CN104760586A - 可主动模拟踏板感觉的双电机驱动式电子液压制动系统 - Google Patents

Abstract

一种可主动模拟踏板感觉的双电机驱动式电子液压制动系统，包括制动踏板、用于储存制动液的储液罐、踏板位移传感器、踏板力传感器、液压力传感器、电子控制单元、电磁阀、电子稳定性控制模块、制动主缸与次级主缸；电控直线运动模块，包括旋转电机和将电机旋转运动转换成直线运动的减速增矩机构以实现系统液压制动力和踏板力的主动控制。能充分利用驾驶员的踏板力建压；在实现踏板力主动控制的同时省去了结构复杂的踏板力模拟器，保证了制动踏板感觉，提供驾驶员准确的车辆制动情况反馈；实现了液压力主动控制，满足自动驾驶车辆的制动要求；实现最大化制动能量回收，控制精确、响应速度快；实现了双回路制动，且失效保护考虑周全，安全性好。

Description

可主动模拟踏板感觉的双电机驱动式电子液压制动系统

技术领域

本发明属于汽车制动系统领域，涉及可主动模拟踏板感觉的双电机驱动式电子液压制动系统。

背景技术

随着汽车技术的发展，汽车性能得到大幅提升，汽车的行驶安全也越来越受到人们的重视，因此近年来发展汽车安全技术成为汽车学术研究的重要课题之一。有别于传统汽车上的全机械式动力系统结构，清洁能源汽车的动力系统发生了很大的变化，出现了很多新的结构型式和功能类型，为适应这些全新的结构功能设计，传统的制动系统结构变得越来越复杂，并直接导致了制动响应速度变慢、制动系统占用空间过大等问题，更影响了汽车驾驶安全性。因此，可控性好、响应速度快、高效节能的线控制动系统已经成为改善汽车主动安全性能的重要研究方向。

电子液压制动系统(EHB)作为一种较为新型的制动系统，是线控制动系统的一种。它将电子技术与液压系统相结合，用电子元件取代了部分传统的机械部件，即取消了踏板与主缸之间的机械连接及体积庞大的真空助力器，并仍保留了成熟的液压系统。工作时，系统通过采集踏板输入信号识别驾驶员意图，然后根据实际需要对液压压力进行主动调控，提高了汽车的制动效率，也保证了汽车行驶的安全性及稳定性。

早在上世纪60年代，就有设计者构想将原本用在电动机车上的再生制动技术用于电动汽车上，随着混合动力汽车的面世，1997年丰田汽车公司推出了具有标志性意义的混合动力轿车Prius，其上搭载的制动系统集成了ABS防抱死系统和再生制动系统，能提高高达20％的能量利用率。随后，04版的Prius引进电子伺服制动控制技术，并进一步提升电动机、发电机和摩擦制动器的管理，制动过程更加平稳。与此同时，德国Bosch公司也于1996年开发出一套全新的EHB系统，并搭载于某车型上，在实验中得到了令人满意的制动效果。2000年后，TRW，Delphi，Continental Teves等公司相继也开发出了类似的EHB系统，部分设计已经或已计划进入产品化阶段。

从结构上看，典型的电子液压制动系统主要包括踏板单元(制动踏板、踏板感觉模拟器和踏板力/位移传感器)、建压单元、液压调节单元(管路和电磁阀)、信号采集及电子控制单元(ECU、压力传感器和转速传感器)。工作时，ECU通过采集踏板单元接受的位移/力信号，识别驾驶员制动意图，对建压单元及液压调节单元进行控制，从而实现系统液压力的主动调节。

根据建压单元中供能元件的不同，可将电子液压制动系统分为两类。一类以液压泵-高压蓄能器作为液压压力动力源，通过控制高压蓄能器内的液压压力和电磁阀的开关来实现对液压压力的主动调节。但此项技术尚不成熟，可靠性和安全性还存在隐患，同时需要增设踏板模拟器，即驾驶员踩下的踏板力都消耗在踏板模拟器中，造成一定程度上能源的浪费。

