CN102133892B - 发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合制动系统和方法，旨在提供一种发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动系统及方法。该系统包括通过高压管路连接至高压储气罐的压缩空气制动系统，高压管路上设电磁阀；还包括摩擦式制动系统，电子控制单元ECU通过信号线分别与刹车踏板传感器、车辆运行状态传感器、压缩空气制动系统、摩擦式制动系统、电磁阀相连接。本发明相比传统制动技术更加节能；在长坡制动时降低对摩擦制动器损伤，避免制动力衰退，提高制动安全性；可实现气门控制，实现压缩空气制动力大小可调，扩大了压缩空气制动的工况应用范围；在压缩空气制动和摩擦制动单独工作或联合工作时都能实现防抱死功能，提升了车辆制动系统的稳定性。

Description

发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动系统及方法

技术领域

本发明涉及复合制动系统，通过发动机压缩空气制动（该制动通过气动发动机或内燃机的压缩空气模式实现）和传统摩擦式制动的合理匹配和恰当控制，使得气动汽车、气动/燃油混合动力汽车或者具有空气压缩模式内燃机的汽车实现在制动时既能达到制动效能和稳定性，同时又能回收车辆动能。

背景技术

随着石油资源供应日益紧迫和环境污染的不断加重，全球汽车工业都在努力研发新能源汽车以缓解环境和能源的压力。作为新能源汽车中实现节能的重要途径，制动能量回收也越来越受到人们的重视。在电动汽车上，由于电池剩余电量和充电速率等问题限制了回收的潜力。虽然采用超级电容可解决部分问题，但低速条件下电机回收能量能力差的问题依旧存在。此外还有高速飞轮、液压储能等回收方法，但仍存在储能时效性差、制造成本高或额外重量大等问题。

近年来，基于传统内燃机技术的内燃-气动混合动力（Hybrid Pneumatic Engine, HPE）以及纯气动发动机引起了国内外研究人员的注意。其思路是，制动时发动机转为压缩机模式，进气压缩后存入高压储气罐；借助气罐内高压气，实现纯气动起步、气动辅助驱动、增压燃烧等多种模式；而纯气动发动机则直接以压缩空气为驱动能源，工作时无有害排放物，也可实现制动能量回收利用。该制动能量回收系统中发动机气门可实时调整，并且为了存储工作介质需要有一个高压储气罐。在使用时可通过调整进排气门来实现压缩气体制动工作模式，对制动能量以高压气体的形式回收储存。而现有车辆中没有具体涉及压缩空气制动系统和传统摩擦式制动系统的匹配问题。为了能够充分利用发动机的优势，做到更加节能环保，必须研制一套发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动系统及方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动系统及方法，该压缩空气制动通过气动发动机或内燃机的压缩空气模式实现。旨在提升车辆的制动性能并实现能量回收，为可使用发动机压缩空气制动的汽车提供一套可靠有效的制动系统。

为解决技术问题，本发明采取以下的技术方案：

提供一种发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动系统，包括通过高压管路连接至高压储气罐的压缩空气制动系统，高压管路上设电磁阀；该系统还包括摩擦式制动系统，电子控制单元ECU(Electronic Control Unit)通过信号线分别与刹车踏板传感器、车辆运行状态传感器、压缩空气制动系统、摩擦式制动系统、电磁阀相连接。

刹车踏板传感器和车辆运行状态传感器均为车辆通用设备。其中，刹车踏板传感器用于车辆制动控制系统，通过此传感器控制系统可以感知刹车踏板的位移和踏板受的力、力变化率。车辆运行状态传感器包括车轮轮速传感器、车辆纵向加速度传感器，用于采集车辆实际运行状态信号车轮转速和车辆纵向加速度。

所述车辆状态估计器是一个软件功能模块，内置于电子控制单元ECU的芯片中，用于估计车辆的纵向速度、车身质心侧偏角、路面附着系数以及所有相关状态。其具体实现方式可以有很多种，本领域技术人员在了解本发明思路及各服务器和相应模块的功能描述之后，完全可以根据其掌握的技能实现各模块的编程与运行，不存在无法理解或无法再现的可能性。

