CN113942484A - 用于制动系统的冗余能量供应 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及用于制动系统的冗余能量供应。此外，描述了一种用于制动设备的本地控制单元。控制单元用于操控车轮的制动设备的机电制动器，并且根据实施例具有用于主能量供应的第一端子和用于与车轮耦联的发电机的第二端子，该发电机为控制单元提供替代能量供应。

Description

用于制动系统的冗余能量供应
技术领域
本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及用于车辆中的电驱动的制动系统的冗余能量供应。
背景技术
近年来，已经开发了旨在用所谓的“干式”制动器替代汽车中的传统液压制动器的方案。干式制动器通常包括制动钳，制动钳具有一个或多个机电执行器，该执行器被构造用于将制动蹄例如压到制动盘上。机电执行器由车辆电池供电，并且从也称为制动器ECU(ECU＝电子控制单元)的中央制动控制单元接收电子控制信号。
汽车的制动器显然是安全关键的部件并且因此必须满足关于功能安全的一定的标准，例如带有标题为“道路车辆功能安全”的ISO26262。制动器的功能安全通常必须满足风险等级ASIL-D的要求(ASIL＝汽车安全完整性等级)。因此，需要满足必要的安全要求的制动器或制动系统。本发明所基于的任务例如可以视为，改进现有的方案。
发明内容
上述任务通过根据本申请的制动系统、控制单元和方法来解决。各种实施例和进一步发展是以下内容。
下面描述一种具有冗余的能量供应的制动系统。根据实施例，制动系统包括分别与电制动器耦联的两个或更多个车轮、和用于制动器中的每个制动器的本地控制单元，其中本地控制单元被构造成根据控制信号操控相应的制动器。制动系统还包括中央制动控制单元和用于车轮中的每个车轮的发电机，中央制动控制单元被构造成产生用于本地控制单元的控制信号。发电机与相应的车轮耦联并且构造成至少为相应车轮的制动器的本地控制单元提供替代能量供应。
此外，描述了一种用于制动设备的本地控制单元。控制单元用于操控车轮的制动设备的机电制动器，并且根据实施例具有用于主能量供应的第一端子和用于与车轮耦联的发电机的第二端子，该发电机为控制单元提供替代能量供应。
另外的实施例涉及一种用于运行制动系统的方法，该制动系统具有分别与电制动器耦联的两个或更多个车轮和用于所述制动器中的每个制动器的本地控制单元，其中控制单元被构造成根据控制信号操控相应的制动器，控制信号由中央制动控制单元产生。根据实施例，该方法包括借助于发电机为制动器的本地控制单元提供替代能量供应，其中，每个发电机与车轮中的一个车轮耦联并且至少向相应车轮的制动器的本地控制单元提供替代能量供应。
附图说明
下面借助附图更详细地阐述实施例。图示不一定是比例正确的并且实施例不仅限于所示出的方面。更确切地说，重点在于示出实施例所基于的原理。在附图中：
图1示意地示出制动系统的一般示例。
图2示出制动系统的示例，其中每个制动器都配设有用于相应制动器的自主能量供应的发电机。
图3和图4示出根据图3的方案的进一步发展，其中，与第一车轮联接的发电机也可以用于第二车轮的制动器的能量供应。
图5是用于示出电路的实施例的图表，该电路例如可以布置在本地制动器ECU中，并且能够实现制动器的多重冗余的能量供应。
具体实施方式
图1是具有两个车桥和四个车轮10a-d的车辆的制动系统的示例的示意图。应理解的是，这里所描述的方案和实施例不限于具有四个车轮的车辆。这里所描述的制动系统也适合于两轮车和多车桥载重汽车。
在该示例中，车轮10a-d中的每个车轮与电制动器(即，电驱动的制动钳)耦联。四个制动器用11a-d表示并且包括可电操控的制动钳。为了操控制动器11a-d，每个制动器配设有本地的制动器控制器(本地制动器ECU)，该制动器控制器被构造成用于操纵相应的制动器。四个本地制动器ECU以12a-d标示。
本地制动器ECU 12a-d通过供电线路14(直接或间接地)与车辆电池(未示出)连接，该车辆电池提供供电电压VBAT。车辆电池提供电池电压VBAT并且是用于本地制动器ECU12a-d的主能量供应，并且每个制动器ECU具有可以与供电线路14连接的相应端子。