另一类以电机作为液压压力动力源，通过对电机转速或转矩的控制实现对液压压力的主动调节。其中，电机与主缸间的减速机构可以将电机的旋转运动转换为直线运动来推动主缸，并能降低电机的最大输出扭矩，减小电机体积。同时，由于制动踏板与主缸间没有液压管路，不存在液压管路泄露、高压蓄能器安全隐患等问题，系统更加可靠安全。此外，采用电机驱动液压系统制动，方便进行液压力的主动控制，并通过机械机构主动控制踏板力，省去了结构复杂的踏板模拟器，在充分利用驾驶员踩下的踏板力的同时实现ABS、TCS等功能。在此基础之上，这种形式的复合制动系统还能保证车辆在自动驾驶时不依靠人力仍可以完成车辆的主动制动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可主动模拟踏板感觉的双电机驱动式电子液压制动系统，旨在准确识别驾驶员的制动意图，充分利用人力，在实现主动模拟踏板感觉的同时，保证液压力的主动控制，回收更多制动能量。

进一步，本发明还可以通过电磁阀的布置很好地满足自动驾驶车辆的制动要求，提供完善的失效备份方案，提高电子液压制动系统的安全性和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可主动模拟踏板感觉的双电机驱动式电子液压制动系统，包括：

制动踏板，接收驾驶员制动意图并将其输入系统；

制动主缸，接收踏板力与对应制动电机经减速机构所产生的合力，建立所需的液压制动力；

次级主缸，接收对应制动电机经减速机构产生的推力，建立所需的液压制动力；

储液罐，用于储存制动液；

踏板位移传感器，用于获取驾驶员踩下制动踏板的位移信号；

踏板力传感器，用于确定驾驶员踩制动踏板力的大小；

液压力传感器，用于获取液压管路压力；

电子控制单元(ECU)，接收传感器信号、计算并发出控制指令；

两个电控直线运动模块，包括旋转电机和将电机旋转运动转换成直线运动的减速机构，用于对系统液压制动力和踏板力的主动控制；

电磁阀，通过开关动作保证系统可实现双回路制动，且保证其在失效模式下仍具有一定制动效能；

电子稳定性控制模块(ESC)，用于调节各轮缸的液压制动力。

电控直线运动模块，包括旋转电机和将电机旋转运动转换成直线运动的减速增矩机构以实现系统液压制动力和踏板力的主动控制。

所述电控直线运动模块包括第一电控直线运动模块和第二电控直线运动模块，第一电控直线运动模块的运动调整机构中，包括一端与制动踏板相连、一端与减速机构部件铰接且同轴的推杆，所述减速增矩机构与所述制动主缸活塞直接接触以推动活塞运动。

所述第一电控直线运动模块结合踏板力共同推动所述制动主缸活塞，电机根据踏板力传感器收到的踏板力值与实际所述制动主缸内液压力提供力矩；所述第二电控直线运动模块与所述次级主缸直接接触，电机根据驾驶员制动意图的大小提供力矩。

所述制动主缸与所述次级主缸都为单缸，能有效减少管路数目与总长，并能减少使用电磁阀的数目。此外由于本发明系统为使用两液压缸制动，能有效降低液压缸截面积，保证其在完全失效情况下，踏板力仍能产生较大制动液压力。

所述电磁阀包括：在所述制动主缸出液口与进液口之间的一个常开电磁阀，通过对其进行开闭控制，可以保证车辆制动能量回收。

在所述制动主缸及所述次级主缸出液口管路之间的常开阀，用于控制液压管路，实现双回路系统。

通过对两电磁阀的控制，还可以完成不同制动模式下的制动目标并提供完善的失效模式。

优选地，考虑到传动效率及系统噪声，所述第一、第二电控直线运动模块中的减速机构包括圆锥齿轮与滚珠丝杠组成的二级减速结构，或可选蜗轮蜗杆、齿轮齿条或丝杠-螺母机构。

优选地，所述电磁阀为开关阀，其中考虑到工作模式的常用性及工作要求，制动主缸与ABS/ESC模块间为常开阀，次级主缸与所述ABS/ESC模块间为常闭阀，该两管路间为常开阀。

