CN105946589B - 轮毂电机电动汽车制动系统及制动能量回收控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了轮毂电机电动汽车制动系统及制动能量回收控制方法。传统电动汽车上的制动系统制动力大小难以控制，蓄电池反复充放电，寿命低。本发明装置中每个车轮内部都集成有轮毂电机、电机控制器、行星减速器和磁粉制动器；每个轮毂电机由一个电机控制器控制；轮毂电机经行星减速器连接磁粉制动器，磁粉制动器输出轴与轮毂采用螺栓连接；齿圈与减速器外壳构成转动副，并与减速器外壳通过多个电磁执行器连接；电磁执行器通过控制齿圈来轮毂电机与车轮之间动力传输的通断。本发明方法包括制动力分配过程和能量回收利用过程。本发明有效分配回馈制动力与非回馈制动力；回馈制动力优先供车载电器使用；汽车紧急制动时，齿圈空转，保护电机。

Description

轮毂电机电动汽车制动系统及制动能量回收控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车领域，具体涉及轮毂电机驱动的电动汽车制动系统及制动能量回收控制方法。

背景技术

电动汽车以其零排放、环保节能的优越性，近年来成为汽车领域的朝阳产业。而轮毂电机的应用更是让电动汽车的操纵性超越了传统汽车，并大大简化了汽车传动系统。目前制约电动汽车发展的一个瓶颈之一是电动汽车的续航里程和传统汽车相比仍有差距。因此如何提高电动汽车的续航里程是电动汽车研究领域的热点之一。电动汽车上再生制动技术的应用将汽车刹车时的机械能转化为电能重新利用，提高了电动汽车的续驶里程。

目前大多再生制动系统，是利用电机的可逆性。汽车制动时，使电机运行在发电机状态，将制动产生的回馈电流充入蓄电池中。在制动力分配方面，由于传统电动汽车大多为前驱或者后驱，只能回收前轮或者后轮上的制动力，无法回收四个车轮上的制动能量。

其次，传统电动汽车上的制动系统中机械制动往往采用液压制动。机械制动力大小难以实现高精度控制，造成回馈制动力与机械制动力的分配实现起来比较困难。

再次，在需要频繁启动刹车的城市路况，蓄电池反复快速地充放电，使蓄电池寿命大大降低。回收少量的电能，却损伤了昂贵的蓄电池，得不偿失。针对此问题，有部分设计者给制动系统增加一个超级电容，用来暂时储存能量，不过超级电容价格要比同等储能量锂电池价格高出十倍，非常昂贵。并且，附加的超级电容又增添了电动汽车的重量，使续驶里程降低。

不仅如此，在汽车处于紧急制动的极端情况时，回馈电流过大，可能会烧毁电机。传统的制动能量回收系统没有设计在极端状态下有效保护电机的结构和措施。

发明内容

本发明的目的是针对现在轮毂电机电动汽车再生制动系统的不足，提出一种安全、经济、高效的轮毂电机电动汽车制动系统及制动能量回收控制方法。

本发明轮毂电机电动汽车制动系统，包括制动装置和控制系统。所述的制动装置包括轮毂电机、电机控制器、行星减速器、电磁执行器、磁粉制动器和车载锂电池；每个车轮内部都集成有轮毂电机、电机控制器、行星减速器和磁粉制动器；所述的电机控制器固定在车架上，轮毂电机的定子固定在车架上，每个轮毂电机由一个电机控制器控制；轮毂电机经行星减速器连接磁粉制动器，磁粉制动器输出轴与轮毂采用螺栓连接。行星减速器包括齿圈、减速器外壳和电磁执行器；减速器外壳通过轴承支承在磁粉制动器的磁粉制动器输入轴上；齿圈与减速器外壳构成转动副，并与减速器外壳通过多个电磁执行器连接。

所述的磁粉制动器由磁轭、激磁线圈、转子、磁粉、板靴、后端盖、轴承、前端盖、磁粉制动器输入轴和磁粉制动器输出轴组成。所述磁粉制动器输入轴的两端分别通过轴承支承在行星减速器的减速器壳体和前端盖上；磁粉制动器输出轴的一端外花键与磁粉制动器输入轴的内花键连接，另一端与车轮轮毂通过螺栓连接；后端盖与车架固定，磁粉制动器输出轴通过轴承支承在后端盖上；转子和板靴设置在前、后端盖之间；转子固定在磁粉制动器输入轴上；板靴呈圆环结构，固定在后端盖上，与转子同轴设置，且与转子的径向间隙内填入磁粉。磁轭套在转子外，且两端分别与前、后端盖固定；磁轭内部装有激磁线圏。