作为一种改进，所述电子控制单元ECU中设置车辆状态估计器，车辆状态估计器与刹车踏板传感器、车辆运行状态传感器之间电连接。

作为一种改进，所述电磁阀为三通阀，有一个排气管路与该电磁阀相接，其另一端接大气。

进一步地，本发明还提供了一种发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动方法，包括：对于可使用发动机压缩空气制动的车辆，在其驱动车轴上同时设置压缩空气制动系统和摩擦式制动系统，而在非驱动车轴上只设置摩擦式制动系统；刹车踏板传感器与车辆运行状态传感器将信号发送至电子控制单元ECU，对接收到的信号进行分析，并根据预置条件判断是否执行防抱死动作、制动力调节动作或制动力分配动作，并将控制信号传递至压缩空气制动系统和摩擦式制动系统；压缩空气制动系统和摩擦式制动系统根据控制信号的要求提供相匹配的制动力，组成总制动力以使车辆按给定条件减速。

所述预置条件是指，可根据期望的制动力和实际制动力差距以及车轮抱死等条件确认需要执行防抱死动作、制动力调节动作或制动力分配动作。

本发明中，在车轮未抱死的情况下，驱动车轮优先使用压缩空气制动；当车辆所需制动力超出压缩空气制动系统所能提供的最大制动力时，驱动车轮结合摩擦制动以补充不足的制动力。

车轮是否抱死可由车轮滑移率检测分析完成判断，这是一种通用技术。

本发明中，在紧急制动情况下，驱动车轮不采用压缩空气制动而直接采用摩擦制动，以使车辆尽快减速并停止。紧急制动情况是指踏板传感器检测到踏板所受到的力以及力的变化率达到设定的阈值时的情况。

本发明中，在压缩空气制动系统未达到最大制动力时，其调节通过下述方式实现：通过推迟排气门开启时刻的方式或者高压气体二次压缩的方式增大压缩空气制动力；采用提前排气门开始时刻的方式减小制动力，同时压缩气体直接通过排气门进入大气而不进入高压管路。

本发明中，当检测到非驱动轴上的车轮抱死时，非驱动轴上的摩擦式制动系统实施ABS控制。

本发明中，当检测到驱动轴上的车轮抱死时，首先判断存在几个轮胎抱死：（1）如果只有单轮抱死，再判断是否存在压缩空气制动，如不存在，则由摩擦式制动系统实施ABS控制；如存在，则继续判断是单独制动还是联合制动，再分别按照相应的步长减小制动力；（2）如果两轮同时抱死，判断是否存在压缩空气制动，不存在则按照摩擦制动ABS实施控制；如果存在则继续判断是单独制动还是联合制动，再分别按照相应步长减小制动力。

所述ABS（Anti-lock Braking System，制动防抱死系统）是现有的一种通用技术，针对于摩擦式制动。

本发明中，当压缩空气制动系统执行制动动作时，压缩空气制动系统所产生的高压气体通过高压管路存储至高压储气罐。

本发明的有益效果在于：

所述发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动系统及方法实现了两种不同形式制动的复合和匹配，保证制动能力的同时有效地回收了车辆动能。与现有技术相比，  本发明具有如下优点：

1、利用了可使用发动机压缩空气制动的车辆的优点实施压缩空气制动能量回收，有效地回收了制动时车辆的动能，相比传统制动技术更加节能；

2、利用压缩空气制动系统使得车辆在长坡制动时降低对摩擦制动器损伤，避免制动力衰退，提高制动安全性。

3、所述的压缩空气制动系统可实现气门控制，实现压缩空气制动力大小可调，扩大了压缩空气制动的工况应用范围；

4、本发明还包括制动防抱死系统，在压缩空气制动和摩擦制动单独工作或联合工作时都能实现防抱死功能，提升了车辆制动系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明复合制动系统原理图。图中F _bA 为压缩空气制动力，F _bF 为摩擦式制动力，F _b 为总制动力。

图2为本发明在车轮未抱死时的制动策略流程图。图中F _bA 为压缩空气制动力，F _bA,max 为驱动轴能达到的最大压缩空气制动力，F _bf 为前轴制动力，F _br 为后轴制动力，F _b 为总制动力，F _bFf 为后轴车轮摩擦制动力。

图3为本发明复合制动系统的防抱死原理流程图。图中F _bA 为压缩空气制动力，F _bA,max 为驱动轴最大压缩空气制动力，F _bFi 为单个车轮摩擦制动力，F _bAi,max 为单个驱动轮能达到的最大压缩空气制动力，F _bi ^* 为期望的制动力，F _bi 为单个车轮总制动力，i=L,R，DF _b(A,i) =F _bi -F _bi ^* 。