本地制动器ECU 12a-d通过控制和数据线路17从中央制动器ECU 15接收控制信号。中央制动器ECU 15(直接或间接地)与显示期望的制动减速度的制动踏板(电动踏板)连接，并且中央制动器ECU 15被构造成取决于踏板位置(以及另外的输入参量，诸如ABS系统的状态)来产生用于本地制动器ECU 12a-d的控制信号。此外，中央制动器ECU 15可以接收指示激活驻车制动功能的信号；中央制动器ECU 15还可以取决于驻车制动信号而产生传输至本地制动器ECU 12a-d的控制信号。
图1中所示的制动系统不包括冗余；在供电电压VBAT故障的情况下(例如由于供电线路14中的一个供电线路中有故障)，本地制动器ECU 12a-d中的一个或多个本地制动器将没有能量供应，并且制动器将会至少暂时无法使用。图2中所示的示例与图1中的示例相同，但是附加地包括发电机13a-d，发电机与对应的车轮10a-d耦联，并且即使电池的中央能量供应(电压VBAT)失效，发电机也能实现相应的本地制动器ECU 12a-d的附加能量供应，并且因此实现制动器11a-d的运行。
发电机13a-d可以与车轮10a-d机械耦联，使得发电机13a-d的转子在所属车轮10a-d旋转时被驱动(并因此产生电能)。在图2中，由发电机13a-d所产生的电压以VCC1、VCC2、VCC3和VCC4来表示，其中，即使如果电池电压VBAT在相应的本地制动器ECU 12a-d的供电输入端上发生故障时，电压VCC1向本地制动器ECU 12a供电，电压VCC2向本地制动器ECU 12b供电，电压VCC3向本地制动器ECU 12c供电，并且电压VCC4向本地制动器ECU 12d供电。
以下示例旨在在一个或多个发电机13a-d不能为所属的本地制动器ECU供应能量的情况下确保附加的安全性/冗余。例如当发电机13a-d中的一个发电机和所属的本地制动器ECU 12a-d之间的连接线路损坏、所需的插接连接不再建立足够的电接触等时，可能是这种情况。车轮10a-d、制动器11a-d、发电机13a-d和本地制动器ECU 12a-d在图3和图4的示例中基本上与图2中相同，其中在各个示例中，本地制动器ECU 12a-d的功能在缺少通过电池的能量供应(供电电压VBAT)时的特性方面不同的。
在图3的示例中，在本地制动器ECU 12a-d中的每个本地制动器ECU中分别包括开关SW1、SW2、SW3或SW4，该开关允许相应的本地制动器ECU与备用能量供应连接。这例如在电池电压VBAT不可用且所属的发电机同样不向本地制动器ECU提供能量的情形中可能是必要的。在图3所示的示例中，所提到的备用能量供应由四个发电机中的另一个发电机提供，例如由与同一车桥的相对车轮耦联的发电机提供。在本示例中，备用供电线路16a通过开关SW2将发电机13a(发电机电压VCC1)与本地制动器ECU 12b连接。同样地，备用供电线路16b通过开关SW1将发电机13b(发电机电压VCC2)与本地制动器ECU 12a连接。例如，在现在本地制动器ECU 12a不能被供应电池电压VBAT(例如，由于供电线路14有故障或短路)并且同时发电机13a-由于任何原因-不能提供紧急供电(发电机电压VCC1)的情况下，本地制动器ECU 12a可以闭合开关SW1，由此通过备用供电线路16b与发电机13b建立连接，并且向本地制动器ECU 12a供应发电机13b的电压VCC2。类似地，在需要时可以(通过备用供电线路16a和开关SW2)向本地制动器ECU 12b供应发电机13a的电压VCC1。相同的情况按意义适用于另一车桥上的备用供电线路16c、16d、开关SW3、SW4、发电机13c、13d以及制动器ECU 12c、12d。
在简单实现方式中，开关SW1、SW2、SW3和SW4可以由二极管形成。借助于晶体管、例如MOSFET实现也是可能的。开关可以布置在本地制动器ECU的电路板上。在图3中，为了清楚起见，仅单独示出开关SW1、SW2、SW3和SW4。