所述的控制系统包括蓄电池线路DC/DC转换器、AC/DC转换器、电机线路DC/DC转换器、制动踏板位置传感器、车速传感器、蓄电池荷电状态传感器、整车控制器、车载电器、电路开关S1、电路开关控制线圈KJ1、电磁执行器开关S2和电磁执行器开关控制线圈KJ2。整车控制器控制四个磁粉制动器、四个电机控制器、电路开关控制线圈KJ1和电磁执行器开关控制线圈KJ2；电路开关控制线圈KJ1控制电路开关S1，电磁执行器开关控制线圈KJ2控制电磁执行器开关S2；蓄电池的正极接电路开关S1及电磁执行器开关S2的一端，电路开关S1的另一端接蓄电池线路DC/DC转换器的一端；蓄电池线路DC/DC转换器的另一端接电机线路DC/DC转换器、车载电器及四个磁粉制动器的激磁线圏一端；电机线路DC/DC转换器的另一端接AD/DC变换器的一端；四个电机控制器并联接AD/DC变换器的另一端，每个电机控制器的控制输出端接对应轮毂电机的控制输入端；四个轮毂电机并联接车载电器的另一端、蓄电池的负极及四个激磁线圏的另一端；所有电磁执行器的电磁铁并联接在电磁执行器开关S2的另一端及蓄电池负极。制动踏板位置传感器检测到的制动踏板位置信号、车速传感器检测到的车速信号、蓄电池荷电状态传感器检测到的蓄电池荷电状态信号分别输入到整车控制器中，整车控制器计算每个车轮上非回馈制动力与再生制动力的大小。非回馈制动力大小是由整车控制器控制磁粉制动器的激励电流大小，从而控制磁粉制动器制动力矩的大小而得。而再生制动力大小是由整车控制器通过电机控制器来控制电机制动力矩的大小而得。

所述的行星减速器还包括太阳轮、行星轮和行星架。所述的太阳轮固定在轮毂电机的电机输出轴上，且通过与沿圆周均布的三个行星轮与齿圈啮合；行星轮与行星架的端部构成转动副；行星架的中心处与磁粉制动器输入轴通过花键连接。所述的齿圈外侧面开设沿圆周均布的多个圆槽，圆槽的数量与电磁执行器的数量相等；减速器外壳开设沿圆周均布的四个孔径与圆槽槽宽相等的圆孔。

所述的电磁执行器由挡块、滑杆、弹簧、电磁铁和电磁执行器外壳组成。所述的电磁执行器外壳用螺栓固定在减速器外壳上，电磁铁固定在电磁执行器外壳上。所述的滑杆一端固定在电磁铁上，挡块与滑杆另一端构成滑动副。弹簧套置在滑杆上，两端分别与电磁铁和挡块接触。每个电磁执行器的挡块设置在减速器外壳对应的一个圆孔内；挡块在弹簧作用下嵌入齿圈外侧面的圆槽内。

本发明制动能量回收控制方法，包括制动力分配过程和能量回收利用过程，具体如下：

制动力分配过程如下：

1、整车控制器根据制动踏板位置传感器测得的信号求出需求的总制动力F大小，将需求的总制动力F按理想的前后轮制动力分配关系分配至前、后轮，理想的前后轮制动力分配关系的计算公式为：

式中，G为汽车重力；b为汽车质心至后轴中心线的距离；h_g为汽车质心高度，L为汽车前、后轴的轴距；F_f为两个前轮分配到的总制动力,F_r为两个后轮分配到的总制动力。

2、整车控制器将F_r平均分配给两个后轮，将F_f平均分配给两个前轮。

3、每个车轮上进行非回馈制动力与再生制动力的分配，各个车轮的非回馈制动力与再生制动力分配原则一致。下面以后轮为例，分四种情况进行非回馈制动力与再生制动力的分配：

①当SOC>85％，车速高于20km/h时，蓄电池不允许充电，车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，回收功率的最大值为车载电器功率P_ele，剩余的制动力由磁粉制动器承担，即再生制动力F_mot＝min(P_ele/(4v)，0.5F_r)，min为取最小值，非回馈制动力F_mp＝0.5F_r-F_mot，其中，P_ele为车载电器功率。

②当SOC>85％，车速低于20km/h时，蓄电池不允许充电，车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，F_mot＝min(P_ele/(4v),T_motmaxK_v/r，0.5F_r)，F_mp＝0.5F_r-F_mot，其中，r为车轮外径。轮毂电机制动能力通过轮毂电机在车速v下的最大制动力矩表达，即T_mot＝T_motmaxK_v，其中，K_v为对应车速下的电机制动力矩因数，T_motmax为轮毂电机的最大扭矩，K_v、T_motmax是由电机参数决定的。

