CN106891878A - 一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统 - Google Patents

一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统。该系统包括制动操纵单元、机械式踏板感觉模拟器、经过改型的制动主缸、电机助力制动装置、电子控制单元ECU、储液罐、电磁阀、传感器。所述制动主缸的工作前腔与踏板推杆连接，制动时前腔油液经过常闭电磁阀被推入储液罐；其第二工作腔与电机助力制动装置相连接，同时第一、第二工作腔经过ABS/ESC模块后与制动轮缸液压耦合，通过控制电机旋转带动滚珠丝杠机构，进而推动活塞运动，可实现对各个车轮的轮缸压力精确调节。本发明实现了制动踏板与制动液压系统完全解耦，配合再生制动系统能充分利用电机制动，以最大化的回收制动能量；协调控制再生制动力和液压制动力，满足各种不同工况的需求。

Description

一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统
技术领域
本发明属于汽车制动系统技术领域，具体来说，是一种具有电机助力制动功能并且适用于再生制动汽车的电子液压制动系统。
背景技术
随着经济的快速发展，人们生活水平的逐渐提高，汽车的保有量也在迅速的增长。但同时能源与环境问题日益突出，新能源和节能汽车成为汽车产业发展的一个重要方向。
新能源汽车与传统汽车相比，主要的优势和特点是提供除内燃机以外的其它动力源，提高燃油经济性，同时改善排放性能。而提高燃油经济性的一个重要方式就是引入再生制动。再生制动是指利用电机旋转的阻力来对车轮进行制动，通过电机旋转发电使车辆的动能转化为电能。所产生的电能储存在蓄电池中，可以作为汽车行驶中的动力源。而传统的液压制动则将制动过程中车辆的动能通过摩擦片的摩擦转化为热能，能量被浪费掉。所以对制动能量进行回收，可以减少能量损失，提高整车的燃油经济性。
目前传统汽车液压制动系统中大部分是采用真空助力，只有较少数的汽车采用电机助力制动(如Bosch公司的iBooster制动系统，Nissan Motors公司的e-ACT制动系统)等其他方式的制动助力装置。传统汽车的制动助力装置，由于制动踏板与制动液压系统未完全解耦，所以在很大程度上削减了制动能量的回收。相比于真空助力方式，电机助力制动系统，能精确控制制动系统液压力、响应快速。若采用全解耦式的电子液压制动系统，可最大化回收制动能量。
电子液压制动系统(Electro-hydraulic Brake System，简称EHB)是电子控制技术和液压控制系统相结合的制动系统。EHB具有模块程度高，结构简单紧凑，能够集成ABS、ESC等其他汽车辅助功能；尤其适用于具有再生制动功能的新能源汽车，可实现制动能量回收最大化等优点。
目前多种构型的EHB已经应用于量产汽车。Toyota公司的ECB电子液压制动系统最早在2001年应用于混合动力汽车；美国天合公司(TRW)2009年研制了SCB电子液压制动系统；2012年Bosch公司推出的全新的HAV hev电子液压制动系统。这些电子液压制动系统都采用了踏板模拟器、高压蓄能器、电动泵和电磁阀等。该类型的制动系统结构复杂，并且高压蓄能器的技术并不成熟，安全性不高；此外系统需要较多数量的电磁阀来配合控制，控制难度高、成本高。基于以上因素表明EHB系统还有不断完善的空间。
除前面提到的传统汽车真空助力装置和EHB系统以外，采用电机驱动制动主缸活塞的电子液压制动系统构成了另外一种制动控制系统。例如：“一种改进主缸的双电机驱动电子液压制动系统”的发明专利(申请号为201520159018.6，公开号为CN205044723U,公开日为2016.02.24)，虽然该套系统具有诸多优点，但是仍然存在一些不足：该系统使用双电机驱动，机械结构复杂、体积庞大、成本高，并且主缸的活塞同向布置，制造工艺难以实现，在布置上存在不合理性。
因此，在保证制动安全性的前提下，尽可能的回收更多的制动能量，并且进一步简化电机助力制动系统的结构，降低成本、降低工作噪声，使布置更加灵活，满足各种不同汽车需求的制动系统是当前汽车制动系统技术领域的一个重点和难点。
发明内容
