CN112757905A - 一种电子机械制动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子机械制动技术，尤其涉及一种电子机械制动系统。该电子机械制动系统包括电容性电源，以及至少一个电子制动装置。所述电子制动装置包括经由供电主回路从所述电容性电源获取电力以产生制动力的电机。所述电子机械制动系统还包括并联于所述供电主回路上的能量回收回路，所述能量回收回路包括单向导通元件和/或调压元件。响应于制动需求而减少或解除制动时，所述电机产生的反向电动势经由所述能量回收回路回流至所述电容性电源。本发明能够避免电机反向转动时产生的反向电动势积累，从而避免电路过压损坏的隐患，并降低电子机械制动系统的能耗。

Description

一种电子机械制动系统
技术领域
本发明涉及电子机械制动技术，尤其涉及一种电子机械制动系统。
背景技术
汽车是人们日常生活中必不可少的交通工具，具有很高的普及率。为了避让汽车周围的障碍物，在驾驶汽车的过程中，经常需要使用制动装置来降低车辆的移动速度，甚至停止车辆的移动。
现有的制动装置通常采用液压或气压作为介质的机械驱动方式来驱动制动片摩擦旋转的制动盘，从而实现制动的目的。这种制动系统响应时间长，能量传输路径复杂导致效率较低。
为了加强车辆的制动能力，简化系统结构，现有技术进一步提出了一种电子机械制动(Electromechanical brake，EMB)系统。
在一种现有的电子机械制动系统中，制动的原始能量来源于整车的蓄电池。该原始能量通过电压转换后为一个超级电容模组充电。该超级电容模组可以直接输出电能到制动电机以产生制动力。现有电子机械制动系统可以包括用于产生制动力的电机，以及由上述电机驱动的机械传动机构。在盘式制动器中，该机械传动机构可以包括卡钳(caliper)。
当驾驶员踩下制动踏板或以非人为操作方式(例如ABS，ESP，自动驾驶系统等)产生制动指令时，电机控制器可以在收到指令后，控制电机正向转动，从而驱动机械传动机构推动制动片压紧制动盘以产生制动力。
此时，机械传动机构在传递制动力的同时还储存了电机输出的部分能量。
电机控制器可以响应于收到减少或解除行车制动或驻车制动的指令而控制电机改变施加的制动力。此时，电机会在机械传动机构作用下反向转动。电机反向转动的速度与施加制动时所产生的制动力大小成正比。也就是说，制动时施加的制动力越大，释放制动踏板时机械传动机构回弹的力越大。相应地，电机反向旋转的速度也越快。
电机反向转动时会产生反向电动势，而该电动势会导致电机控制器两端的电压上升。因此，如果不将这部分能量释放掉，极有可能导致电路的过压损坏。
此外，由于在车辆的行驶过程中需要进行多次制动，现有的电子机械制动系统会不可避免地造成大量的能量损耗，不利于降低车辆的能耗。
因此，为了克服上述缺陷，本领域亟需一种电子机械制动技术，以避免电机反向转动时产生的反向电动势积累，从而避免驱动电路过压损坏的隐患，并降低电子机械制动系统的能耗。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种电子机械制动(Electromechanicalbrake，EMB)系统，用以避免电机反向转动时产生的反向电动势积累，从而避免电路过压损坏的隐患，并降低电子机械制动系统的能耗。
本发明提供的上述电子机械制动系统包括电容性电源(Capacitor-based powersource)，以及至少一个电子制动装置(Electric brake device)。所述电子制动装置包括经由供电主回路从所述电容性电源获取电力以产生制动力的电机。所述电子机械制动系统还包括并联于所述供电主回路上的能量回收回路，所述能量回收回路包括单向导通元件和/或调压元件。
响应于制动需求而减少或解除制动时，所述电机产生能量并经由所述能量回收回路回流至所述电容性电源。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，当所述能量回收回路包括调压元件时，所述调压元件包括线性调压器和/或直流-直流变换器。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，当所述能量回收回路包括调压元件时，所述调压元件的工作电压阈值大于所述电容性电源的最大工作电压。
优选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述能量回收回路可以包括电阻；
所述电阻可以用于限制由所述能量产生的回充电流。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，当所述能量回收回路包括单向导通元件时，所述单向导通元件可以包括二极管、晶闸管、三极管或MOS管至少其中之一。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述电容性电源的充电水平被配置为关联于经由所述能量回收回路从所述电机回流至所述电容性电源的实际可回收能量。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述电容性电源的充电水平被配置为预留一对应于经由所述能量回收回路从所述电机回流至所述电容性电源的最大可回收能量的预设裕度。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述电子制动装置的机械传动机构可以为非自锁式机构。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述电子机械制动系统还可以包括保护开关组件；