③当SOC≤85％，车速高于20km/h时，蓄电池允许充电，车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，但回收功率的最大值为车载电器和蓄电池充电的最大功率P_bat之和，剩余的制动力由磁粉制动器承担，即F_mot＝min[(P_ele+P_bat)/(4v)，0.5F_r]，F_mp＝0.5F_r-F_mot。

④当SOC≤85％，车速低于20km/h时，蓄电池允许充电，车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，但回收的最大值为电机制动能力的限制值，剩余的制动由磁粉制动器承担，即F_mot＝min(T_motmaxK_v/r，0.5F_r)，F_mp＝0.5F_r-F_mot。

能量回收利用过程包括如下两个过程：1、控制轮毂发电机产生的电流流向，从而控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用；2、控制电磁执行器的工作状况，从而控制轮毂电机与车轮之间动力传输的通断。

控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用：在蓄电池与DC/DC转换器中间接入电控开关S1，整车控制器根据加速踏板位置传感器传来的加速踏板位置信号、车速传感器传来的车速信号v、电池荷电状态传感器传来的电池荷电状态信号控制电控开关控制线圈KJ1中的电流，控制电路开关S1的通断，接通或切断蓄电池，来控制轮毂发电机产生的电流流向，从而控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用。具体如下：

①当汽车驱动行驶，即加速踏板位置传感器检测的制动踏板位置信号N＝0时，整车控制器给电控开关控制线圈KJ1提供高电平，电路开关S1处于闭合状态，蓄电池给轮毂电机以及车载电器提供电能。

②当汽车处于制动状态，即制动踏板位置信号N＞0时，电控开关控制线圈KJ1的状态还要根据蓄电池剩余电量SOC以及当前四个轮毂电机制动功率之和P_mot判断，P_mot＝4vF_mot。当SOC>85％或P_mot＜P_ele，整车控制器给电控开关控制线圈KJ1提供低电平，电路开关S1处于断开状态，轮毂电机回收而来的能量仅仅供给车载电器和磁粉制动器使用，不给蓄电池充电。

③当汽车处于制动状态，另SOC≤85％且P_mot≥P_ele时，整车控制器给电控开关控制线圈KJ1提供高电平，电路开关处于闭合状态，电机回收而来的能量不仅提供给车载电器和磁粉制动器，多余的电能给蓄电池充电。

电磁执行器控制轮毂电机与车轮之间动力传输的通断：行星减速器的电磁执行器串联电磁执行器开关S2后接入蓄电池两端。整车控制器根据车速信号来控制电磁执行器开关线圈KJ2的电流，从而控制电磁执行器控制电磁执行器开关S2的通断，来控制电磁执行器的工作状况。具体情况如下：

①当汽车处于非急剧制动状态，即汽车加速度a＞-8m/s²时，整车电机控制器给电磁执行器开关线圈KJ2提供低电平，使电磁执行器开关S2处于断开状态，电磁执行器不工作，动力由轮毂电机传到车轮。

②当汽车处于急剧制动状态，即汽车加速度a≤-8m/s²时，整车电机控制器给电磁执行器开关线圈KJ2提供高电平，使电磁执行器开关S2处于闭合状态，电磁执行器工作，电磁铁吸合挡块，释放齿圈，齿圈空转，切断了轮毂电机与车轮之间的动力传递。

本发明与现有技术相比具有以下优势：

1、采用改进的磁粉制动器提供非回馈制动力，不仅取消了液压管路的布置，而且制动力矩的大小与激励电流的大小几乎呈线性关系，非回馈制动力矩可以得到有效控制，使得回馈制动力与非回馈制动力的分配可以有效落实。

2、行星减速器中，电磁执行器的齿圈固定装置可以实现齿圈的固定与释放，当汽车在极端情况突然紧急制动时，电磁铁通电吸合挡块释放齿圈，使齿圈空转，保护电机。

3、轻度制动回收到的电能直接用于车载电器，少数重度制动回收能量，才会将多余的电能充入蓄电池。大大减少了再生制动时电机向蓄电池充电的频率。避免了向蓄电池反复充电而使蓄电池的寿命减短。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的装配示意图；

图3为本发明系统中行星减速器的结构剖视图；

图4为本发明系统中控制系统的电路图。

图中：1、轮毂电机，1-1、电机输出轴，2、电机控制器，3、行星减速器，3-1、太阳轮，3-2、行星轮，3-3、行星架，3-4、齿圈，3-5、减速器外壳，4、电磁执行器，4-1、挡块，4-2、滑杆，4-3、弹簧，4-4、电磁铁，4-5、电磁执行器外壳，5、磁粉制动器，5-1、磁轭，5-2、激磁线圈，5-3、转子，5-4、磁粉，5-5、板靴，5-6、后端盖，5-7、轴承，5-8、前端盖，6、轮毂，7、轮胎，8、磁粉制动器输入轴，9、磁粉制动器输出轴，10、蓄电池，11、蓄电池电路DC/DC变换器，12、AC/DC变换器，13、电机电路DC/DC变换器，14、制动踏板位置传感器，15、车速传感器，16、蓄电池荷电状态传感器，17、整车控制器，18、车载电器，S1、电路开关，KJ1、电路开关控制线圈，S2、电磁执行器控制开关，KJ2、电磁执行器开关控制线圈。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明具体实施方式作进一步描述。