为克服上述问题，本发明提出了一种具有电机助力制动功能并且适用于再生制动汽车的电子液压制动系统，具体涉及一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统。在保证制动安全性的前提下，尽可能的回收更多的制动能量，并且进一步简化电机助力制动系统的结构，降低成本、降低工作噪声，使布置更加灵活，满足各种不同汽车对制动系统需求。
本发明的技术方案结合附图说明如下：
一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统，由制动操纵单元、机械式踏板感觉模拟器、经过改型的制动主缸、电机助力制动装置、电子控制单元ECU、储液罐、电磁阀和传感器组成，所述经过改型的制动主缸8由主缸前腔11、第一工作腔14和第二工作腔21组成，所述主缸前腔11只有一个出油口，分两路通过常闭电磁阀12和常开电磁阀13分别与储液罐18和主缸第一工作腔14液压连接，所述第一工作腔14和第二工作腔21分别通过第一单向阀14和第二单向阀19与储液罐18液压连接，第一工作腔14、第二工作腔21的出油口经ABS/ESC模块33与制动轮缸31液压耦合连接，实现对各个车轮的轮缸压力调节；
所述电机助力制动装置包括直流无刷电机27、滚珠丝杠机构、运动调整装置24和电机控制器26，所述滚珠丝杠机构与第二腔活塞推杆组件相连，所述直流无刷电机27由电机控制器26控制，输出转矩经运动调整装置24驱动滚珠丝杠机构控制第二工作腔21、第一工作腔14的液压力；
所述制动操纵单元经机械式踏板感觉模拟器与主缸前腔活塞推杆组件连接；
所述电子控制单元ECU35与ABS/ESC控制器以及整车控制器通过CAN网络进行通讯；
所述传感器包括主缸压力传感器34、制动踏板转角传感器2和四组轮缸压力传感器32，上述各器件分别与所述的电子控制单元ECU35通过电信号连接。
所述经过改型的制动主缸8的主缸前腔11、第一工作腔14和第二工作腔21内分别装有回位弹簧，所述第一工作腔14和第二工作腔21通过主缸第一活塞16分隔而成，所述主缸前腔11通过主缸前腔活塞推杆组件与机械式踏板感觉模拟器连接，所述第二工作腔21通过第二腔活塞推杆组件与滚珠丝杠机构连接。
所述主缸前腔活塞推杆组件由主缸前腔活塞9和前腔活塞推杆5构成，所述第二腔活塞推杆组件由主缸第二活塞22和第二活塞推杆23构成。
所述机械式踏板感觉模拟器由踏板感觉模拟弹簧6和踏板模拟器活塞推杆组件组成，所述踏板模拟器活塞推杆组件由踏板模拟器活塞4和踏板推杆3构成，所述踏板推杆3一端与前腔活塞推杆5连接，另一端与制动踏板1铰接，踏板感觉模拟器内的弹簧套装在前腔活塞推杆(5)上，工作时，踏板推杆3带动踏板模拟器活塞4产生位移，踏板模拟器活塞4推下踏板感觉模拟弹簧6产生位移，踏板模拟器内的弹簧完成踏板感觉的模拟。踏板感觉模拟弹簧6模拟制动踏板1感觉。
所述制动操纵单元由制动踏板1、踏板推杆3和踏板支架7组成，制动踏板1和踏板支架7连接，踏板支架7与汽车上的防火墙后端面固定连接，踏板推杆3输入端与制动踏板1连接，输出端与主缸的前腔活塞推杆5机械连接。
所述的制动踏板转角传感器2集成设置于所述的制动踏板1上，所述的主缸压力传感34设置于主缸出油管路上，所述四组轮缸压力传感器32分别设置于四组制动轮缸31中。
所述电机助力制动装置中的直流无刷电机27的电机转子25与运动调整装置24相连接，运动调整装置24与丝杠螺母28相连，丝杠螺母28的两端分别装有轴承，丝杠螺母28与丝杠29通过滚珠30相连组成滚珠丝杠机构；丝杠29的一端与带滑槽的推杆通过铰接的方式连接；另外一端和主缸第二活塞22推杆23间隙连接，用于推动主缸第二活塞22直线运动，所述运动调整装置24为一对相互啮合的齿轮。
本发明改进主缸的电机驱动电子液压制动系统具有以下的优点：
1.本发明提出的具有电机助力制动功能并且适用于再生制动汽车的电子液压制动系统，可以在电机助力制动、主动制动和再生制动等不同模式下工作。
2.采用电机作为制动动力源，配合ABS、ESC模块中的液压调节单元可以对制动轮缸压力进行精确调节。制动踏板和制动液压系统完全解耦，可以充分发挥电机的再生制动力，最大程度的回收制动能量；同时保证驾驶员良好的踏板感觉。