所述电容性电源可以通过所述保护开关组件与所述电机电连接；
所述保护开关组件可以用于控制所述供电主回路的正向导通。
优选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述电子制动装置还可以包括控制模块；
所述控制模块可以分别与所述电机及所述保护开关组件电连接；
所述控制模块可以响应于异常信号，控制所述保护开关组件，以切断所述电机与所述电容性电源之间的电连接。
优选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述保护开关组件可以包括三极管及至少两个MOS管；
所述至少两个MOS管可以均串联于所述供电主回路，所述三极管可以分别与至少两个所述MOS管电连接；
所述控制模块可以响应于所述异常信号，通过控制所述三极管来关断至少两个所述MOS管，以切断所述电机与所述电容性电源之间的电连接。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述控制模块可以包括主控单元、功率开关及电机驱动模块，所述电机可以包括至少两个相输入；
所述主控单元可以与所述功率开关通信连接，所述功率开关可以与所述电机驱动模块电连接；
所述主控单元可以用于开启或关闭所述功率开关；
所述功率开关可以用于使能所述电机驱动模块；
所述电机驱动模块可以用于控制所述电机输出正扭矩。
优选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述电机可以包括三个相输入；
响应于制动需求而减少或解除制动时，所述电机可以通过所述三个相输入中的至少一个相输入从所述供电主回路获取电力以驱动电机输出正扭矩，所述能量回收回路可以通过所述三个相输入中的其余相输入从所述电机回收电力。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述电机可以包括直流电机。
可选地，在本发明提供的上述电子机械制动系统中，所述电容性电源可以包括超级电容(Ultra-Capacitor)。采用超级电容直接为电机供电及进行能量回收可以保证在短时间内进行大电量的传输。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一个实施例提供的电子机械制动系统的电路示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例提供的三相电机的示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例提供的电子制动装置的示意图。
图4A示出了根据本发明的一个实施例提供的通过三相电机回收电力的示意图。
图4B示出了根据本发明的一个实施例提供的通过三相电机回收电力的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例提供的能量回收回路的示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施例提供的能量回收回路的示意图。
图7A-7B示出了根据本发明的一个实施例提供的保护开关组件的端口结构示意图。
图8示出了根据本发明的一个实施例提供的电子机械制动系统的示意图。
图9示出了根据本发明的另一个实施例提供的使用电子机械制动系统进行制动的流程示意图。
图10示出了根据本发明的另一个实施例提供的使用电子机械制动系统回收能量的流程示意图。
附图标记：
11 电容性电源；
C1-Cn 电容单元；
110 控制器；
112 控制单元；
12 电子制动装置；
121 制动电机；
122 控制模块；
1221 主控单元；
1222 电机驱动模块；
1223 驱动桥电路；
1224 电流取样电路；
123 功率开关组件；
D1 单向导通元件；
R10 限流电阻；
T1 三极管；
Q7-Q8 PMOS管；
V1 电机输入端电压；
GND 接地；
QH1-QH3 MOS管；
QL1-QL3 MOS管；
31 电动执行器；
32 轴；
33 机械传动机构；
34 制动片；
51 充电电源；
52 直流-直流充电模块；
53 直流-直流变换器；
54 线性调压器；
Q7_S Q7的源极；
Q8_S Q8的源极；
Q7_D/Q8_D Q7和Q8的漏极；
Q7_G/Q8_G Q7和Q8的栅极；
G_TH T1的基极。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
本发明提供了一种电子机械制动系统的实施例，用以避免电机反向转动时产生的反向电动势积累，从而避免电路过压损坏的隐患，并降低电子机械制动系统的能耗。