由于采用上述方案，与现有电子液压制动系统相比，本发明液压式双电机驱动的电子液压制动系统具有如下优点：

1.采用双电机协动控制运动调整机构，降低了电机功率，提高了电机寿命，响应速度快，能够对液压制动力实时控制，主动调节，在某处电机失效时可以由另一电机为制动系统提供液压制动力。

2.能根据电动车驱动电动机产生的变化的再生制动力来调节液压制动力的大小，以满足车辆所需的总制动力，充分利用了人力制动，能够正确反映驾驶员的制动意图，并最大化地回收制动能量。

3.第一电控直线运动模块的电机接收电控单元ECU发出的信号后控制运动调整机构，运动调整机构可以对与制动踏板相连的推杆施加作用力，实现踏板力的主动控制，保证了驾驶员的制动踏板感觉，省去了结构复杂的踏板模拟器。

4.自动驾驶的车辆要求能够在没有驾驶员踏板力的情况下制动，此时所述电控ECU根据接收的信号对系统电气元件进行调节，产生液压制动力，满足自动驾驶的制动要求。

5.制动踏板和制动主缸之间保持机械连接结构，降低了系统失效的风险。同时，通过双液压缸式的结构设计，有效降低液压缸尺寸，当系统完全失效时，仍能有效利用驾驶员的踏板力建立相较于其他EHB系统更大的制动液压力，保证了一定车辆制动系统的可靠性和安全性。

6.系统仅布置两个电磁阀，通过对其开闭状态的控制，即可切换系统工作模式，保证系统在失效情况下仍具有一定制动效能，且能实现双回路制动。在确保系统安全性、可靠性的同时，将元件数量减至最少，减小空间、降低成本。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图中：1—制动踏板；2—推杆；3—第一电控直线运动模块；4—滚珠丝杠；5—斜齿轮副；6—制动主缸；7—储液罐；8—次级主缸；9—斜齿轮副；10—滚珠丝杠；11—电机；12—第二电控直线运动模块；13—踏板力传感器；14—踏板位移传感器；15、16、19、20、21、22—控制线路；17—电控单元；18—电机；23—ESC模块；24—液压力传感器；25—常闭电磁阀；26—常开电磁阀。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种可主动模拟踏板感觉的双电机驱动式电子液压制动系统，包括：

制动踏板1，接收驾驶员的制动意图并将其输入系统；

推杆2，其一端与所述制动踏板1连接，另一端为球形结构，通过结构设计与滚珠丝杠4铰接。

制动主缸6，用于接收踏板力与对应制动电机经减速机构所产生的合力，建立所需的液压制动力；

储液罐7，用于储存制动液；

次级主缸8，用于接收对应制动电机经减速机构产生的推力，建立所需的液压制动力；

踏板力传感器13，用于确定驾驶员踩制动踏板力的大小；

踏板位移传感器14，用于获取驾驶员踩下制动踏板的位移信号；

液压力传感器24，用于获取液压管路压力；

电子控制单元(ECU)17，接收传感器信号、计算并发出控制指令；

第一电控直线运动模块3，由滚珠丝杠4、斜齿轮副5及电机18组成，将电机18输出的旋转运动转换成直线运动，推动所述制动主缸6活塞运动，实现踏板力的主动控制；

第二电控直线运动模块12，由斜齿轮副9、滚珠丝杠10及电机11组成，将电机11输出的旋转运动转换成直线运动，推动所述次级主缸8活塞运动，实现系统液压力的主动控制；

常闭电磁阀25及常开电磁阀26，通过开关动作保证系统可实现双回路制动，且保证其在失效模式下仍具有一定制动效能；

电子稳定性控制模块(ESC)23，用于调节各轮缸的液压制动力。

控制线路15、16、19-22；

优选地，所述第一电控直线运动模块3中的减速增矩机构由滚珠丝杠4和斜齿轮副5构成，滚珠丝杠与斜齿轮副大齿轮同轴，且丝杠螺母与其固接，推杆2后端为球形，通过滚珠丝杠4的结构设计与其球形铰接，其另一端与制动踏板1相连。