3.电机作为主要的制动压力调节的动力源，使得整个制动液压系统的压力波动小、工作噪声小、响应速度快、调压的精度高；并且取消了高压蓄能器，保证了系统的可靠性和安全性。
4.本发明提出的经过改型的制动主缸，结构简单紧凑、布置合理、易于集成化，并且工艺上易于实现。
5.本发明方便集成ABS、TCS、ESC等功能，甚至对于传统的ABS、TCS、ESC液压系统不需要进行任何改动即可配合本系统使用。
6.自动驾驶汽车要求车辆在没有驾驶员踏板力的情况下产生制动，此时所述电子控制单元ECU接受到制动信号对电机进行调节，主动产生液压制动力，满足自适应巡航(ACC)、自动紧急制动(AEB)等智能辅助驾驶制动要求。
7.制动踏板与主缸前腔之间保持机械连接，主缸前腔与主缸第一工作腔保持液压连接。当系统断电失效时，驾驶员猛踩制动踏板，系统也能产生一定的制动压力，保证了车辆制动系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1是本发明一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统的结构简图。
图中标号说明
1—制动踏板； 2—制动踏板转角传感器； 3—踏板推杆；
4—踏板模拟器活塞； 5—前腔活塞推杆； 6—踏板感觉模拟弹簧；
7—踏板支架； 8—经过改型的制动主缸； 9—主缸前腔活塞；
10—主缸前腔回位弹簧； 11—主缸前腔； 12—常闭电磁阀；
13—常开电磁阀； 14—第一工作腔； 15—第一工作腔回位弹簧；
16—主缸第一活塞； 17—第一单向阀； 18—储液罐；
19—第二单向阀； 20—第二工作腔回位弹簧； 21—第二工作腔；
22—主缸第二活塞； 23—第二腔活塞推杆； 24—运动调整装置；
25—电机转子； 26—电机控制器； 27—直流无刷电机；
28—丝杠螺母； 29—丝杠； 30—滚珠；
31—制动轮缸； 32—轮缸压力传感器； 33—ABS/ESC模块；
34—主缸压力传感器； 35—电子控制单元ECU；
具体实施方式
下面接和附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式，本实施例仅仅是本发明技术方案中的一例，不能理解为对本发明保护技术方案的限定。
本发明包括制动操纵单元、机械式踏板感觉模拟器、经过改型的制动主缸8、电机助力制动装置、电子控制单元ECU35、储液罐18、电磁阀、传感器。
所述经过改型的制动主缸8一共有3个液压腔：主缸前腔11、第一工作腔14和第二工作腔21。主缸前腔一路通过一个常闭电磁阀12与储液罐18相连，制动系统开始工作时，电磁阀通电打开后油液被推入储油罐18中；前腔活塞回位时，电磁阀保持通电实现补液的作用；制动结束后，电磁阀断电处于闭合状态，阻断主缸前腔与储液罐18的液压通路。主缸前腔另一路通过一个常开电磁阀13与主缸第一工作腔14相连，制动系统开始工作时，电磁阀通电断开，以阻断主缸前腔与第一工作腔14的液压通路；制动结束后，电磁阀断电打开，主缸前腔与第一工作腔14保持液压连接，以保证系统断电失效情况下的安全性。第一、第二工作腔的回油口分别通过一个单向阀与储液罐18相连，在第一、第二活塞回位后，实现对两工作腔的补液作用；第一、第二工作腔的出油口经过ABS/ESC模块33后与制动轮缸31液压耦合，实现对各个车轮的轮缸压力调节。
所述电机助力制动装置中运动调整装置24是由一对相互啮合的齿轮组成，运动调整装置24的作用是将电机的旋转运动转换成直线运动。
所述电机助力制动装置中的滚珠丝杠机构具有自锁功能，在电机工作突然断电失效的情况下，滚珠丝杠机构锁止，使其不能运动，保证系统工作失效的安全性。
所述电子控制单元ECU35接受来自各个传感器的信号，经过一定的处理和逻辑判断驾驶员的制动意图，以及汽车当前所处的工作状态。然后输出相应的控制信号给电机控制器26控制电机转动，推动主缸第二活塞22直线运动，对液压系统的制动力进行精确的调节和控制。所述电子控制单元ECU35与ABS/ESC控制器以及整车控制器通过CAN网络进行通讯。
所述ABS/ESC模块33，即防抱死制动系统/电子稳定性控制系统模块，所述制动主缸的出油口通过液压管路与ABS/ESC模块33连接，在通过液压管路连接到各制动轮缸31，以调节各轮缸的液压制动力。