图4的示例是图3中所示的制动系统的备选方案。图4的示例包括具有开关SW12、SW13、SW14、SW23、SW24和SW34的开关单元。在图4中省略了中央制动器ECU 15，以免附图复杂化，但中央制动器仍然存在。每个本地制动器ECU 12a-d通过备用供电线路16a-d与开关单元连接。开关单元使得备用供电线路16a-d的任何组合能够彼此电连接。通过这种方式可以在需要时灵活地激活备用能量供应网。
当例如-在极端的情况下-制动器11a-d中的任一个制动器或者本地制动器ECU12a-d中的任一个制动器都不能再由电池(电压VBAT)供电并且同时发电机13b-d(无论出于何种原因)不能提供本地备用供电电压VCC2、VCC3或者VCC4，则开关单元可以通过接通开关SW12、SW13以及SW14来将备用供电线路16a与备用供电线路16b-d连接。在这种情况下，发电机13a不仅向所属的本地制动器ECU 12a供电，而且还通过备用供电线路16a和与其连接的备用供电线路16b-d向其它本地制动器ECU 12b-d供电。
在图4中可以看出，实际上可以实现两个或更多个备用供电线路16a-d的任意连接。具有开关SW12、SW13、SW14、SW23、SW24和SW34的开关单元例如可以布置在中央制动器ECU 15中、其它的中央控制单元中或理论上也分散布置在本地制动器ECU 12a-d中的一个本地制动器ECU中。备用供电线路16a-d还可以用于将数据传输到开关单元。例如，该数据可以包括对备用能量供应的请求。因此，通过备用供电线路16a-d的数据传输提供了这样的可能性，即，如果供电电压VBAT不再可用，则本地制动器ECU 12a-d发出“紧急呼叫”。数据传输也可以以其它方式进行，例如通过单独的数据线路或者也可以无线地进行。该方案使得例如本地制动器ECU 12a能够向具有开关SW12、SW13、SW14、SW23、SW24和SW34的开关单元通知，电池电压VBAT和发电机电压VCC1不可用，并且开关单元可以响应于此例如通过激活开关SW12来电连接备用供电线路16a和16b，这实现经由本地制动器ECU 12b或发电机13b向本地制动器ECU 12a的能量供应。
图5的示例示出图3的示例的修改，其中用于激活备用能量供应的开关以分散方式布置在本地制动器ECU 12a-d中。图5作为框图示出具有所属的发电机13a和13b的本地制动器ECU 12a和12b。应理解的是，图5未示出本地制动器ECU的完全实施，而仅仅示出与关于备用能量供应的当前讨论相关的那些部件。本地制动器ECU的其余部件是已知的，并且其具体的实现方式对于这里描述的实施例不起重要作用。
以下说明涉及本地制动器ECU 12a，其它本地制动器ECU基本上具有相同的构造。根据图5，本地制动器ECU 12a与供电线路14连接，本地制动器ECU通过该供电线路接收电池电压VBAT。此外，本地制动器ECU 12a与供电线路16连接。备用供电线路16将本地制动器ECU12a与一个或多个其它本地制动器ECU连接(在图5中，与本地制动器ECU 12b连接)。在有效的备用能量供应中，备用供电线路16带电并且提供备用供电电压VBACKUP。
在本地制动器ECU 12a中，电路节点N1(具有电压VCC1的供电节点)一方面与发电机13a的输出端连接，并且另一方面通过二极管D1与供电线路14连接。通过供电节点N1来实现以电压VCC1给本地制动器ECU 12a的其余组件供应电压。二极管D1具有的目的是防止从发电机13a向供电线路14的电流流动。这尤其是当在供电线路中出现短路并且电池电压VBAT不可用时可能是必要的。二极管D1在该情况下防止短路影响本地制动器ECU 12a的运行。根据图5，本地制动器ECU 12a还包括电子开关，电子开关在本示例中由晶体管T1实现。
晶体管T1，在本示例中为MOSFET，被构造成在供电节点N1与备用供电线路16之间建立电连接。二极管DB1与晶体管T1的负载电流路径并联连接。在MOSFET的情况下，二极管DB1是晶体管的本征波德二极管(Bode-Diode)。二极管DB1实现电流从备用供电线路16流向供电节点N1，但是-在晶体管T1关断的情况下-，在备用供电电压VBACKUP不可用的情况下阻断相反的电流方向。控制电路C1被构造成产生用于晶体管T1的合适的控制电压VG1。在MOSFET的情况下，该控制电压VG1是供应到晶体管的栅电极的栅极电压。