优选地，所述第一电控直线运动模块3中丝杠与制动主缸6的推杆固接且同轴，类似地，所述第二点控制线运动模块12中丝杠也与次级主缸8的推杆固接且同轴。

本发明的双电机驱动式电子液压制动系统基本工作原理如下：驾驶员踩下制动踏板1，位移传感器14获得踏板位移信号，接收到驾驶员的制动意图，电控单元17根据采集到的信号得到本次制动中所需的液压制动力大小P_h，计算出第二电控直线运动模块12所需的调节力F₂(F₂＝P_h·A₂，A₂为次级主缸活塞面积)，通过控制线路20打开电磁阀26，关闭电磁阀25，通过控制线路22驱动电机11，推动次级主缸8内活塞作直线运动，在活塞挡住补偿孔后次级主缸8开始建压。同时电控单元17根据制动踏板力与踏板行程的理想关系曲线、制动踏板力传感器13获得的踏板力大小、制动踏板杠杆比计算出踏板力提供的制动主缸轴向推力F_p，从而得到第一电控直线运动模块3所需的调节力F₁(F₁＝P_h·A₁-F_p·i，A₁为制动主缸活塞面积，i为制动踏板杠杆比)，通过控制线路19调节电机18的力矩，保证驾驶员踏板感觉。

当系统所需液压制动力由于车辆运行状态的改变而改变、增加或减少Δp时，电控单元17调节电机11的力矩，使第二电控直线运动模块的调节力为F₂(F₂＝(P_h±Δp)·A₂，A₂为次级主缸活塞面积)，同时得出第一电控直线运动模块3所需的调节力F₁(F₁＝(P_h±Δp)·A₁-F_p·i，A₁为制动主缸活塞面积，i为制动踏板杠杆比)，通过控制线路22调节电机2的力矩，保证驾驶员踏板感觉不变。

当系统所搭载车辆为自动驾驶车辆时，要求能够在没有驾驶员踏板力的情况下制动，此时所述电控ECU根据接收的信号关闭电磁阀25、26，并控制第二直线运动模块12中的电机11运动，驱动减速机构9、10后推动次级主缸做理想的直线运动产生液压制动力。该工况下，制动踏板不需任何输入也不产生运动。

按照国家法规要求制动系统必须考虑到失效情况的发生以及某些制动部件发生故障时，也必须能够让驾驶员踩踏板的力传输到制动系统中，进行一定强度的制动。本发明液压式双电机驱动电子液压制动系统也设计了失效保护方案。

在制动开始或制动进行中，当系统某一管路失效时，以与制动主缸6出液口的一路管路失效为例，电控单元17接收到失效信息，电磁阀25打开，电磁阀26关闭，系统仅利用电机12带动第二电控直线运动模块推动次级主缸8进行制动，电机18停止工作，此时制动踏板与系统建压元件解耦，仅利用液压缸6内的回位弹簧保证踏板感觉。其他管路失效时系统工作情况与之类似。

制动开始或制动进行中电机18无法提供力矩或减速机构部件4或5损坏以致无法传递运动，系统传递故障信息给电控单元17，电控单元17通过控制线路20使电磁阀26关闭，电磁阀25打开，同时对第二电控直线运动模块中的电机11进行调节(F₂＝P_h·A₂，A₂为次级主缸活塞面积)，驱动减速机构9和10，推动次级主缸活塞做期望的直线运动，产生制动液压力。此时踏板力被制动主缸中弹簧消耗，系统仍能保证一定踏板感觉。

制动开始或制动进行中电机11无法提供力矩或减速机构部件9或10损坏以致无法传递运动，系统传递故障信息给电控单元17，电磁阀25、26关闭，同时对第一电控直线运动模块3中的电机18进行调节(F₁＝P_h·A₁-F_p·i，A₁为制动主缸活塞面积)，驱动减速机构4、5运动推动次级主缸活塞做期望的直线运动，与驾驶员踏板力产生的合力一起推动液压主缸活塞做期望的直线运动，进行各个轮缸的制动。

