w是车轮角速度，r是车轮半径，如果制动过程中所述滑移率S大于门限滑移率S₁，此时汽车车轮有抱死趋势，则所述复合制动ECU给行车制动器中的磁流变阻尼器发出信号，使得阻尼器阻尼力增大从而模拟传统汽车在制动时的制动踏板感觉，同时复合制动ECU对磁流变制动器ECU发出信号，减小磁流变制动器的输出制动力矩。当所述滑移率S小于门限滑移率S₂，此时汽车车轮没有抱死趋势，则所述复合制动ECU给行车制动器中的磁流变阻尼器发出信号，使得阻尼器阻尼力减小，此时驾驶员可以根据实际情况继续采取制动措施，从而完成一个ABS控制循环。所述门限滑移率S₂<门限滑移率S₁，根据已有文献研究，将汽车车轮滑移率S控制在15％～30％之间，此时车辆既可以达到最佳制动效能，又能保证方向稳定性和转向能力。

如图3所示，紧急制动是在汽车行驶过程中遇到需要紧急制动的情况，由复合制动ECU自动发出制动命令，可以避免因驾驶员制动不及时而造成的危险。汽车行驶过程中，外部路况传感器将汽车所处环境的路况实时反馈给复合制动ECU，如果复合制动ECU根据收到的路况参数判定汽车需要紧急制动，则通过对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器介入制动，其输出制动力矩的值与此时汽车的车速正相关。

Claims (4)

1.用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统，其特征在于：包括复合制动控制单元、磁流变制动器制动单元、电机再生制动单元、具有力反馈功能的行车制动器，其中：

复合制动控制单元包括复合制动ECU和制动信号采集模块，其中制动信号采集模块与复合制动ECU连接，复合制动ECU分别与磁流变制动器制动单元、电机再生制动单元连接，制动信号采集模块采集汽车的制动信号，复合制动ECU接收制动信号采集模块采集的制动信号，并生成控制指令分别传送至磁流变制动器制动单元、电机再生制动单元；

磁流变制动器制动单元包括磁流变制动器和磁流变制动器ECU，其中磁流变制动器设置于驱动车轮转动的半轴上，由磁流变制动器在汽车制动时对车轮施加制动力矩，磁流变制动器与磁流变制动器ECU连接，磁流变制动器ECU与复合制动控制单元中复合制动ECU连接，由磁流变制动器ECU接收复合制动ECU发出的控制指令，并由磁流变制动器ECU根据控制指令调整磁流变制动器输出制动力矩的大小；

电机再生制动单元包括轮毂电机、电机ECU，其中轮毂电机设置于电动汽车的驱动轮上，由轮毂电机给驱动轮提供驱动力矩和制动力矩，轮毂电机与电机ECU连接，电机ECU与复合制动控制单元中复合制动ECU连接，由电机ECU接收复合制动ECU发出的控制指令，并由电机ECU根据控制指令调整轮毂电机输出的再生制动力矩；

具有力反馈功能的行车制动器包括汽车车架、制动踏板、扭转弹簧、连杆、角位移传感器、直线位移传感器和磁流变阻尼器，其中制动踏板一端通过踏板转轴转动安装在汽车车架处，扭转弹簧套装于踏板转轴的外周面上，以使制动踏板在制动完成后复位，角位移传感器安装于踏板转轴上，以检测制动过程中制动踏板的开合角度，直线位移传感器和磁流变阻尼器均固定安装在汽车车架上，连杆一端与制动踏板中间通过销轴销接，连杆另一端与磁流变阻尼器的活塞杆通过销轴销接，直线位移传感器的滑片与磁流变阻尼器的活塞杆通过细杆固定连接在一起，滑片的伸缩方向与磁流变阻尼器活塞杆的伸缩方向一致，由直线位移传感器检测制动过程中磁流变阻尼器活塞杆的行程位移，以间接地反映制动踏板的开合角度，复合制动控制单元中的复合制动ECU分别与角位移传感器、直线位移传感器和磁流变阻尼器连接，角位移传感器和直线位移传感器检测到的制动信号传输给复合制动ECU，并由复合制动ECU发出的指令对磁流变阻尼器的工作状态进行相应调整。

2.根据权利要求1所述的用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统，其特征在于：复合制动控制单元中，制动信号采集模块包括外部路况传感器、车速传感器、车轮角速度传感器、行车制动器和驻车制动器，其中外部路况传感器设置于汽车车身上，用于探测汽车所处环境的路况，车速传感器设置于汽车车身上，用于检测汽车的车速，车轮角速度传感器设置于汽车的四个车轮上，用于检测汽车车轮的角速度，行车制动器和驻车制动器设置于汽车车身内部，用于接收驾驶员发出的制动命令。

3.根据权利要求1所述的用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统，其特征在于：电机再生制动单元还包括备用电源，备用车载电源分别和轮毂电机、磁流变制动器制动单元中磁流变制动器连接，由备用车载电源存储轮毂电机再生制动时产生的电能，并在驻车制动或者汽车主电源出现异常的情况下为磁流变制动器供电。

4.一种权利要求1所述用于电动汽车的磁流变线控复合制动系统的ABS控制方法，其特征在于：包括驻车制动器制动、行车制动器制动和紧急制动三种制动模式，其中：

所述驻车制动器制动用于车辆停下后稳定车辆，以避免车辆在斜坡路面停车时发生溜车现象；当复合制动ECU接收到驻车制动器发出的制动命令时，通过对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器对车轮施加一定的制动力矩，从而稳定车辆；

所述行车制动器制动根据驾驶员的实际制动需求，高效、快速地调整汽车制动系统的输出制动力矩；当驾驶员踩下制动踏板制动时，行车制动器中的角位移传感器和直线位移传感器将相应的角度信号θ和位移信号l传输给复合制动ECU，如果角度信号θ小于门限角度θ₁或者位移信号l小于门限位移l₁，则复合制动ECU对电机ECU发出相应的制动信号，使得轮毂电机介入制动；如果角度信号θ大于门限角度θ₁或者位移信号l大于门限位移l₁，则复合制动ECU对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器介入制动，其输出制动力矩的值与角度信号θ或者位移信号l的值正相关；制动过程中，复合制动ECU实时监测汽车车轮的滑移率S，滑移率其中v是汽车车速，w是车轮角速度，r是车轮半径，如果制动过程中所述滑移率S大于门限滑移率S₁，此时汽车车轮有抱死趋势，则复合制动ECU给行车制动器中的磁流变阻尼器发出信号，使得阻尼器阻尼力增大从而模拟传统汽车在制动时的制动踏板感觉，同时复合制动ECU对磁流变制动器ECU发出信号，减小磁流变制动器的输出制动力矩；当移率S小于门限滑移率S₂，此时汽车车轮没有抱死趋势，则复合制动ECU给行车制动器中的磁流变阻尼器发出信号，使得阻尼器阻尼力减小，此时驾驶员可以根据实际情况继续采取制动措施，从而完成一个ABS控制循环；

所述紧急制动是在汽车行驶过程中遇到需要紧急制动的情况，由复合制动ECU自动发出制动命令，可以避免因驾驶员制动不及时而造成的危险；汽车行驶过程中，外部路况传感器将汽车所处环境的路况实时反馈给复合制动ECU，如果复合制动ECU根据收到的路况参数判定汽车需要紧急制动，则通过对磁流变制动器ECU发出相应的制动信号，使得磁流变制动器介入制动，其输出制动力矩的值与此时汽车的车速正相关。