请参考图1，图1示出了根据本发明的一个实施例提供的电子机械制动系统的电路示意图。
如图1所示，本实施例提供的上述电子机械制动系统可以包括电容性电源(Capacitor-based power source)11，以及至少一个电子制动装置(Electric brakedevice)12。
上述电容性电源11主要用于为上述电子机械制动系统提供驱动产生制动力的制动电机121所需的能量。电容性电源11包括但不限于由多个电容单元串联和/或并联构成的超级电容组。其中，超级电容组直接为电机供电及进行能量回收，采用这种电路结构可以保证在短时间内进行大电量的传输。
在本实施例提供的上述电子机械制动系统中，可以选择多个串联的电容单元C1-Cn构成的超级电容组11作为上述电子机械制动系统的电容性电源11。
电子机械制动系统可以从车辆的蓄电池、动力电池或发电机(generator)获取能量，并通过电压转换等本领域的技术人员熟知的现有技术手段来为电容性电源11充电，以供电容性电源11响应于制动需求(brake demand)而直接输出电能到制动电机121以产生制动力。
本领域的技术人员可以理解，上述由多个串联的电容单元C1-Cn构成的超级电容组11，以及从车辆的蓄电池获取能量的方案，只是本实施例提供的一种具体实施方式，主要为了更清楚地向公众展示本发明的构思，并提供一种可行的方案，而非用于限制本发明的保护范围。
在其他实施例中，本领域的技术人员也可以采用其他结构或形式的电容性电源11，或采用其他方式来获得驱动制动电机121所需的能量。
如图1所示，在本实施例提供的上述电子机械制动系统中，可以包括一个或多个电子制动装置12。多个电子制动装置12可以分别设置在车辆的多个车轮端，用以降低车辆的移动速度。
电子制动装置12中可以包括制动电机121、控制模块122和功率开关组件123。制动电机121包括但不限于三相电机，可以经由电子制动装置12的供电主回路从电容性电源11获取电力，从而正向转动以产生降低车辆行驶速度所需的制动力。
示例性的，控制模块122包括处理制动指令、输出电机控制信号的主控单元1221，电机驱动模块1222，驱动桥电路1223以及电流取样电路1224。本领域的技术人员可以理解，控制模块122中的电机控制及驱动电路可采用现有电机技术中各种可实施的配置方式进行替换。
请参考图2，图2示出了根据本发明的一个实施例提供的三相电机的示意图。
如图2所示，在一个实施例中，上述制动电机121可以为包括U、V、W三个相输入的三相电机121。该三相电机121可以由6个MOS开关管QH1-QH3、QL1-QL3构成的三相全桥驱动电路1223来驱动。
响应于控制指令，三相全桥驱动电路1223可以通过各MOS开关管QH1-QH3、QL1-QL3的通断来驱动三相电机121正向转动以产生制动力。各MOS开关管QH1-QH3、QL1-QL3的通断可以根据收到的控制指令和三相电机121中转子的位置来确定。具体来说，响应于控制指令，三相全桥驱动电路1223的W相的高侧开关管QH1和U相的低侧开关管QL3可以首先导通，而W相的低侧开关管QL1和U相的高侧开关管QH3关断。此时，三相制动电机121可以通过W相输入来获取电力。
之后，三相全桥驱动电路1223的V相的高侧开关管QH2和W相的低侧开关管QL1可以导通，而V相的低侧开关管QL2和W相的高侧开关管QH1关断。此时，三相制动电机121可以通过V相输入来获取电力。
之后，三相全桥驱动电路1223的U相的高侧开关管QH3和V相的低侧开关管QL2可以导通，而U相的低侧开关管QL3和V相的高侧开关管QH2关断。此时，三相制动电机121可以通过U相输入来获取电力。
依此类推，三相制动电机121可以交替地通过三个相输入中的至少一个相输入来经由电子制动装置12的供电主回路从电容性电源11获取电力，从而正向转动以产生降低车辆行驶速度所需的制动力。
本领域的技术人员可以理解，上述三相电机121只是本发明提供的一个实施例。在另一个实施例中，也可以采用只有两个相输入的电机来经由电子制动装置12的供电主回路从电容性电源11获取电力，从而正向转动以产生降低车辆行驶速度所需的制动力。相应地，该电机也可以由两相全桥驱动电路或两相半桥驱动电路来驱动。
为了简化制动电机121的驱动电路结构，并获得更好的调速性能，还可以选用直流电机来作为产生制动力的制动电机121。该直流电机可以由输出合适电压的电容性电源11直接供电，也可以由电容性电源11经由DC-DC变压模块升压或降压后供电。
如图1所示，上述电子制动装置12的供电主回路可以分别连接电容性电源11的电压输出端和制动电机121的电压输入端，主要用于为制动电机121提供由电容性电源11输出的电力。
上述供电主回路还可以连接用于切换供电主回路通断的功率开关组件123。该功率开关组件123可以由一个或多个功率开关构成，并由电子制动装置12的控制模块122控制。
当驾驶员踩下制动踏板或以非人为操作方式产生(例如ABS，ESP，自动驾驶系统等)制动指令时，响应于收到指示制动需求(brake demand)的指令，控制模块122可以控制功率开关组件123接通上述供电主回路来为制动电机121供电。