下面针对本发明系统机构具体说明本发明实现电机助力制动、再生制动、主动制动三种不同制动模式的工作过程。
电机助力制动模式：该模式作为本发明电子液压制动系统的常规的工作模式，可以用于不具有再生制动系统的传统汽车。驾驶员踩下制动踏板1实施制动时，电子控制单元ECU35检测制动踏板转角传感器2信号，从而确定驾驶员的制动意图。由于制动踏板1与主缸前腔是机械连接，主缸前腔会产生一定的液压力，此时电子控制单元ECU35控制常闭电磁阀12通电打开，常开电磁阀13通电闭合，主缸前腔制动液被推入储液罐18。同时电子控制单元ECU35通过计算判断驾驶员踏板力大小，进而控制电机控制器26驱动电机带动滚珠30丝杠29机构直线运动，使制动主缸第一、第二工作腔压力增大，控制制动主缸的压力快速精确的追随驾驶员踩下制动踏板1的力度、位移和速度。制动主缸第一、第二工作腔分别经过液压调节器的电磁阀流入相应的制动轮缸31内，实现制动轮缸31的制动增减压功能，使得汽车停车或者减速。
再生制动模式：该模式适用于具有再生制动系统的新能源汽车。当制动踏板1踩下时，电子控制单元ECU35检测到踏板转角传感器信号，并且会通过车载传感器中的电量传感器对汽车的能源系统的储能装置进行进一步检测，当储能装置允许外部供能装置进行储能，并且通过计算得知仅依靠再生制动产生的制动力足以产生所期望的制动力的时候，电子控制单元ECU35选择再生制动模式。此时，制动踏板1推动主缸前腔活塞9运动，常闭电磁阀12通电打开，常开电磁阀13通电闭合，主缸前腔制动液被推入储液罐18，直流无刷电机27不供电，摩擦制动不工作。当继续踩下制动踏板1，电子控制单元ECU35计算仅依靠再生制动力不能满足需求时候，此时直流无刷电机27供电工作，推动主缸第二活塞22产生一定的液压力，摩擦制动弥补再生制动的不足。当储能装置不允许储能时候，电子控制单元ECU35选择常规电机助力制动模式，此时再生制动不参与工作，主要进行摩擦制动。
主动制动模式：该模式适用于装有主动制动系统的自动驾驶汽车。汽车在行驶的过程中，电子控制单元ECU35通过对车载传感器中的轮速传感器和测距传感器检测信号，并经过ECU处理判断，若车辆有主动制动的需求，则选择主动制动模式。在主动制动模式下，电子控制单元输出信号给电机控制器26，电机控制器26控制直流无刷电机27输出转矩使制动主缸的第一、第二工作腔建立液压力，并且通过ABS/ESC模块33中的液压调节单元选择是全部车轮还是部分车轮进行制动，同时通过轮缸压力传感器32实时反馈信号给电子控制单元ECU35，ECU在必要时候调整各个轮缸的压力。在驾驶员不参与与制动的情况下，使得车辆自动减速或者停车。
在所有的制动过程中，踏板感觉始终由机械式踏板感觉模拟器进行模拟。无论在哪种工作模式下，踏板感觉保持不变。若在制动过程中ABS/ESC被触发工作，此时又同时处于再生制动模式，则此时再生制动自动退出。由于制动踏板和制动液压系统完全解耦，驾驶员不会由此感到ABS/ESC作用时制动踏板抖动的不舒适性，从而保证了在特殊工种模式下驾驶员也能有良好的踏板感觉。
按照国家法规的要求制动系统必须考虑失效情况的发生以及某些制动部件发生故障时，制动系统也能通过驾驶员踩下制动踏板产生一定强度的制动。
当电机工作的过程中突然断电失效，具有自锁功能的滚珠丝杠机构，可以保证丝杠不会自动后退，保持主缸压力不变。驾驶员继续踩下制动踏板时，还可以继续为主缸增加压力，保证制动过程中电机突然失效时的制动安全性。当整个电子液压制动系统电源失效时候，各个电磁阀保持在断电状态下的开启和闭合状态，此时主缸前腔和主缸第一工作腔14液压连接。当驾驶员踩下制动踏板，主缸前腔液压被推入第一工作腔14，此时制动主缸产生一定的制动压力，并且制动液从主缸输出经过制动管路传递到制动轮缸31，从而产生一定强度的制动，使车辆停止下来，满足了国家法规要求。

Claims (7)

1.一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统，由制动操纵单元、机械式踏板感觉模拟器、经过改型的制动主缸、电机助力制动装置、电子控制单元ECU、储液罐、电磁阀和传感器组成，其特征在于：