如图1和2所示，轮毂电机电动汽车制动系统，包括制动装置和控制系统。制动装置包括轮毂电机1、电机控制器2、行星减速器3、电磁执行器4、磁粉制动器5和车载锂电池10。每个车轮内部都集成有轮毂电机1、电机控制器2、行星减速器3和磁粉制动器4；电机控制器2固定在车架上，轮毂电机1的定子(外壳)固定在车架上，每个轮毂电机1由一个电机控制器控制。轮毂电机1经行星减速器3连接磁粉制动器5，磁粉制动器输出轴9与轮毂6采用螺栓连接；轮胎7套置在轮毂6上。

如图2和3所示，行星减速器3包括太阳轮3-1、行星轮3-2、行星架3-3、齿圈3-4、减速器外壳3-5和电磁执行器4。太阳轮3-1固定在轮毂电机1的电机输出轴1-1上，且通过与沿圆周均布的三个行星轮3-2与齿圈3-4啮合；齿圈3-4与减速器外壳3-5构成转动副，行星轮3-2与行星架3-3的端部构成转动副；行星架3-3的中心处与磁粉制动器输入轴8通过花键连接。齿圈3-4外侧面开设沿圆周均布的八个槽深为10mm的圆槽；减速器外壳3-5开设沿圆周均布的四个孔径与圆槽槽宽相等的圆孔。

如图3所示，电磁执行器4由挡块4-1、滑杆4-2、弹簧4-3、电磁铁4-4和电磁执行器外壳4-5组成。电磁执行器外壳4-5用螺栓固定在减速器外壳3-5上，电磁铁4-4固定在电磁执行器外壳4-5上。滑杆4-2一端固定在电磁铁4-4上，挡块4-1与滑杆4-2另一端构成滑动副。弹簧4-2套置在滑杆4-2上，两端分别与电磁铁4-4和挡块4-1接触。四个电磁执行器的挡块4-1分别设置在减速器外壳3-5对应的一个圆孔内；挡块4-1在弹簧4-3作用下嵌入齿圈3-4外侧面的圆槽内从而固定齿圈3-4，电磁铁4-4通电时挡块4-1从圆槽内吸出。

如图2所示，磁粉制动器5由磁轭5-1、激磁线圈5-2、转子5-3、磁粉5-4、板靴5-5、后端盖5-6、轴承5-7、前端盖5-8、磁粉制动器输入轴8和磁粉制动器输出轴9组成。磁粉制动器输入轴8的两端分别通过轴承5-7支承在减速器壳体3-5和前端盖5-8上；磁粉制动器输出轴9的一端外花键与磁粉制动器输入轴8的内花键连接，另一端与车轮轮毂通过螺栓连接；后端盖5-6与车架固定，磁粉制动器输出轴9通过轴承5-7支承在后端盖5-6上；转子5-3和板靴5-5设置在前、后端盖之间；转子5-3固定在磁粉制动器输入轴8上；板靴5-5呈圆环结构，固定在后端盖5-6上，与转子5-3同轴设置，且与转子5-3的径向间隙内填入导磁率髙和耐热性好的磁粉5-4。磁轭5-1套在转子外，且两端分别与前、后端盖固定；磁轭内部装有激磁线圏5-2。为节省空间，轴承5-7设计在磁粉制动器5内部。

磁粉制动器5可以实现汽车按设定力矩制动。当激磁线圏5-2不通电时，转子旋转，由于离心力的作用，磁粉被甩在转子的内壁上，磁粉与板靴之间没有接触，轮毂电机1带动车轮旋转。当激磁线圏5-2接通直流电源后产生电磁场，工作介质磁粉在磁力线作用下形成磁粉链，把转子、板靴联接起来，由于板靴固定，转子被制动。磁粉制动器的激磁电流和制动转矩基本成线性关系，通过控制激励电流的大小即可控制制动力矩的大小，便于制动力的分配。