本实施例提供的上述三相制动电机121可以交替地通过三个相输入中的至少一个相输入来从上述供电主回路获取电力，而同时能量回收回路通过三个相输入中的其余相输入从所述电机回收电力。此时，驱动制动电机121反转的力被缓和，从而使得解除制动力的过程平缓稳定，避免在制动力解除的瞬间卡钳和机械传动机构产生冲击。
响应于经由上述供电主回路从电容性电源11获取电力，制动电机121可以直接产生降低车辆行驶速度所需的制动力以降低车辆的移动速度，或产生驱动电子制动装置的机械传动机构的驱动力，以驱动该机械传动机构产生制动力来降低车辆的移动速度。
具体地，在本实施例提供的上述电子机械制动系统中，上述机械传动机构的末端可以连接一个卡钳，用以夹紧与车轮连接的制动盘，从而实现制动。
电子制动装置12的控制模块122可以响应于收到指示制动需求(brake demand)的指令，控制制动电机121正向转动以驱动机械传动机构推动该卡钳压紧车轮的制动盘，从而产生制动力。
请参考图3，图3示出了根据本发明的一个实施例提供的电子制动装置的示意图。
如图3所示，在电子制动装置12中，包含制动电机121和控制模块122的电动执行器31用以输出制动扭矩。以盘式制动器为例，电动执行器31通过轴32输出扭矩至机械传动机构33，经过减速增扭、旋转-直线运动转换后驱动制动卡钳，并最终通过施加于制动片34上的推力将制动片与制动盘(未示出)夹紧，从而产生制动力。其中，机械传动机构33可使用本领域技术人员所知的机构，例如采用行星齿轮机构实现减速增扭，采用螺纹、丝杠或滚子坡道等机构实现旋转-直线运动转换。当采用非自锁式传动机构时，扭矩的传递可以从制动电机121传递至制动片34并自由地反向传递。控制模块122除可以集成在电子制动装置中以外，还可以作为单独的控制器或与电容性电源集成在一起设置在车辆的其他位置，例如底盘上。当卡钳压紧车轮的制动盘时，机械传动机构及卡钳在将制动力从电机传递至制动盘的过程中还储存了一部分机械能量。当驾驶员释放制动踏板以解除或减少行车制动，或操作驻车开关以解除驻车制动时，控制模块122可以响应于解除制动的指令而停止为制动电机121供电，从而释放制动卡钳。制动电机121可以在机械传动机构的作用下反向转动，其转动的速度跟施加制动时所产生的制动力大小成正比。也就是说，制动时施加的制动力越大，释放时机械传动机构回传的力越大，相应地电机反转的速度越快。
本领域的技术人员可以理解，在制动电机121反转时会以反向电动势的形式产生能量，该反向电动势会导致控制模块122两端的电压上升。此部分能量可能会导致控制模块122的过压损坏。
如图1所示，为了保护控制模块122免受上述过压损坏，同时回收制动电机121反转时产生的能量，本实施例提供的上述电子机械制动系统还可以包括能量回收回路。该能量回收回路并联于上述供电主回路，可以和制动电机121一起设置在车辆的车轮边。能量回收回路可以包括单向导通元件D1。
上述单向导通元件D1包括但不限于二极管、晶闸管、三极管或MOS管至少其中之一，主要用于阻止电容性电源11经由该能量回收回路向制动电机121供电，并在制动电机121反转产生反向电动势时，允许该反向电动势经由能量回收回路为电容性电源11充电，以回收制动电机121反转时产生的能量，从而避免控制模块122的过压损坏。
请参考图4A，图4A示出了根据本发明的一个实施例提供的通过三相电机回收电力的示意图。
如图4A所示，响应于指示解除制动的指令，三相全桥驱动电路1223可以通过关断所有的MOS开关管QH1-QH3、QL1-QL3来停止为制动电机121供电。制动电机121可以在机械传动机构的作用下反向转动以产生反向电动势。该反向电动势高于电容性电源11提供的电机输入端电压V1。此时，以反向电动势的形式产生的能量可以通过各MOS开关管QH1-QH3、QL1-QL3的体二极管进入能量回收回路以进行能量回收。
本领域的技术人员可以理解，上述停止为制动电机121供电以完全解除制动的方案只是本发明提供的一个实施例。在另一个实施例中，当驾驶员缓慢地释放制动踏板以解除行车制动，或操作驻车开关以解除驻车制动时，三相全桥驱动电路1223仍可以通过两个相输入为制动电机121供电，从而驱动制动电机121输出正向的小扭矩来缓慢解除制动。同时，三相全桥驱动电路1223还可以通过剩余的一个相从三相制动电机121回收电力。
请参考图4B，图4B示出了根据本发明的一个实施例提供的通过三相电机回收电力的示意图。
如图4B所示，响应于指示解除制动的指令，三相全桥驱动电路1223可以首先使U相的高侧开关管QH3和V相的低侧开关管QL2导通，而将U相的低侧开关管QL3和V相的高侧开关管QH2关断，从而通过U相输入来向三相制动电机121提供电力，以驱动制动电机121输出正向的小扭矩来缓慢解除制动。该正扭矩的方向与上述正向转动的方向一致。电子制动装置12的机械传动机构可以在该正扭矩的作用下推动刹车片压紧制动盘以产生制动力。
同时，未参与供电的W相的开关管QH1和QL1均处于关断状态。响应于制动电机121在机械传动机构的作用下产生的反向电动势高于电容性电源11提供的电机输入端电压V1，即可通过W相的高侧开关管QH1的体二极管来从三相制动电机121回收电力。
