CN109733367B

CN109733367B - 一种高可靠性emb线控制动系统及其控制方法

Info

Publication number: CN109733367B
Application number: CN201910048363.5A
Authority: CN
Inventors: 王峰; 张健; 徐兴; 陶涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: CN109733367A

Abstract

本发明公开了一种高可靠性EMB线控制动系统及其控制方法，该系统包括电子控制单元、制动单元和辅助能量回收单元，其中电子控制单元接收制动踏板信号，控制线控制动系统实施制动，制动单元包括第一电机与第二电机，用于实施制动力与复位，完成制动过程，辅助能量回收单元由橡胶盘、锥齿轮组、第三电机组成，回收制动过程中部分能量，为电池充电。该线控制动系统制动单元采用双电机冗余结构，正常工作时第一电机正转、第二电机反转，避免制动过程电机频繁正反转，提高电机使用寿命与制动响应速率；一电机失效，另一电机单独制动保证制动可靠性；本发明采用辅助能量回收单元为线控系统电池充电，保证制动系统电量稳定，节能、降低系统能耗。

Description

一种高可靠性EMB线控制动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及线控制动领域，尤其涉及一种高可靠性EMB线控制动系统及其控制方法。

背景技术

随着节能环保的要求越来越高，新能源汽车的发展迅速。现阶段的新能源汽车发展过程中，在满足车辆安全性的前提下，人们对车辆制动系统的结构与功能提出了更高要求。

制动系统是汽车的重要组成部分之一，直接关系到汽车综合性能及生命财产安全，一般采用鼓式或盘式摩擦制动方式，将汽车的动能、势能通过摩擦转化为热能，实现汽车减速或制动的目的。虽然传统液压式、气压式行车制动器能够满足现有制动法规的各项要求，但是存在着响应速度慢、不可主动调节、不易于集成控制等不足之处，不适合当前汽车的发展要求。

线控制动系统作为未来汽车制动系统的发展方向，能够很好地解决上述问题，目前它主要包括电子液压制动(Electronic Hydraulic Brake，EHB)和电子机械制动(Electronic Mechanical Brake，EMB)，这两种制动系统各有优势，也都有各自的缺点。二者相比较，EMB是更优的方案，它不以制动液为工作介质，控制响应更加迅速精确。EMB取消液压系统，直接用电机驱动机械活塞制动，具有下述优点：一、安全优势极为突出，大幅度缩短刹车距离，EMB的反应时间大约90毫秒，比博世公司推出的iBooster电动助力制动系统的120毫秒更快速；二、没有液压系统，不会有液体泄露，对电动车来说尤其重要，液体泄露可能导致短路或元件失效，进而导致灾难；同时成本和维护费用也降低不少。

EMB与传统的制动系统有着极大的差别，其执行机构和控制机构需要完全的重新设计，执行机构需要能够把电动机的转动平稳转化为制动蹄块的平动、需要能够减速增矩、需要能够自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等，而且由于体积的限制其结构也必须巧妙和紧凑，是整个EMB系统中非常重要的组成部分。最近几年一些国际大型汽车零配件厂商和汽车厂进行了一些对于EMB制动系统的研究工作，也申请了一部分专利，主要参与竞争的公司有：Conti-nental Teves、Siemens、Bosch、Eaton、Allied Signal、Hayes等等，而国内在此项目上的研究基本为空白，仅有二汽、清华大学和南京航空航天大学进行了一些相关的研究工作。

EMB制动系统显而易见的具有很多传统制动系统所不能比拟的优势，不过由于其发展时间短，也必不可少的存在许多亟待解决的问题，例如，如果系统电源电量不足，制动系统将失效；由于在高速制动过程中电机频繁正反转产生大量的热量，对驱动电机在高温条件下的工作性能和稳定性提出较高要求，因此需要加强电力系统的可靠性和电机工作的稳定性。

发明内容

针对现有不足，本发明的目的是提供一种高可靠性EMB线控制动系统及其控制方法，具有可靠性高、电机工作稳定、制动响应快速、节能(辅助能量回收)的特点。

本发明系统的技术方案是：

一种高可靠性EMB线控制动系统，包括电子控制单元、制动单元和辅助能量回收单元，所述制动单元包括两个冗余结构的电机以及与电机相连的单向离合器，所述辅助能量回收单元包括橡胶盘、锥齿轮组、第三电机转子与第三电机定子，橡胶盘安装于制动压块上，橡胶盘与锥齿轮组相连，锥齿轮组安装在第三电机转子上，第三电机定子安装在制动器壳体内，与第三电机转子组成第三电机。