如图4所示，控制系统包括蓄电池线路DC/DC转换器11、AC/DC转换器12、电机线路DC/DC转换器13、制动踏板位置传感器14、车速传感器15、蓄电池荷电状态传感器16、整车控制器17、车载电器18、电路开关S1、电路开关控制线圈KJ1、电磁执行器开关S2和电磁执行器开关控制线圈KJ2。整车控制器17控制四个磁粉制动器5、四个电机控制器2、电路开关控制线圈KJ1和电磁执行器开关控制线圈KJ2；电路开关控制线圈KJ1控制电路开关S1，电磁执行器开关控制线圈KJ2控制电磁执行器开关S2；蓄电池10的正极接电路开关S1及电磁执行器开关S2的一端，电路开关S1的另一端接蓄电池线路DC/DC转换器11的一端；蓄电池线路DC/DC转换器11的另一端接电机线路DC/DC转换器13、车载电器18及四个磁粉制动器5的激磁线圏5-2一端；电机线路DC/DC转换器13的另一端接AD/DC变换器12的一端；四个电机控制器2并联接AD/DC变换器12的另一端，每个电机控制器2的控制输出端接对应轮毂电机1的控制输入端；四个轮毂电机1并联接车载电器18的另一端、蓄电池10的负极及四个激磁线圏5-2的另一端；所有电磁执行器的电磁铁4-4并联接在电磁执行器开关S2的另一端及蓄电池10负极。制动踏板位置传感器14检测到的制动踏板位置信号、车速传感器15检测到的车速信号、蓄电池荷电状态传感器16检测到的蓄电池荷电状态信号分别输入到整车控制器17中，整车控制器17计算每个车轮上非回馈制动力与再生制动力的大小。非回馈制动力大小是由整车控制器17控制磁粉制动器5的激励电流大小，从而控制磁粉制动器5制动力矩的大小而得。而再生制动力大小是由整车控制器17通过电机控制器2来控制电机1制动力矩的大小而得。

制动能量回收控制方法，包括制动力分配过程和能量回收利用过程，具体如下：

制动力分配过程具体如下：

1、整车控制器17根据制动踏板位置传感器14测得的信号求出需求的总制动力F大小，将需求的总制动力F按理想的前后轮制动力分配关系分配至前、后轮，理想的前后轮制动力分配关系的计算公式为：

式中，G为汽车重力；b为汽车质心至后轴中心线的距离；h_g为汽车质心高度，L为汽车前、后轴的轴距；F_f为两个前轮分配到的总制动力,F_r为两个后轮分配到的总制动力。

2、整车控制器17将F_r平均分配给两个后轮，将F_f平均分配给两个前轮。

3、每个车轮上进行非回馈制动力与再生制动力的分配，各个车轮的非回馈制动力与再生制动力分配原则一致，现以后轮为例，进行非回馈制动力与再生制动力的分配。

首先检测蓄电池剩余电量SOC，当蓄电池剩余电量较满时，充电会对蓄电池造成损伤。在SOC>85％的情况下，蓄电池不允许被充电。与此同时，综合考虑蓄电池与轮毂电机的影响，将非回馈制动力与再生制动力之间的分配分为以下四种情况。轮毂电机制动能力通过轮毂电机在车速v下的最大制动力矩表达，即T_mot＝T_motmaxK_v，其中，K_v为对应车速下的电机制动力矩因数，T_motmax为轮毂电机的最大扭矩，K_v、T_motmax是由电机参数决定的。

①当SOC>85％，车速高于20km/h时，蓄电池不允许充电，而轮毂电机制动能力较强。车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，回收功率的最大值为车载电器功率P_ele，剩余的制动力由磁粉制动器承担，即再生制动力F_mot＝min(P_ele/(4v)，0.5F_r)，min为取最小值，非回馈制动力F_mp＝0.5F_r-F_mot，其中，P_ele为车载电器功率。

②当SOC>85％，车速低于20km/h时，蓄电池不允许充电，轮毂电机制动能力较弱。车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，而轮毂电机再生制动力被车载电器功率P_ele与电机制动能力共同限制，即F_mot＝min(P_ele/(4v),T_motmaxK_v/r，0.5F_r)，F_mp＝0.5F_r-F_mot，其中，r为车轮外径。

③当SOC≤85％，车速高于20km/h时，蓄电池允许充电，电机制动能力较强。车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，但回收功率的最大值为车载电器和蓄电池充电的最大功率P_bat之和，剩余的制动力由磁粉制动器承担，即F_mot＝min[(P_ele+P_bat)/(4v)，0.5F_r]，F_mp＝0.5F_r-F_mot。

④当SOC≤85％，车速低于20km/h时，蓄电池允许充电，电机制动能力较弱。车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，但回收的最大值为电机制动能力的限制值，剩余的制动由磁粉制动器承担，即F_mot＝min(T_motmaxK_v/r，0.5F_r)，F_mp＝0.5F_r-F_mot。