依次类推，三相制动电机121可以交替地通过三个相输入中的两个相输入来经由电子制动装置12的供电主回路从电容性电源11获取电力，从而正向转动以产生降低车辆行驶速度所需的制动力。同时，本实施例提供的上述能量回收回路，也可以交替地通过上述三相制动电机121的三个相输入中未参与供电的相输入从三相制动电机121回收电力。制动电机121产生的能量可以经由能量回收回路回流至电容性电源11，从而为电容性电源11进行充电以弥补制动时消耗的能量。
通过采用以两个相输入从供电主回路获取电力以驱动电机输出正扭矩来制动车辆，同时以剩余的相输入从制动电机121回收电力的方案，可以在行车制动时根据驾驶员释放踏板的速度来使电机回退减慢，从而在快速或慢速解除制动时都能回收能量。
不同于现有技术中利用车辆驱动电机实现的回收车辆行驶的动能的再生制动(regenerative braking)，图1所示的具有能量回收回路的电子机械制动系统是基于电子机械制动的原理来回收主要储存于制动系统中的机械传动机构中的能量。为了避免制动电机121反转产生反向电动势时能量回收回路上的电流过大，上述能量回收回路上还可以包括限流电阻R10。该限流电阻R10可以用于限制由制动电机121反转时产生的能量导致的回充电流。
上述限流电阻R10的具体取值可以由能量回收回路上各电路单元的通流能力决定。电阻值过小的限流电阻R10可能导致能量回收回路上的线路或单向导通元件D1发生过流损坏，而电阻值过大的限流电阻R10可能导致上述回充电流过小，以致无法及时回收制动电机121反转时产生的能量，从而导致控制模块122的过压损坏。而电阻值过大的限流电阻R10还会损耗更多的能量，从而降低能量回收回路的能量回收率，并产生大量的热量来增大车辆散热系统的负荷。
本领域的技术人员可以理解，上述包括单向导通元件D1的能量回收回路只是本发明提供的一个实施例。在本发明的另一个实施例中，能量回收回路还可以包括调压元件。该调压元件包括但不限于直流-直流变换器。
请参考图5，图5示出了根据本发明的一个实施例提供的能量回收回路的示意图。
如图5所示，整车的蓄电池可以作为充电电源51为车辆制动提供原始能量。该原始能量可以由直流-直流充电模块52进行电压转换后为一个超级电容模组11充电。该超级电容模组11可以通过电子制动装置12的控制模块122输出电能到制动电机121以产生制动力。
响应于指示解除制动的指令，控制模块122可以停止为制动电机121供电。制动电机121可以在机械传动机构的作用下反向转动以产生反向电动势。该反向电动势高于超级电容模组11提供的电机输入端电压V1(例如：48V)。能量回收回路的直流-直流变换器53的工作电压阈值可以大于超级电容模组11的最大工作电压V1。响应于该高于电机输入端电压V1的反向电动势，直流-直流变换器53可以将制动电机121产生的电压回收到超级电容模组11进行充电，或传递到车辆的其他装置来为其他装置供电，从而回收制动电机121反转时产生的能量并防止控制模块122的过压损坏。
可选地，在一个实施例中，超级电容模组11的充电水平，即对其所充入的电量关联于经能量回收回路获取的实际可回收能量。具体来说，在估算出可能的回收能量后，充电电源51可以不把超级电容模组11充到额定电压(例如：48V)，而是留出回充能量的裕度。响应于高于电机输入端电压V1的反向电动势，直流-直流变换器53可以将制动电机121产生的电压回收到超级电容模组11进行充电，从而将该留出的回充能量裕度充满以节省充电电源51的能量。上述回收能量可以通过输入到所有电子制动装置12中的能量与相应的回收系数的乘积来估算。如果估算出没有能量可供回收，则充电电源51可以直接把超级电容模组11的电压充到48V的额定电压。
可选地，在另一个实施例中，超级电容模组11的充电水平被预留一对应于经能量回收回路获取的最大可回收能量的预设裕度。响应于指示制动的控制指令，超级电容模组11可以向电子制动装置12供电以实施制动。此时，电子制动装置12中存储有能量。充电电源51在向超级电容模组11充电时，可以始终留出一个预设的裕度。该预设的裕度可以对应经由能量回收回路从制动电机121回流至超级电容模组11的最大可回收能量。具体来说，在本实施例中，超级电容模组11的满额电压可以为48V，向电子制动装置12输入的最大能量在回收时能把超级电容模组11从46V充到48V。当电子制动装置12中储存有能量时，充电电源51给超级电容模组11的充电可以始终在46V时停止，以留出能量回收的裕度。
在本发明的另一个实施例中，能量回收回路可以同时包括单向导通元件D1和调压元件。该调压元件可以为线性调压器54或直流-直流变换器53。
请参考图6，图6示出了根据本发明的一个实施例提供的能量回收回路的示意图。
如图6所示，在上述能量回收回路中，单向导通元件D1包括但不限于二极管、晶闸管、三极管或MOS管至少其中之一，主要用于阻止电容性电源11经由该能量回收回路向制动电机121供电，并在制动电机121反转产生反向电动势时，允许该反向电动势经由能量回收回路为电容性电源11充电，以回收制动电机121反转时产生的能量，从而避免控制模块122的过压损坏。
以线性调压器54作为调压元件为例，其可以为电压模式或电流模式的调压器，其工作电压阈值可以大于超级电容模组11的最大工作电压V1(例如：48V)。响应于高于电机输入端电压V1的反向电动势，线性调压器54可以调节从制动电机121到超级电容模组11或其他装置的电压，从而充分利用制动电机121反转时产生的能量并防止控制模块122的过压损坏。