在正常运行中-也就是说当电池电压VBAT可用时-晶体管T1关断。控制电路C1(直接或间接)与供电线路14连接，并且因此可以检查电池电压VBAT是否可用，并且在没有电池电压VBAT施加、或者电池电压VBAT过低(即低于阈值)时，操控晶体管T1(即VG1≈0V)使得该晶体管关断。此外，在正常运行中，发电机13a是非活动的(即，在空载中)，并且节点N1处的供电电压VCC1等于电池电压VBAT减去二极管D1的正向电压VF。在这种情况(正常运行)下，本地制动器ECU 12a并不提供备用供电电压VBACKUP，但是备用供电线路16可以由本地制动器ECU中的另一个本地制动器ECU供电。
此外控制电路C1(直接或间接地)与备用供电线路16连接，并且因此可以检查备用供电电压VBACKUP是否可用。如果控制电路C1现在确定电池电压VBAT不可用(或在所需电压值下不可用)，则本地制动器ECU 12a继续以紧急运行来工作(应急操作)。本地制动器ECU12a、进而制动器11a保持功能有效。在紧急运行中，发电机13a被激活，从而发电机产生工作电压VCC1。此外，在紧急运行中晶体管T1被接通，使得供电节点N1与备用供电线路16电连接。在这种情况下，发电机13a还提供备用供电电压VBACKUP(VBACKUP≈VCC1)。
如所提及的那样，其它本地制动器ECU(在图5中，本地制动器ECU 12b)可以相同地构建。根据图5，本地制动器ECU 12b具有晶体管T2、二极管DB2和D2以及控制电路C2。在供电节点上的电压用VCC2来表示。在电池电压VBAT对于制动器ECU 12a和12b都失效的情况下，两个制动器ECU 12a和12b将切换到紧急运行并且接通晶体管T1和T2。在这种情况下，两个发电机13a和13b并联连接，并且电压VBACKUP大约等于本地供电电压VCC1和VCC2。如果在紧急运行中(无论出于何种原因)发电机13a不工作或失效，则仍然为本地制动器ECU 12a供应能量，即由发电机13b通过备用供电线路16供应能量。同样地，当在紧急运行中发电机13b不工作或失效时，本地制动器ECU 12b可以由发电机13a通过备用供电线路16来供电。
在电池电压VBAT仅对于一个制动器ECU(例如制动器ECU 12a)失效的情况下，只有制动器ECU 12a将切换到紧急运行并且晶体管T1接通。当稍后电池电压VBAT也对于另一制动器ECU(例如制动器ECU 12b)失效时，备用电压VBACKUP已经可用。
然而，在仅一个制动器ECU(例如，制动器ECU 12a)以紧急运行工作、并且另外该发电机13a不能生成电压VCC1的情况下，也没有备用电压可用。为了解决这个问题，控制电路C1(或者制动器ECU 12a中的其它部件)可以通知其它本地制动器ECU中的一个或多个本地制动器ECU。如所提及的，这种“紧急呼叫”可以例如通过备用供电线路16被传输至另一本地制动器ECU。当例如在这样的情况下制动器ECU 12b从制动器ECU 12a接收到这样的紧急呼叫时，该制动器ECU可以接通晶体管T2，并且由此将内部供电电压VCC2作为备用供电电压VBACKUP输出，并且通过备用供电线路16提供给制动器ECU12a。即使发电机13a不能提供电压，制动器ECU 12a也保持可运行。在至中央ECU 15的连接失效或不可用的情况下，替代通过数据和控制线路17的正常通信，通过备用供电线路16传输紧急呼叫。在正常运行中，本地ECU 12a-d能够通过中央ECU 15彼此通信。
图5所示的两个本地制动器ECU 12a和12b例如属于车辆的前车桥上的车轮10a和10b。应理解的是，属于在车辆的后车桥上的车轮10c和10d的本地制动器ECU 12c和12d能够以与制动器ECU 12a和12b相同的方式连接。在另外的实施例中，备用供电线路连接车辆的所有四个(或者必要时多个)本地制动器ECU。此外，车辆和挂车的制动器可以利用共用的备用能量供应而耦联至制动系统。

Claims (17)

1.一种制动系统，所述制动系统具有以下项：
两个或更多个车轮(10a、10b、10c、10d)，所述车轮分别与电制动器(11a、11b、11c、11d)耦联；