能量回收利用过程包括如下两个过程：1、控制轮毂发电机1产生的电流流向，从而控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用；2、控制电磁执行器4的工作状况，从而控制轮毂电机与车轮之间动力传输的通断。

控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用：在蓄电池10与DC/DC转换器11中间接入电控开关S1，整车控制器17通过控制线圈KJ1的电流来控制电路开关S1的通断。根据加速踏板位置传感器14传来的加速踏板位置信号、车速传感器传来的车速信号v、电池荷电状态传感器16传来的电池荷电状态信号控制电控开关控制线圈KJ1中的电流，来控制电路开关S1的通断，接通或切断蓄电池，来控制轮毂发电机1产生的电流流向，从而控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用。当电路开关S1闭合时，轮毂电机1与蓄电池10、磁粉制动器5和车载电器18并联连接；当电路开关S1断开时，蓄电池10从电路中切断，无法对轮毂电机1、磁粉制动器5及车载电器18供电，同时，在制动时蓄电池10也不接收轮毂电机1的充电。具体情况如下：

①当汽车驱动行驶，即加速踏板位置传感器14检测的制动踏板位置信号N＝0时。整车控制器17给电控开关控制线圈KJ1提供高电平，电路开关S1处于闭合状态，蓄电池给轮毂电机以及车载电器提供电能。

②当汽车处于制动状态，即制动踏板位置信号N＞0时，电控开关控制线圈KJ1的状态还要根据蓄电池剩余电量SOC以及当前四个轮毂电机制动功率之和P_mot判断，P_mot＝4vF_mot。当SOC>85％或P_mot＜P_ele，整车控制器17给电控开关控制线圈KJ1提供低电平，电路开关S1处于断开状态，轮毂电机回收而来的能量仅仅供给车载电器和磁粉制动器5使用，不给蓄电池充电。

③当汽车处于制动状态，另SOC≤85％且P_mot≥P_ele时，整车控制器17给电控开关控制线圈KJ1提供高电平，电路开关S1处于闭合状态，电机回收而来的能量不仅提供给车载电器和磁粉制动器5，多余的电能给蓄电池充电。

电磁执行器4控制轮毂电机与车轮之间动力传输的通断：行星减速器的电磁执行器4串联电磁执行器开关S2后接入蓄电池10两端。整车控制器17根据车速信号来控制电磁执行器开关线圈KJ2的电流，从而控制电磁执行器控制电磁执行器开关S2的通断，来控制电磁执行器4的工作状况。非急剧制动状态时，整车控制器17向电磁执行器开关线圈KJ2提供低电平，电磁执行器开关线圈KJ2无电流，电磁执行器开关S2断开，电磁执行器4不通电，挡块4-1在弹簧4-3的作用下抵在齿圈3-4的圆槽内，在挡块4-1和减速器外壳3-5的作用下，齿圈3-4被固定。动力由行星减速器的太阳轮3-1传向行星架3-3，从而使动力从轮毂电机传向车轮。当车速急剧下降时，判断汽车处于急剧制动状态，整车控制器17控制电磁执行器开关控制线圈KJ2通电，电磁执行器给电磁执行器开关线圈KJ2提供高电平，使电磁执行器控制电磁执行器开关S2闭合，电磁执行器4通电，电磁铁4-4克服弹簧4-3吸合挡块4-1，齿圈3-4被释放，即车轮带动齿圈空转，相当于电机与车轮之间的动力连接被切断，有效地保护了电机。具体情况如下：

①当汽车处于非急剧制动状态，即汽车加速度a＞-8m/s²时，整车电机控制器17给电磁执行器开关线圈KJ2提供低电平，使电磁执行器开关S2处于断开状态，电磁执行器不工作，动力由轮毂电机传到车轮。

②当汽车处于急剧制动状态，即汽车加速度a≤-8m/s²时，整车电机控制器17给电磁执行器开关线圈KJ2提供高电平，使电磁执行器开关S2处于闭合状态，电磁执行器4工作，电磁铁4-4吸合挡块4-1，释放齿圈3-4，齿圈可以空转，相当于切断了轮毂电机与车轮之间的动力传递。极端工况下，保护了轮毂电机。

Claims (4)

1.轮毂电机电动汽车制动系统，包括制动装置和控制系统，其特征在于：所述的制动装置包括轮毂电机、电机控制器、行星减速器、电磁执行器、磁粉制动器和车载锂电池；每个车轮内部都集成有轮毂电机、电机控制器、行星减速器和磁粉制动器；所述的电机控制器固定在车架上，轮毂电机的定子固定在车架上，每个轮毂电机由一个电机控制器控制；轮毂电机经行星减速器连接磁粉制动器，磁粉制动器输出轴与轮毂采用螺栓连接；行星减速器包括齿圈、减速器外壳和电磁执行器；减速器外壳通过轴承支承在磁粉制动器的磁粉制动器输入轴上；齿圈与减速器外壳构成转动副，并与减速器外壳通过多个电磁执行器连接；