上述方案中，所述冗余结构的电机，一个电机只停止或正转，另一个电机只停止或反转。

上述方案中，当某一电机故障时，电机控制器控制另一电机完成正转提供制动力和反转复位。

上述方案中，所述辅助能量回收单元产生的电能存储在电池中。

上述方案中，所述电机控制器与BCU(1)相连。

一种高可靠性EMB线控制动系统的控制方法，BCU接收制动间隙x，并判断x是否等于预设制动间隙x₀，若等于，则电机不工作，BCU检测是否接收到制动踏板信号，若未接收到，线控制动系统不制动，若接收到，判断电机是否故障，若电机出现故障，未故障电机实现制动，制动系统报警，若电机未出现故障，第一电机正转，滚珠丝杠运动压紧制动压块，制动压块将制动片与橡胶盘压在制动盘上，开始制动，橡胶盘旋转，进行能量回收，再次判断系统是否制动，若存在制动，则保持当前制动状态，若不存在制动，控制第二电机反转，第一电机不工作，制动过程结束，并继续判断下一时刻是否制动；若x不等于预设制动间隙x₀，则控制第一电机工作，直至x＝x₀。

本发明的有益效果：本发明适用于线控制动系统，提高了制动系统可靠性、制动响应速度，保证电机高效稳定工作，同时节能降低系统能耗；具体为：系统采用双电机结构，分别完成EMB制动过程中制动力施加于复位功能，正常工作时第一电机正转，第二电机反转，避免了制动过程单电机系统电机频繁正反转发热易烧毁的问题，提高电机使用寿命，保证制动可靠性与制动系统响应速率；同时双电机为冗余设计，保证单个电机故障时认可提供可靠的制动力，保证线控制动系统安全可靠；此外，辅助能量回收系统，回收一部分制动盘的机械能并将其转化为电能，为线控系统电池充电，保证制动系统电量稳定，避免制动过程电池电量不足导致制动失效，进一步提高制动系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种高可靠性EMB线控制动系统示意图；

图2为本发明一种高可靠性EMB线控制动系统控制方法流程图；

图中，1、BCU；2、电池；3、第一电机控制器；4、第二电机控制器；5、第一电机；6、第二电机；7、第一单向离合器；8、第二单向离合器；9、减速齿轮组；10、滚珠丝杠；11、螺母；12、制动器后盖；13、制动器壳体；14、轴承；15、制动压块；16、制动片；17、制动盘；18、橡胶盘；19、锥齿轮组；20、第三电机转子；21、第三电机定子；22、距离传感器。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为一种高可靠性EMB线控制动系统，包括电子控制单元、制动单元和辅助能量回收单元；

电子控制单元包括：BCU1、电池2、第一电机控制器3、第二电机控制器4与距离传感器22，BCU1与电池2、第一电机控制器3、第二电机控制器4、距离传感器22电气连接；BCU1为制动控制单元(Brake Control Unit)，用于接收制动踏板信号，控制线控制动系统制动，具体是控制第一电机控制器3与第二电机控制器4并接收反馈信息，进而BCU1控制电机工作，实现快速可靠制动，同时接收距离传感器22的信号，控制电机运动进而调节制动间隙；电池2为制动系统的储能元件，用于向第一电机控制器3与第二电机控制器4提供电能，第一电机控制器3与第二电机控制器4再将电能提供给电机，电池2的电能一部分来自于整车电力系统，同时电池2存储辅助能量回收单元产生的电能；第一电机控制器3为第一电机5提供电能，并根据BCU 1的控制指令控制第一电机5输出相应转速转矩，同时将电机当前状态反馈给BCU1；第二电机控制器4为第二电机6提供电能，并根据BCU1的控制指令控制第二电机6输出相应转速转矩，同时将电机当前状态反馈给BCU1；距离传感器22，用于检测制动间隙，将制动间隙信号传递给BCU1。

制动单元由第一电机5、第二电机6、第一单向离合器7、第二单向离合器8、减速齿轮组9、滚珠丝杠10、螺母11、制动器后盖12、制动器壳体13、轴承14、制动压块15、制动片16与制动盘17组成，用于实施制动力，完成制动过程；第一电机5与第一单向离合器7相连，受第一电机控制器3的控制，为制动单元提供制动力；第二电机6与第二单向离合器8相连，受第二电机控制器4的控制，为制动单元提供制动力。