用于所述制动器(11a、11b、11c、11d)中的每个制动器的本地控制单元(12a、12b、12c、12d)，其中所述控制单元(12a、12b、12c、12d)被构造成根据控制信号来操控相应的制动器(11a、11b、11c、11d)；
中央制动控制单元(15)，所述中央制动控制单元被构造成产生用于所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)的所述控制信号；以及
用于所述车轮中的每个车轮的发电机(13a、13b、13c、13d)，其中所述发电机(13a、13b、13c、13d)与相应的车轮(10a、10b、10c、10d)耦联，并且所述发电机被构造成至少为相应的车轮(10a、10b、10c、10d)的制动器(11a、11b、11c、11d)的本地控制单元(12a、12b、12c、12d)提供替代能量供应。
2.根据权利要求1所述的制动系统，
其中所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)中的每个本地控制单元均具有用于主能量供应的供电端子。
3.根据权利要求1或2所述的制动系统，
其中所述发电机(13a、13b、13c、13d)中的每个发电机与相应车轮(10a、10b、10c、10d)的制动器(11a、11b、11c、11d)的本地控制单元(12a、12b、12c、12d)电连接，以便在所述主能量供应不可用的情况下为相应的所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)提供所述替代能量供应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制动系统，
其中与所述车轮(10a、10b、10c、10d)中的第一车轮(10a)耦联的所述发电机(13a)能够与所述车轮(10a、10b、10c、10d)中的第二车轮(10b)的制动器(11b)的本地控制单元(12b)电连接，以便在所述主能量供应不可用的情况下为所述第二车轮(11b)的制动器(11b)的本地控制单元(12b)提供备用能量供应。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制动系统，所述制动系统还包括：
两个或更多个备用供电线路(16a、16b、16c、16d)，其中每个车轮(10a、10b、10c、10d)的每个发电机(13a、13b、13c、13d)以及相应的所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)与所述备用供电线路(16a、16b、16c、16d)中的一个备用供电线路连接，以及
开关单元(SW12、SW13、SW14、SW23、SW24、SW34)，所述开关单元被构造成连接所述备用供电线路(16a、16b、16c、16d)中的两个或更多个备用供电线路。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制动系统，
其中所述制动系统包括四个车轮、四个制动器、四个发电机和四个本地控制单元。
7.一种用于操控车轮(10a、10b、10c、10d)的机电制动器(11a、11b、11c、11d)的控制单元(12a、12b、12c、12d)，其中所述控制单元具有以下项：
用于主能量供应的第一端子；
用于与所述车轮(10a、10b、10c、10d)耦联的发电机(13a、13b、13c、13d)的第二端子，所述第二端子为所述控制单元(12a、12b、12c、12d)提供替代能量供应。
8.根据权利要求7所述的控制单元，所述控制单元还具有：
供电节点(N1、N2)，所述供电节点与所述第二端子耦联；以及
开关元件(D1、D2)，所述开关元件将所述第一端子与所述供电节点(N1、N2)连接。
9.根据权利要求8所述的控制单元，所述控制单元还具有：
用于连接备用供电线路(16)的第三端子，以及
电子开关(T1)，所述电子开关被构造成将所述供电节点(N1、N2)与所述第三端子连接。
10.根据权利要求9所述的控制单元，所述控制单元还具有：