为了避免制动电机121反转产生反向电动势时能量回收回路上的电流过大，上述能量回收回路上还可以包括限流电阻，用于限制由制动电机121反转时产生的能量导致的回充电流。
如上所述，为了进一步防止制动电机121反转时产生的瞬时反向电动势对控制模块122产生过压损坏，本实施例提供的上述电子机械制动系统的功率开关组件123可以实现保护开关功能。
如图1所示，保护开关组件123可以由两个串联于供电主回路的P沟道MOS管Q7-Q8和一个三极管T1构成。该三极管T1可以分别连接控制模块122的主控单元1221及P沟道MOS管Q7-Q8的栅极。
电容性电源11可以通过保护开关组件123与制动电机121电连接，从而为制动电机121供电。保护开关组件123仍可以具备上述功率开关组件的基本功能，可以用于控制上述供电主回路是否正向导通。
本领域的技术人员可以理解，上述具有功率开关组件功能的保护开关组件123，只是本实施例提供的一种具体方案，主要用于更清楚地向公众展示本发明的主要构思并提供一种切实可行的实现方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，本领域的技术人员也可以分别设置独立的功率开关组件和保护开关组件来实现相同的功能。
为了精确地控制制动电机121向制动器提供的制动力矩，在本实施例提供的上述电子机械制动系统中，还可以包括用于控制上述保护开关组件123通断的控制模块122。该控制模块122可以包括主控单元1221(Main control unit，MCU)、电机驱动模块1222(Bridge driver，BD)及驱动桥电路1223。
上述主控单元1221可以与保护开关组件123的功率开关T1进行电性连接，用于开启或关闭功率开关T1，从而开启或关闭保护开关组件(即功率开关组件)123。
上述电机驱动模块1222可以串联于主控单元1221和驱动桥电路之间，用于接收主控单元1221输出的控制信号，并将其转换为控制驱动桥电路1223中各MOS管通断的驱动信号，从而控制制动电机121的三个相输入U、V、W交替地为其供电。
上述保护开关组件(即功率开关组件)123可以用于控制上述供电主回路的导通，从而使能上述电机驱动模块1222。该电机驱动模块1222可以用于控制制动电机121进行正向转动以输出正扭矩。
此外，控制模块122还可以响应于异常信号(例如：上述由制动电机121反转而产生的反向电动势)而控制保护开关组件123，以切断电机121与电容性电源11之间的电连接。
请进一步参考图7A-7B，图7A-7B示出了根据本发明的一个实施例提供的保护开关组件的端口结构示意图。
如图7A-7B所示，上述保护开关组件123的P沟道MOS管Q7-Q8的导通条件为其源极对其栅极的电压差大于一定的电压值(例如12V)。
如图7A所示，当Q7的源极Q7_S对地GND的电压为正(即电容性电源11输出正电压)时，控制模块122的主控单元1221可以正常工作以控制三极管T1导通。此时，Q7的源极Q7_S对Q7和Q8的栅极Q7_G/Q8_G电压为正，使Q7导通。Q7的漏极Q7_D电压等于Q7_S输入电压，Q8的漏极Q8_D电压等于Q7_D电压为高。电流流经Q8的体二极管使Q8的源极Q8_S电压为高，此时Q8_S的电压高于Q7和Q8的栅极Q7_G/Q8_G电压，Q8导通。因此，电流可以从输入端Q7_S流向制动电机121。
如图7B所示，当输入端Q7_S对地GND电压为负时，控制模块122的主控单元1221不工作，使三极管T1不导通。Q7_S相对Q7_G/Q8_G为负电压，使Q7不导通。因此，电流无法流通，从而起到了防止安装反接的作用。
此外，除了上述防反接的功能，上述由Q7和Q8共同组合成的保护开关组件123还可以构成高边开关。该高边开关可以在系统出现如过流、过压、短路等异常时，通过主控单元1221来关断三极管T1，从而关断Q7和Q8以切断制动电机121与电容性电源11之间的电连接，以此来起到保护电路的作用。
为了更清楚地公开本发明的构思，以便公众了解本发明的技术方案，本文还提供了一个使用上述电子机械制动系统进行制动及回收能量的实施例。上述电子机械制动系统可以应用于乘用车辆，也可以应用大型商用车辆。
请参考图8，图8示出了根据本发明的一个实施例提供的电子机械制动系统的示意图，其包括多个电子制动装置。
如图8所示，上述电子机械制动系统中的多个电子制动装置12可以分别设置于车辆的多个车轮端，用以分别对多个车轮进行制动，从而提供更均匀的制动力。示例性的，上述电子机械制动系统中可以包括两个分别与前后车轴对应的控制器110，每一控制器110包含控制单元112以及用以提供制动能量的电容性电源11，其中电容性电源11可采用如前述实施例中所述的任意的配置。
请参考图9，图9示出了根据本发明的另一个实施例提供的使用电子机械制动系统制动的流程示意图。
如图9所示，当驾驶员踩下制动踏板时，响应于收到指示制动需求(brake demand)的指令，控制模块122的主控单元1221可以输出控制信号以打开功率开关T1。