所述的磁粉制动器由磁轭、激磁线圈、转子、磁粉、板靴、后端盖、轴承、前端盖、磁粉制动器输入轴和磁粉制动器输出轴组成；所述磁粉制动器输入轴的两端分别通过轴承支承在行星减速器的减速器壳体和前端盖上；磁粉制动器输出轴的一端外花键与磁粉制动器输入轴的内花键连接，另一端与车轮轮毂通过螺栓连接；后端盖与车架固定，磁粉制动器输出轴通过轴承支承在后端盖上；转子和板靴设置在前、后端盖之间；转子固定在磁粉制动器输入轴上；板靴呈圆环结构，固定在后端盖上，与转子同轴设置，且与转子的径向间隙内填入磁粉；磁轭套在转子外，且两端分别与前、后端盖固定；磁轭内部装有激磁线圏；

所述的控制系统包括蓄电池线路DC/DC转换器、AC/DC转换器、电机线路DC/DC转换器、制动踏板位置传感器、车速传感器、蓄电池荷电状态传感器、整车控制器、车载电器、电路开关S1、电路开关控制线圈KJ1、电磁执行器开关S2和电磁执行器开关控制线圈KJ2；整车控制器控制四个磁粉制动器、四个电机控制器、电路开关控制线圈KJ1和电磁执行器开关控制线圈KJ2；电路开关控制线圈KJ1控制电路开关S1，电磁执行器开关控制线圈KJ2控制电磁执行器开关S2；蓄电池的正极接电路开关S1及电磁执行器开关S2的一端，电路开关S1的另一端接蓄电池线路DC/DC转换器的一端；蓄电池线路DC/DC转换器的另一端接电机线路DC/DC转换器、车载电器及四个磁粉制动器的激磁线圏一端；电机线路DC/DC转换器的另一端接AD/DC变换器的一端；四个电机控制器并联接AD/DC变换器的另一端，每个电机控制器的控制输出端接对应轮毂电机的控制输入端；四个轮毂电机并联接车载电器的另一端、蓄电池的负极及四个激磁线圏的另一端；所有电磁执行器的电磁铁并联接在电磁执行器开关S2的另一端及蓄电池负极；制动踏板位置传感器检测到的制动踏板位置信号、车速传感器检测到的车速信号、蓄电池荷电状态传感器检测到的蓄电池荷电状态信号分别输入到整车控制器中，整车控制器计算每个车轮上非回馈制动力与再生制动力的大小；非回馈制动力大小是由整车控制器控制磁粉制动器的激励电流大小，从而控制磁粉制动器制动力矩的大小而得；而再生制动力大小是由整车控制器通过电机控制器来控制电机制动力矩的大小而得。

2.根据权利要求1所述的轮毂电机电动汽车制动系统，其特征在于：所述的行星减速器还包括太阳轮、行星轮和行星架；所述的太阳轮固定在轮毂电机的电机输出轴上，且通过与沿圆周均布的三个行星轮与齿圈啮合；行星轮与行星架的端部构成转动副；行星架的中心处与磁粉制动器输入轴通过花键连接；所述的齿圈外侧面开设沿圆周均布的多个圆槽，圆槽的数量与电磁执行器的数量相等；减速器外壳开设沿圆周均布的四个孔径与圆槽槽宽相等的圆孔。

3.根据权利要求1所述的轮毂电机电动汽车制动系统，其特征在于：所述的电磁执行器由挡块、滑杆、弹簧、电磁铁和电磁执行器外壳组成；所述的电磁执行器外壳用螺栓固定在减速器外壳上，电磁铁固定在电磁执行器外壳上；所述的滑杆一端固定在电磁铁上，挡块与滑杆另一端构成滑动副；弹簧套置在滑杆上，两端分别与电磁铁和挡块接触；每个电磁执行器的挡块设置在减速器外壳对应的一个圆孔内；挡块在弹簧作用下嵌入齿圈外侧面的圆槽内。

4.根据权利要求3所述轮毂电机电动汽车制动系统的制动能量回收控制方法，其特征在于：包括制动力分配过程和能量回收利用过程，具体如下：

制动力分配过程如下：

1、整车控制器根据制动踏板位置传感器测得的信号求出需求的总制动力F大小，将需求的总制动力F按理想的前后轮制动力分配关系分配至前、后轮，理想的前后轮制动力分配关系的计算公式为：

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式中，G为汽车重力；b为汽车质心至后轴中心线的距离；h_g为汽车质心高度，L为汽车前、后轴的轴距；F_f为两个前轮分配到的总制动力,F_r为两个后轮分配到的总制动力；