正常工作时，BCU1通过电机控制器控制第一电机5只停止或正转，不进行反转；控制第二电机6只停止或反转，不进行正转。特别是/尤其是，第一电机5为正转施加制动力的电机，第二电机6为反转复位电机，可避免单一电机在频繁制动过程中频繁正反转，产生大量热进而烧毁电机使制动失效，保证制动可靠性、延长电机使用寿命；同时提高电机响应速率，避免单独电机切换转向时的控制迟滞，进而减少制动系统响应时间，提高制动安全性；此外，第一电机5与第二电机6形成结构冗余，当BCU1检测到某一电机故障时，通过电机控制器控制另一电机完成正转提供制动力和反转复位的功能，提高线控制动系统结构上的安全可靠性。

第一单向离合器7一端与减速齿轮组9相连，另一端与第一电机5相连，由于自身结构特性，能够单向的传递动力；具体的，动力只能由第一电机5一端传递到第一单向离合器7另一端，不能反向传递；进而所述第一单向离合器7可将第一电机5正转时的动力输入到制动单元；第二单向离合器8一端与减速齿轮组9相连，另一端与第二电机6相连，由于自身结构特性，能够单向的传递动力；具体的，动力只能由第二电机6一端传递到第二单向离合器8另一端，不能反向传递；进而所述第二单向离合器8可将第二电机6反转时的动力输入到制动单元；由于第一单向离合器7与第二单向离合器8单向传递动力的特性，第一电机5与第二电机6工作互不干扰。

减速齿轮组9的两个输入端分别与第一电机5、第二电机6相连，输出端与滚珠丝杠10相连，用于减速增扭，传递制动力；滚珠丝杠10一端与减速齿轮组9相连，另一端与螺母11相连，用于将减速齿轮组9的回转运动转化为螺母11直线运动；螺母11安装在制动器后盖12中，与滚珠丝杠10配合，与制动压块15接触，将直线运动传递给制动压块15；制动器后盖12安装在制动壳体上，用于固定螺母11，密封制动器壳体13，同时便于辅助能量回收单元安装；制动器壳体13用于安装制动单元各部件，起支撑作用；轴承14安装于制动器壳体13中，用于支撑辅助能量回收单元，同时实现辅助能量回收单元的旋转；制动压块15一端与螺母11接触，另一端与制动片16相连，安装在制动器壳体13中，用于传递制动力，进而推动制动片16实现制动；制动片16安装在制动压块15上，与制动盘17之间存在间隙，当制动时，制动片16与制动盘17接触，发生摩擦，将车辆前进的机械能转化为摩擦热，实现制动。

辅助能量回收单元由橡胶盘18、锥齿轮组19、第三电机转子20与第三电机定子21组成，用于回收制动过程中的能量，为电池2充电保证，提高电池2的可靠性；橡胶盘18安装于制动压块15上，橡胶盘18与锥齿轮组19相连，当制动时，制动压块15带动橡胶盘18与制动盘17接触，制动盘17通过摩擦使橡胶盘18旋转，进一步，橡胶盘18将制动盘17旋转的部分能量传递给锥齿轮组19，进行能量回收；特别地，橡胶盘18具有一定弹性，在制动过程过，能自动调节间隙；锥齿轮组19安装在第三电机转子20上，且与橡胶盘18相连，当制动时，锥齿轮组19啮合带动第三电机转子20转动；第三电机转子20安装在制动器壳体13内，由轴承14支撑，与第三电机定子21相连；第三电机定子21安装在制动器壳体13内，与第三电机转子20组成第三电机，用于能量回收发电，将电动传递给电池2。

如图2所示，一种高可靠性EMB线控制动系统的控制方法，具体控制过程如下：

步骤(1)：BCU1接收距离传感器22采集的制动间隙信号，若制动间隙x＝x₀(预设制动间隙)，则电机不工作，无需进行间隙调整，进入步骤(3)；若制动间隙x≠x₀，则进入步骤(2)；

步骤(2)：BCU1控制第一电机控制器3进而控制第一电机5工作，调节制动间隙直至制动间隙x＝x₀，完成后进入步骤(3)；

步骤(3)：BCU1检测是否接收到制动踏板信号，若未接收到制动踏板信号，则进入步骤(4)；若接收到制动踏板信号，则进入步骤(5)；

步骤(4)：线控制动系统不制动，电机均不工作，保持当前状态，返回步骤(3)；

步骤(5)：BCU1进一步接收电机控制反馈的信号，判断电机是否故障，若电机出现故障，则进入步骤(6)；若电机无故障，则进入步骤(7)；

步骤(6)：由于第一电机5与第二电机6为冗余设计，不考虑同时故障的情况，仅考虑某一电机故障时，另一电机正转，BCU1控制电机控制器进而控制未故障电机正转，实施制动，同时BCU1发出线控制动系统报警，提醒驾驶员及时停车检查、维修；