此时，图7A中Q7的源极Q7_S对Q7和Q8的栅极Q7_G/Q8_G电压为正，使Q7导通。Q7的漏极Q7_D电压等于Q7_S输入电压，Q8的漏极Q8_D电压等于Q7_D电压为高。电流流经Q8的体二极管使Q8的源极Q8_S电压为高，此时Q8_S的电压高于Q7和Q8的栅极Q7_G/Q8_G电压，Q8也导通。保护开关组件123被接通，使V1端电压被置高。电流可以从输入端Q7_S流向制动电机121来为制动电机121供电。
同时，控制模块122的主控单元1221还可以输出控制信号来使能电机驱动模块1222。
响应于收到主控单元1221输出的控制信号，电机驱动模块1222可以将该控制信号转换为控制驱动桥电路1223中各MOS管通断的驱动信号，从而控制三个相输入U、V、W交替地为制动电机121供电。
制动电机121可以在三个相输入U、V、W的驱动控制下正向转动，从而输出相应的正扭矩以操作电动执行器31，推动机械传动机构动作。机械传动机构可以在上述正扭矩的推动下，使制动卡钳夹紧车轮的制动盘，从而产生制动力。
此时，车辆的移动速度会在制动力的作用下降低，机械传动机构及制动卡钳在将制动力从电机传递至制动盘的过程中储存了一部分机械能量。
请参考图10，图10示出了根据本发明的另一个实施例提供的使用电子机械制动系统回收能量的流程示意图。
如图10所示，当驾驶员释放制动踏板时，响应于收到指示解除或减少制动的制动需求指令，控制模块122的主控单元1221可以输出控制信号至电机驱动模块1222，请求一个低于保持现有制动力的扭矩，从而允许储存在机械传动机构和制动卡钳中的机械能推动制动电机反向旋转。由此产生的反向电动势便通过能量回收回路向超级电容模组11充电，从而实现能量回收。
在紧急情况下，控制模块122的主控单元1221也可直接停止为制动电机121供电。此时三相全桥驱动电路的三个相输入U、V、W不再驱动制动电机121。制动电机121不再向机械传动机构输出正扭矩。机械传动机构会因为失去制动电机121提供的推动力而释放制动卡钳。
此时，制动电机121会在机械传动机构的作用下反向转动，其转动的速度跟施加制动时所产生的制动力大小成正比。也就是说制动时施加的制动力越大，解除制动时回弹的力越大，相应地电机反转的速度越快。
在制动电机121反转时会以反向电动势的形式产生能量，该反向电动势会导致控制模块122两端的电压上升。
此时，控制模块122的主控单元1221可以输出控制信号来使能电机驱动模块1222。
响应于收到主控单元1221输出的控制信号，电机驱动模块1222可以将该控制信号转换为控制驱动桥电路1223中各MOS管通断的驱动信号，从而控制三个相输入U、V、W交替地通过上述三相制动电机121的三个相输入中未参与供电的相输入从三相制动电机121回收电力。
在制动电机121反转时以反向电动势的形式产生的能量，可以经由能量回收回路回流至电容性电源11。
具体地，该能量回收回路上可以包括单向导通元件D1。该单向导通元件D1包括但不限于二极管、晶闸管、三极管或MOS管至少其中之一，主要用于阻止电容性电源11向制动电机121供电，并在制动电机121反转产生反向电动势时，利用该反向电动势为电容性电源11充电，以回收制动电机121反转时产生的能量，从而避免控制模块122的过压损坏。
为了避免制动电机121反转产生反向电动势时能量回收回路上的电流过大，上述能量回收回路上还可以包括限流电阻R10。该限流电阻R10可以用于限制由制动电机121反转时产生的能量导致的回充电流。
本领域的技术人员可以理解，上述限流电阻R10的具体取值可以由能量回收回路上各电路单元的通流能力决定。电阻值过小的限流电阻R10可能导致能量回收回路上的线路或单向导通元件D1发生过流损坏，而电阻值过大的限流电阻R10可能导致上述回充电流过小，以致无法及时回收制动电机121反转时产生的能量，从而导致控制模块122的过压损坏。
此外，电阻值过大的限流电阻R10还会损耗更多的能量，从而降低能量回收回路的能量回收率，并产生大量的热量来增大车辆散热系统的负荷。
为了进一步防止制动电机121反转时产生的瞬时反向电动势对控制模块122产生过压损坏，本实施例提供的上述电子机械制动系统的功率开关组件123还可以为保护开关组件。
如图1所示，上述保护开关组件123可以由两个串联于供电主回路的P沟道MOS管Q7-Q8和一个三极管T1构成。该三极管T1可以分别连接控制模块122的主控单元1221及P沟道MOS管Q7-Q8的栅极。
电容性电源11可以通过保护开关组件123与制动电机121电连接，从而为制动电机121供电。保护开关组件123仍可以具备上述功率开关组件的基本功能，可以用于控制上述供电主回路是否正向导通。
如图7B所示，当输入端Q7_S对地GND电压为负时，控制模块122的主控单元1221不工作，使三极管T1不导通。Q7_S相对Q7_G/Q8_G为负电压，使Q7不导通。因此，电流无法流通，从而起到了防止安装反接的作用。
本领域的技术人员可以理解，上述具有功率开关组件功能的保护开关组件123，只是本实施例提供的一种具体方案，主要用于更清楚地向公众展示本发明的主要构思并提供一种切实可行的实现方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，本领域的技术人员也可以分别设置独立的功率开关组件和保护开关组件来实现相同的功能。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (15)