所述经过改型的制动主缸(8)由主缸前腔(11)、第一工作腔(14)和第二工作腔(21)组成，所述主缸前腔(11)只有一个出油口，分两路通过常闭电磁阀(12)和常开电磁阀(13)分别与储液罐(18)和主缸第一工作腔(14)液压连接，所述第一工作腔(14)和第二工作腔(21)分别通过第一单向阀(14)和第二单向阀(19)与储液罐(18)液压连接，第一工作腔(14)、第二工作腔(21)的出油口经ABS/ESC模块(33)与制动轮缸(31)液压耦合连接，实现对各个车轮的轮缸压力调节；
所述电机助力制动装置包括直流无刷电机(27)、滚珠丝杠机构、运动调整装置(24)和电机控制器(26)，所述滚珠丝杠机构与第二腔活塞推杆组件相连，所述直流无刷电机(27)由电机控制器(26)控制，输出转矩经运动调整装置(24)驱动滚珠丝杠机构控制第二工作腔(21)、第一工作腔(14)的液压力；
所述制动操纵单元经机械式踏板感觉模拟器与主缸前腔活塞推杆组件连接；
所述电子控制单元ECU35与ABS/ESC控制器以及整车控制器通过CAN网络进行通讯；
所述传感器包括主缸压力传感器(34)、制动踏板转角传感器(2)和四组轮缸压力传感器(32)，上述各器件分别与所述的电子控制单元ECU(35)通过电信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统，其特征在于：
所述经过改型的制动主缸(8)的主缸前腔(11)、第一工作腔(14)和第二工作腔(21)内分别装有回位弹簧，所述第一工作腔(14)和第二工作腔(21)通过主缸第一活塞(16)分隔而成，所述主缸前腔(11)通过主缸前腔活塞推杆组件与机械式踏板感觉模拟器连接，所述第二工作腔(21)通过第二腔活塞推杆组件与滚珠丝杠机构连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统，其特征在于：
所述主缸前腔活塞推杆组件由主缸前腔活塞(9)和前腔活塞推杆(5)构成，所述第二腔活塞推杆组件由主缸第二活塞(22)和第二活塞推杆(23)构成。
4.根据权利要求1所述的一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统，其特征在于：
所述机械式踏板感觉模拟器由踏板感觉模拟弹簧(6)和踏板模拟器活塞推杆组件组成，所述踏板模拟器活塞推杆组件由踏板模拟器活塞(4)和踏板推杆(3)构成，所述踏板推杆(3)一端与前腔活塞推杆(5)连接，另一端与制动踏板(1)铰接，踏板感觉模拟器内的弹簧套装在前腔活塞推杆(5)上，工作时，踏板推杆(3)带动踏板模拟器活塞(4)产生位移，踏板模拟器活塞(4)推下踏板感觉模拟弹簧(6)产生位移，踏板模拟器内的弹簧完成踏板感觉的模拟。
5.根据权利要求1或2所述的一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统，其特征在于：
所述制动操纵单元由制动踏板(1)、踏板推杆(3)和踏板支架(7)组成，制动踏板(1)和踏板支架(7)连接，踏板支架(7)与汽车上的防火墙后端面固定连接，踏板推杆(3)输入端与制动踏板(1)连接，输出端与主缸的前腔活塞推杆(5)机械连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统，其特征在于：
所述的制动踏板转角传感器(2)集成设置于所述的制动踏板(1)上，所述的主缸压力传感(34)设置于主缸出油管路上，所述四组轮缸压力传感器(32)分别设置于四组制动轮缸(31)中。
7.根据权利要求1或2所述的一种改进主缸的电机驱动电子液压制动系统，其特征在于：
所述电机助力制动装置中的直流无刷电机(27)的电机转子(25)与运动调整装置(24)相连接，运动调整装置(24)与丝杠螺母(28)相连，丝杠螺母(28)的两端分别装有轴承，丝杠螺母(28)与丝杠(29)通过滚珠(30)相连组成滚珠丝杠机构；丝杠(29)的一端与带滑槽的推杆通过铰接的方式连接；另外一端和主缸第二活塞(22)推杆(23)间隙连接，用于推动主缸第二活塞(22)直线运动，所述运动调整装置(24)为一对相互啮合的齿轮。
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