图4为本发明复合制动系统中ECU控制和计算的任务。

具体实施方式

本发明中的系统包含发动机压缩空气制动系统、传统摩擦式制动、电子控制单元ECU和刹车踏板传感器、车辆运行状态传感器，以及内置于电子控制单元ECU中的车辆状态估计器等部分。在车辆不同工况下实现制动匹配，达到最优制动能量回收。该复合系统能够实现压缩空气制动力大小调节、压缩空气适时储存、复合制动防抱死和两制动力（压缩空气制动力和摩擦式制动力）切换补给等功能。本发明不受发动机缸数限制，只要对气门实施一定的控制，再加一套气体储存装置，就可以实现制动能量回收。如在传统内燃机中，若需要实施制动能量回收模式，只要电子控制单元ECU控制发动机气门使内燃机从燃烧模式切换为制动能量回收模式，再把压缩终了的气体存入高压储气罐。

本发明提出了发动机压缩空气式制动和摩擦式制动的复合与匹配。在本发明中制动踏板传感器与制动控制器的连接为电线连接，而制动踏板还是通过机械结构连接至摩擦式制动主缸，以保证制动的可靠性。

本发明中压缩空气制动系统通过气门控制可以实现压缩空气制动力大小可调节。

本发明中压缩空气制动系统包括压缩空气储存系统，可实现在制动的同时能够回收高压气体。该压缩空气储存系统，包括高压储气罐、高压管路和管路电磁阀，压缩空气制动所产生的高压气体通过高压管路存储至高压储气罐。高压管路并联布置在其中一个排气管路中，能够选择排气进入排气管或者高压管路。高压管路电磁阀能够适时通断实现高压气体的存储和释放。

本发明中还包含制动力分配系统，根据车辆状态和驾驶员判断按照理想的前后轮制动器制动力分配曲线——I曲线将制动力分配至前后轴，并且系统优先考虑使用压缩空气制动，结合摩擦式制动，使制动力满足条件。而在紧急情况下只采用摩擦式制动。I曲线是指制动时前、后车轮同时抱死时的前、后轮制动器制动力关系曲线。当前后车轮制动器制动力满足I曲线时，汽车对附着条件的利用和制动时的方向稳定性均较为有利。

本发明复合制动系统还包括制动防抱死系统，在单独制动和联合制动时都能实现防抱死功能，以保证车辆制动稳定性。

下面将结合附图对本发明进行详细描述。

本发明——复合制动系统的原理如图1所示。可使用发动机压缩空气制动的驱动车轴上同时存在压缩空气制动和摩擦制动，而非驱动车轴上只存在摩擦制动。需要注意的是，本具体实施例仅以前轴发动机驱动、后轴从动为具体实施例，而对于后驱或四驱车辆，可按照类似方法实施本发明。

车辆运行状态通过传感器（刹车踏板传感器和车辆状态传感器）感知并将信号发送至ECU，ECU通过车辆状态估计器判断根据预置条件做出决定是否执行防抱死、制动力调节和制动力分配等动作，再将控制执行作用到两制动系统产生适当的制动力，组成车辆的总制动力使车辆按给定条件减速。同时压缩空气制动回收制动能量储存高压气体。

在正常情况下，即车轮未抱死的情况，优先考虑使用压缩空气制动，当车辆所需制动力超出压缩空气制动系统所能提供的最大制动力时，考虑结合摩擦制动以补充不足的制动力。而在紧急情况下，不采用压缩空气制动而直接采用摩擦制动使车辆尽快减速并停止。该原理如图2所示。车辆通过传感器将信号传递至电子控制单元ECU，ECU分析计算得到车辆所需制动力并且按照理想前、后轮制动器制动力分配曲线（I曲线）分配至前后轮。后轴车轮只有摩擦制动，所以直接得到所需的摩擦制动力。而前轴车轮需要判断是否紧急制动，如果是紧急制动则取消压缩空气制动直接采用摩擦制动。在非紧急制动情况下才优先选择压缩空气制动，这时假如压缩空气制动力能够满足制动条件则只有压缩空气单独制动，如压缩空气制动力不能满足则有摩擦制动来补给，即采用联合制动。