制动开始或制动进行中第一、第二电控直线运动模块同时失效时，系统传递故障信息给电控单元17，电磁阀25、26关闭，此时驾驶员深踩制动踏板，通过推杆2及丝杠螺杆直接推动制动主缸。由于本方案含制动主缸与次级主缸，因此可以有效降低液压缸尺寸，在踏板力相同，系统不提供助力时，仍可以获得较大液压力，相较于其他EHB系统安全性更优。

制动开始或制动进行中，当某一制动轮缸或其连接管路失效时，以右前轮管路失效为例，电控单元17接收到失效信息，电磁阀25打开，电磁阀26关闭，系统仅利用电机12带动第二电控直线运动模块推动次级主缸8建压，车辆通过左前轮、右后轮进行制动。此时，电机18停止工作，仅利用液压缸6内的回位弹簧保证一定踏板感觉。其他轮缸或对应管路失效时，系统工作情况与之类似。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可主动模拟踏板感觉的双电机驱动式电子液压制动系统，包括用于接收驾驶员制动意图并将其输入系统的制动踏板、用于储存制动液的储液罐；其特征在于：还包括：

用于明确驾驶员的制动意图的踏板位移传感器；用于测量踏板力大小以便明确系统需提供的制动助力的踏板力传感器；用于获取液压管路压力的液压力传感器；用于接收传感器信号、计算并发出控制指令的电子控制单元；通过开闭动作保证系统稳定、在失效模式下制动系统具有制动效能的电磁阀；用于调节各轮缸的液压制动力的电子稳定性控制模块；制动主缸与次级主缸；

电控直线运动模块，包括旋转电机和将电机旋转运动转换成直线运动的减速增矩机构以实现系统液压制动力和踏板力的主动控制。

2.根据权利要求1所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：

所述电控直线运动模块包括第一电控直线运动模块和第二电控直线运动模块，第一电控直线运动模块的运动调整机构中，包括一端与制动踏板相连、一端与减速机构部件铰接且同轴的推杆，所述减速增矩机构与所述制动主缸活塞直接接触以推动活塞运动。

3.根据权利要求2所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：所述第一电控直线运动模块结合踏板力共同推动所述制动主缸活塞，电机根据踏板力传感器收到的踏板力值与实际所述制动主缸内液压力提供力矩；所述第二电控直线运动模块与所述次级主缸直接接触，电机根据驾驶员制动意图的大小提供力矩。

4.根据权利要求1所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：所述制动主缸与所述次级主缸均为单缸。

5.根据权利要求1所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：

所述制动主缸出液口与进液口之间设有常开电磁阀，通过对其进行开闭控制以保证车辆制动能量回收。

6.根据权利要求1所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：

所述制动主缸及所述次级主缸出液口管路之间设有常开电磁阀，用于控制液压管路以实现双回路系统。

7.根据权利要求2所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：

所述第一及第二电控直线运动模块中的减速机构包括圆锥齿轮与滚珠丝杠组成的二级减速结构。

8.根据权利要求1所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：

所述第一、第二电控直线运动模块中的减速机构包括蜗轮蜗杆、齿轮齿条或丝杠-螺母机构。

9.根据权利要求1所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：

所述电磁阀为开关阀，制动主缸与ABS/ESC模块间为常开阀，次级主缸与所述ABS/ESC模块间为常闭阀，该两管路间为常开阀。

10.根据权利要求2所述的双电机驱动式电子液压制动系统，其特征在于：

所述第一电控直线运动模块中的减速增矩机构由滚珠丝杠和斜齿轮副构成，滚珠丝杠与斜齿轮副大齿轮同轴，且丝杠螺母与其固接，推杆后端为球形，通过滚珠丝杠的结构与其球形铰接，其另一端与制动踏板相连；或，

优选地，所述第一电控直线运动模块中丝杠与制动主缸的推杆固接且同轴；或，

优选地，所述第二点控制线运动模块中丝杠与次级主缸的推杆固接且同轴。