步骤(7)：线控系统工作，BCU1控制第一电机控制器3进而控制第一电机5正转，第二电机6不工作，通过第一单向离合器7将制动力输入到减速齿轮组9中，由于此时第二电机6一端相对于减速齿轮组9一端正转，第二单向离合器8处于空转状态不能够传递动力，所以制动力由减速齿轮组9输出到滚珠丝杠10，而第二电机6不被带动；进一步滚珠丝杠10运动，使螺母11推动制动压块15，传递制动力，进入步骤(8)；

步骤(8)：制动压块15将制动片16与橡胶盘18压在制动盘17上，开始制动，制动片16与制动盘17摩擦将机械能转化为摩擦热进而耗散，实现制动；橡胶盘18由于摩擦被旋转的制动盘17带动旋转，旋转的橡胶盘18通过啮合的锥齿轮组19带动第三电机转子20转动，由于第三电机定子21将机械能转化为电能，进行能量回收；综上，完成一个时刻下的制动过程，进入步骤(9)；

步骤(9)：判断此时制动踏板信号，若仍有制动踏板信号，判断制动过程仍在持续，保持当前制动状态，返回步骤(3)；若无制动踏板信号，判断此时刻制动过程结束，进入步骤(10)；

步骤(10)：制动过程结束，BCU1控制第二电机控制器4进而控制第二电机6反转，第一电机5不工作，通过第二单向离合器8将力输入到减速齿轮组9中，由于此时第一电机5一端相对于减速齿轮组9一端反转，第一单向离合器7处于空转状态不能够传递动力，所以力由减速齿轮组9输出到滚珠丝杠10，而第一电机5不被带动；进一步滚珠丝杠10运动，使螺母11拉动制动压块15复位，结束制动过程，返回步骤(3)，判断下一时刻是否制动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种高可靠性EMB线控制动系统，其特征在于，包括电子控制单元、制动单元和辅助能量回收单元，所述制动单元包括两个冗余结构的电机以及与电机相连的单向离合器，所述辅助能量回收单元包括橡胶盘（18）、锥齿轮组（19）、第三电机转子（20）与第三电机定子（21），橡胶盘（18）安装于制动压块（15）上，橡胶盘（18）与锥齿轮组（19）相连，锥齿轮组（19）安装在第三电机转子（20）上，第三电机定子（21）安装在制动器壳体（13）内，与第三电机转子（20）组成第三电机；

所述电子控制单元包括BCU（1），BCU（1）检测接收到制动踏板信号，且电机未出现故障，第二电机（6）不工作，第一电机（5）正转，滚珠丝杠（10）运动压紧制动压块（15），制动压块（15）将制动片（16）与橡胶盘（18）压在制动盘（17）上，开始制动，橡胶盘（18）旋转，进行能量回收；

所述BCU（1）判断此时仍有制动踏板信号，则保持当前制动状态；若无制动踏板信号，BCU（1）控制第二电机（6）反转，第一电机（5）不工作。

2.根据权利要求1所述的高可靠性EMB线控制动系统，其特征在于，所述冗余结构的电机，一个电机只停止或正转，另一个电机只停止或反转。

3.根据权利要求1或2所述的高可靠性EMB线控制动系统，其特征在于，当某一电机故障时，电机控制器控制另一电机完成正转提供制动力和反转复位。

4.根据权利要求1所述的高可靠性EMB线控制动系统，其特征在于，所述辅助能量回收单元产生的电能存储在电池（2）中。

5.根据权利要求3所述的高可靠性EMB线控制动系统，其特征在于，所述电机控制器与BCU（1）相连。

6.一种根据权利要求1 所述的高可靠性EMB线控制动系统的控制方法，其特征在于，BCU（1）接收制动间隙x，并判断x是否等于预设制动间隙x ₀，若等于，则电机不工作，BCU（1）检测是否接收到制动踏板信号，若未接收到，线控制动系统不制动，若接收到，判断电机是否故障，若电机出现故障，未故障电机实现制动，制动系统报警，若电机未出现故障，第一电机（5）正转，滚珠丝杠（10）运动压紧制动压块（15），制动压块（15）将制动片（16）与橡胶盘（18）压在制动盘（17）上，开始制动，橡胶盘（18）旋转，进行能量回收，再次判断系统是否制动，若存在制动，则保持当前制动状态，若不存在制动，控制第二电机（6）反转，第一电机（5）不工作，制动过程结束，并继续判断下一时刻是否制动；若x不等于预设制动间隙x ₀，则控制第一电机（5）工作，直至x = x ₀。