对于压缩空气制动力大小调节系统，只需改变循环参数，具体实施方案如下：在未达到最大制动力时，要增大压缩空气制动力可采用推迟排气门开启时刻的方式或者高压气体二次压缩的方式，要减小制动力则可以采用提前排气门开始时刻的方式，同时可以采用压缩气体直接通入排气门进入大气而不进入高压管路。

复合制动防抱死系统原理将结合图3来说明。

对于非驱动轴车轮，当检测到车轮抱死时，则摩擦制动ABS实施控制，无抱死则按照图2所示一般制动实施控制。对于驱动轴车轮，首先判断存在几个车轮抱死：（1）如果只有单轮抱死，判断是否存在压缩空气制动，不存在则由摩擦制动ABS实施控制；如存在，则继续判断是单独制动还是联合制动，是单独制动则按照相应步长减小压缩空气制动力，并对另一轮实施补偿，是联合制动则按照相应的顺序和步长减小制动力。（2）如果两轮同时抱死，判断是否存在压缩空气制动力，不存在则按照摩擦制动ABS实施控制，如果存在则继续判断是单独制动还是联合制动，是单独制动则按照相应步长减小压缩空气制动力，是联合制动则按照上一条中的联合制动处理方式实施。（3）两轮都没有抱死则按照图2所示一般制动实施控制。

Claims (1)

1.发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动方法，其特征在于，是基于发动机压缩空气与摩擦制动相匹配的复合制动系统实现制动；该系统包括通过高压管路连接至高压储气罐的压缩空气制动系统，高压管路上设电磁阀；该系统还包括摩擦式制动系统，电子控制单元ECU通过信号线分别与刹车踏板传感器、车辆运行状态传感器、压缩空气制动系统、摩擦式制动系统、电磁阀相连接；所述电子控制单元ECU中设置车辆状态估计器，车辆状态估计器与刹车踏板传感器、车辆运行状态传感器之间电连接；所述电磁阀为三通阀，有一个排气管路与该电磁阀相接，电磁阀另一端接大气；当压缩空气制动系统执行制动动作时，压缩空气制动系统所产生的高压气体通过高压管路存储至高压储气罐；

所述复合制动方法是指：对于使用发动机压缩空气制动的车辆，在其驱动轴上同时设置压缩空气制动系统和摩擦式制动系统，而在非驱动轴上只设置摩擦式制动系统；刹车踏板传感器与车辆运行状态传感器将信号发送至电子控制单元ECU，对接收到的信号进行分析，并根据预置条件判断是否执行防抱死动作、制动力调节动作或制动力分配动作，并将控制信号传递至压缩空气制动系统和摩擦式制动系统；压缩空气制动系统和摩擦式制动系统根据控制信号的要求提供相匹配的制动力，组成总制动力以使车辆按给定条件减速；

A、在车轮未抱死的情况下，驱动车轮优先使用压缩空气制动；当车辆所需制动力超出压缩空气制动系统所能提供的最大制动力时，驱动车轮结合摩擦制动以补充不足的制动力；

B、在紧急制动情况下，驱动车轮不采用压缩空气制动而直接采用摩擦制动，以使车辆尽快减速并停止；

C、在压缩空气制动系统未达到最大制动力时，其调节通过下述方式实现：通过推迟排气门开启时刻的方式或者高压气体二次压缩的方式增大压缩空气制动力；采用提前排气门开启时刻的方式减小制动力，同时压缩气体直接通过排气门进入大气而不进入高压管路；

D、当检测到非驱动轴上的车轮抱死时，非驱动轴上的摩擦式制动系统实施ABS控制；

E、当检测到驱动轴上的车轮抱死时，首先判断存在几个车轮抱死：

（1）如果只有单轮抱死，再判断是否存在压缩空气制动，如不存在，则由摩擦式制动系统实施ABS控制；如存在，则继续判断是单独压缩空气制动还是复合制动，如果是单独压缩空气制动，按照相应步长减小压缩空气制动力，并且对另一轮实施补偿，如果是复合制动，则按照相应的顺序和步长减小制动力；

（2）如果两轮同时抱死，判断是否存在压缩空气制动，不存在则按照摩擦制动ABS实施控制；如果存在则继续判断是单独压缩空气制动还是复合制动，如果是单独压缩空气制动，按照相应步长减小压缩空气制动力，如果是复合制动，则按照相应的顺序和步长减小制动力。

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