控制电路(C1、C2)，所述控制电路被构造成，当所述第一端子上的所述主能量供应不可用时，接通所述电子开关(T1)。
11.根据权利要求10所述的控制单元，
其中所述控制电路(C1、C2)被构造成，当所述第一端子上的所述主能量供应不可用并且在所述第三端子上没有备用能量供应可用时，发送紧急呼叫信号。
12.根据权利要求11所述的控制单元，
其中所述紧急呼叫信号在所述第三端子上被输出、并且通过所述备用供电线路(16)传输给其它的控制单元。
13.一种制动设备，所述制动设备包括以下项：
车轮(10a、10b、10c、10d)；
机电制动器(11a、11b、11c、11d)；
与所述车轮(10a、10b、10c、10d)耦联的发电机(13a、13b、13c、13d)；以及
根据权利要求7至12中任一项所述的控制单元(12a、12b、12c、12d)。
14.一种运行制动系统的方法，所述制动系统包括
两个或更多个车轮(10a、10b、10c、10d)，所述车轮分别与电制动器(11a、11b、11c、11d)耦联；用于所述制动器(11a、11b、11c、11d)中的每个制动器的本地控制单元(12a、12b、12c、12d)，其中所述控制单元(12a、12b、12c、12d)被构造成根据控制信号来操控相应的制动器(11a、11b、11c、11d)；中央制动控制单元(15)，所述中央制动控制单元被构造成产生用于所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)的所述控制信号；以及用于所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)的主能量供应；
其中所述方法包括：
借助于发电机(13a、13b、13c、13d)为所述制动器(11a、11b、11c、11d)的所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)提供替代能量供应，其中每个发电机与所述车轮(10a、10b、10c、10d)中的一个车轮耦联、并且每个发电机至少为相应的所述车轮(10a、10b、10c、10d)的所述制动器(11a、11b、11c、11d)的所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)提供所述替代能量供应。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：
检测所述主能量供应不可用于所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)中的一个或多个本地控制单元的情况；并且当在所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)中的一个本地控制单元中所述主能量供应不可用时；
将一个或多个本地控制单元(12a、12b、12c、12d)的所述替代能量供应与备用供电线路耦联。
16.根据权利要求14或15所述的方法，所述方法还包括：
当在所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)中的第一本地控制单元中所述主能量供应不可用时，从所述第一本地控制单元(12a、12b、12c、12d)向所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)中的至少一个其它的本地控制单元传输紧急呼叫信号。
17.根据权利要求14或15所述的方法，所述方法还包括：
当在所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)中的第一本地控制单元中所述主能量供应不可用、并且通过相应的所述发电机(13a、13b、13c、13d)的所述替代能量供应不可用时，从所述第一本地控制单元(12a、12b、12c、12d)向所述本地控制单元(12a、12b、12c、12d)中的至少一个其它的本地控制单元传输紧急呼叫信号。
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