1.一种电子机械制动系统，所述电子机械制动系统包括电容性电源(11)及至少一个电子制动装置(12)，所述电子制动装置(12)包括经由供电主回路从所述电容性电源(11)获取电力以产生制动力的电机(121)，其特征在于，所述电子机械制动系统还包括并联于所述供电主回路上的能量回收回路，所述能量回收回路包括单向导通元件(D1)和/或调压元件；
响应于制动需求而减少或解除制动时，所述电机(121)产生能量并经由所述能量回收回路回流至所述电容性电源(11)。
2.如权利要求1所述的电子机械制动系统，其特征在于，当所述能量回收回路包括调压元件时，
所述调压元件包括线性调压器(54)和/或直流-直流变换器(53)。
3.如权利要求1所述的电子机械制动系统，其特征在于，当所述能量回收回路包括调压元件时，
所述调压元件的工作电压阈值大于所述电容性电源(11)的最大工作电压。
4.如权利要求1所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述能量回收回路包括电阻(R10)；
所述电阻(R10)用于限制由所述能量产生的回充电流。
5.如权利要求1所述的电子机械制动系统，其特征在于，当所述能量回收回路包括单向导通元件(D1)时，
所述单向导通元件包括二极管、晶闸管、三极管或MOS管至少其中之一。
6.如权利要求1所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述电容性电源(11)的充电水平被配置为关联于经由所述能量回收回路从所述电机(121)回流至所述电容性电源(11)的实际可回收能量。
7.如权利要求1所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述电容性电源(11)的充电水平被配置为预留一对应于经由所述能量回收回路从所述电机(121)回流至所述电容性电源(11)的最大可回收能量的预设裕度。
8.如权利要求1所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述电子制动装置(12)的机械传动机构为非自锁式机构。
9.如权利要求1所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述电子机械制动系统还包括保护开关组件(123)；
所述电容性电源(11)通过所述保护开关组件(123)与所述电机(121)电连接；
所述保护开关组件(123)用于控制所述供电主回路的正向导通。
10.如权利要求9所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述电子制动装置还包括控制模块(122)；
所述控制模块(122)分别与所述电机(121)及所述保护开关组件(123)电连接；
所述控制模块(122)响应于异常信号，控制所述保护开关组件(123)，以切断所述电机(121)与所述电容性电源(11)之间的电连接。
11.如权利要求10所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述保护开关组件(123)包括三极管(T1)及至少两个MOS管(Q7-Q8)；
所述至少两个MOS管(Q7-Q8)均串联于所述供电主回路，所述三极管(T1)分别与至少两个所述MOS管(Q7-Q8)电连接；
所述控制模块(122)响应于所述异常信号，通过控制所述三极管(T1)来关断至少两个所述MOS管(Q7-Q8)，以切断所述电机(121)与所述电容性电源(11)之间的电连接。
12.如权利要求10所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述控制模块(122)包括主控单元(1221)及电机驱动模块(1222)，所述电机(121)包括至少两个相输入；
所述主控单元(1221)与功率开关通信连接；
所述主控单元(1221)用于开启或关闭所述功率开关；
所述功率开关用于使能所述电机驱动模块(1222)；
所述电机驱动模块(1222)用于控制所述电机(121)输出正扭矩。
13.如权利要求10所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述电机(121)包括三个相输入；
响应于制动需求而减少或解除制动时，所述电机(121)通过所述三个相输入中的至少一个相输入从所述供电主回路获取电力以驱动电机(121)输出正扭矩，所述能量回收回路通过所述三个相输入中的其余相输入从所述电机回收电力。
14.如权利要求1～13中任意一项所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述电机(121)包括直流电机。
15.如权利要求1～13中任意一项所述的电子机械制动系统，其特征在于，所述电容性电源包括超级电容。
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