2、整车控制器将F_r平均分配给两个后轮，将F_f平均分配给两个前轮；

3、每个车轮上进行非回馈制动力与再生制动力的分配，各个车轮的非回馈制动力与再生制动力分配原则一致；下面以后轮为例，分四种情况进行非回馈制动力与再生制动力的分配：

①当SOC>85％，车速高于20km/h时，蓄电池不允许充电，车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，回收功率的最大值为车载电器功率P_ele，剩余的制动力由磁粉制动器承担，即再生制动力F_mot＝min(P_ele/(4v)，0.5F_r)，min为取最小值，非回馈制动力F_mp＝0.5F_r-F_mot，其中，P_ele为车载电器功率；

②当SOC>85％，车速低于20km/h时，蓄电池不允许充电，车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，F_mot＝min(P_ele/(4v),T_motmaxK_v/r，0.5F_r)，F_mp＝0.5F_r-F_mot，其中，r为车轮外径；轮毂电机制动能力通过轮毂电机在车速v下的最大制动力矩表达，即T_mot＝T_motmaxK_v，其中，K_v为对应车速下的电机制动力矩因数，T_motmax为轮毂电机的最大扭矩，K_v、T_motmax是由电机参数决定的；

③当SOC≤85％，车速高于20km/h时，蓄电池允许充电，车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，但回收功率的最大值为车载电器和蓄电池充电的最大功率P_bat之和，剩余的制动力由磁粉制动器承担，即F_mot＝min[(P_ele+P_bat)/(4v)，0.5F_r]，F_mp＝0.5F_r-F_mot；

④当SOC≤85％，车速低于20km/h时，蓄电池允许充电，车轮的制动力优先分配给轮毂电机进行能量回收，但回收的最大值为电机制动能力的限制值，剩余的制动由磁粉制动器承担，即F_mot＝min(T_motmaxK_v/r，0.5F_r)，F_mp＝0.5F_r-F_mot；

能量回收利用过程包括如下两个过程：1、控制轮毂发电机产生的电流流向，从而控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用；2、控制电磁执行器的工作状况，从而控制轮毂电机与车轮之间动力传输的通断；

控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用：在蓄电池与DC/DC转换器中间接入电控开关S1，整车控制器根据加速踏板位置传感器传来的加速踏板位置信号、车速传感器传来的车速信号v、电池荷电状态传感器传来的电池荷电状态信号控制电控开关控制线圈KJ1中的电流，控制电路开关S1的通断，接通或切断蓄电池，来控制轮毂发电机产生的电流流向，从而控制对轮毂电机在汽车制动过程中产生的电能的利用；具体如下：

①当汽车驱动行驶，即加速踏板位置传感器检测的制动踏板位置信号N＝0时，整车控制器给电控开关控制线圈KJ1提供高电平，电路开关S1处于闭合状态，蓄电池给轮毂电机以及车载电器提供电能；

②当汽车处于制动状态，即制动踏板位置信号N＞0时，电控开关控制线圈KJ1的状态还要根据蓄电池剩余电量SOC以及当前四个轮毂电机制动功率之和P_mot判断，P_mot＝4vF_mot；当SOC>85％或P_mot＜P_ele，整车控制器给电控开关控制线圈KJ1提供低电平，电路开关S1处于断开状态，轮毂电机回收而来的能量仅仅供给车载电器和磁粉制动器使用，不给蓄电池充电；

③当汽车处于制动状态，另SOC≤85％且P_mot≥P_ele时，整车控制器给电控开关控制线圈KJ1提供高电平，电路开关处于闭合状态，电机回收而来的能量不仅提供给车载电器和磁粉制动器，多余的电能给蓄电池充电；

电磁执行器控制轮毂电机与车轮之间动力传输的通断：行星减速器的电磁执行器串联电磁执行器开关S2后接入蓄电池两端；整车控制器根据车速信号来控制电磁执行器开关线圈KJ2的电流，从而控制电磁执行器控制电磁执行器开关S2的通断，来控制电磁执行器的工作状况；具体情况如下：

①当汽车处于非急剧制动状态，即汽车加速度a＞-8m/s²时，整车电机控制器给电磁执行器开关线圈KJ2提供低电平，使电磁执行器开关S2处于断开状态，电磁执行器不工作，动力由轮毂电机传到车轮；

②当汽车处于急剧制动状态，即汽车加速度a≤-8m/s²时，整车电机控制器给电磁执行器开关线圈KJ2提供高电平，使电磁执行器开关S2处于闭合状态，电磁执行器工作，电磁铁吸合挡块，释放齿圈，齿圈空转，切断了轮毂电机与车轮之间的动力传递。