CN207942930U - 基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器及系统 - Google Patents

基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器及系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器及系统，该钳盘式制动器包括制动盘和制动钳，所述制动钳上设置有制动块安装部，所述制动块安装部上设置有制动块，所述制动块安装部与制动块之间还设置有压电材料层。该系统包括电动机、蓄电池、钳盘式制动器、第一AC/DC转换器、第二AC/DC转换器，所述电动机用于驱动车轮旋转并可实现再生制动；所述电动机的电流输出端依次与第一AC/DC转换器、蓄电池电连接；所述钳盘式制动器的压电材料层的电流输出端依次与第二AC/DC转换器、蓄电池电连接。本实用新型采用压电陶瓷进行制动能量回收，对汽车制动系统无不良影响，在低速时也能够提供所需制动力。

Description

基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器及系统
技术领域
本实用新型涉及一种电动汽车制动能量回收装置，特别是指一种基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器及系统。
背景技术
随着汽车产量的迅速增加，汽车耗油量占全部石油产量的份额越来越大，面对日益紧张的燃油，人们已经逐渐将汽车的动力系统转向电能，新能源汽车因使用成本低、绿色环保等优势而备受人们的青睐。但其续航里程短，充电时间长等问题成为目前电动汽车发展的最大瓶颈。因此需要设计一种制动能量回收装置来提高电能的利用率，进而延长电动汽车的续航里程。
电动汽车的制动方式主要包括机械制动、再生制动。机械制动是利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦产生制动力矩，使车辆减速或停车，主要通过制动器实现。而再生制动是指电动汽车在刹车、下坡、滑行过程中，通过控制系统将电动机的状态变为发电机工作状态，利用发电机的电气制动产生反向力矩使车辆减速或停车，同时通过发电机回收一部分能量。
钳盘式制动器是广泛应用于轿车和轻型货车的一种制动器。它的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，称为制动盘。固定元件是工作面积不大的摩擦块与其金属背板组成的制动块，每个制动器中有2～4个，这些制动块及其促动装置都装在横跨制动盘两侧的夹钳形支架中，总称为制动钳。制动盘和制动钳共同构成了钳盘式制动器。钳盘式制动器按制动钳的结构型式可分为定钳盘式和浮钳盘式两种。
定钳盘式制动器的制动钳既不能旋转也不能沿制动盘轴向移动。制动钳内位于制动盘的两侧分别装有一个活塞，通过两侧活塞端部的制动块安装部(本实用新型中指活塞或制动钳体上安装固定制动块的部位)推动制动块压住制动盘。当驾驶员踩下制动踏板使汽车制动时，来自制动主缸的制动液被压入制动轮缸，制动轮缸的液压上升，两活塞在液压作用下移向制动盘，将制动块压靠到制动盘上，制动块夹紧制动盘，产生阻止车轮转动的摩擦力矩，实现制动。
浮钳盘式制动器的制动钳一般可以相对制动盘轴向滑动，并且只在制动盘的一侧设置制动轮缸。其制动块根据连接位置的不同分为活动制动块和固定制动块，活动制动块固定在制动轮缸活塞的制动块安装部上，而固定制动块则安装在无制动轮缸一侧的制动钳体的制动块安装部上。浮钳盘式制动器的制动钳体可沿导向销轴向滑动。制动时，活塞在液压力p1的作用下，将活动制动块推向制动盘。与此同时，作用在制动钳体上的反作用力p2推动制动钳体沿导向销向右移动，使固定在制动钳体上的固定制动块压靠到制动盘上。于是，制动盘两侧的摩擦块在p1和p2的作用下夹紧制动盘，使之在制动盘上产生与运动方向相反的制动力矩，促使汽车制动。
然而，现有的电动汽车采用机械制动时，机械能转化成热能扩散到大气中，制动能量没有得到回收利用；采用再生制动时，由于电机的扭矩特性，在低速时无法提供制动力，影响制动的安全性。
李蓬等在《轻度混合动力汽车制动能量回收控制策略研究》(汽车工程,2005,27(5):570-574)一文中公开了一种车辆制动能量回收策略，利用该能量回收策略的车辆具有两套制动系统：传统的制动系统和再生制动系统，两套制动系统单独或者同时在汽车制动时发挥作用。其主要功能是当车辆制动时由再生制动系统根据车速、制动强度、电池SOC来判断制动方式。再生制动系统将车辆制动过程中消耗的机械能转换为电能，并回收利用，可节省燃油和提高制动系统使用寿命。但该制动系统没有最大程度回收制动能量，并且由于电机的扭矩特性，在低速时无法提供制动力，没有实现能量的完全回收。
中国专利文献CN205905800U公开了一种电动车能量回收装置，旨在解决电动车低速时无法回收能量的问题，其能量回收装置加入了弹簧，在汽车低速时将冲击性的能量储存于弹簧，将持续性的能量直接转换为电能，但弹簧的瞬时响应度低，无法及时提供驾驶员所需要的制动力，另外，该装置多次加入行星齿轮，使能量传递过程中损失过多，导致能量利用效率较低。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器及系统，该制动器及系统能够在电动汽车低速行驶时回收制动能量，并提供足够的制动力。
为实现上述目的，本实用新型所设计的基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器，包括制动盘和制动钳，所述制动钳上设置有制动块安装部，所述制动块安装部上设置有制动块，所述制动块安装部与制动块之间还设置有压电材料层，压电材料层的电流输出端通过导电体引出。
可选地，该钳盘式制动器为定钳盘式，所述制动钳在制动盘的两侧均设置有至少一个制动轮缸(两侧的制动轮缸通常是连通的)；所述制动块安装部位于各制动轮缸的活塞端部。
可选地，该钳盘式制动器为浮钳盘式，所述制动钳在制动盘的一侧设置有至少一个制动轮缸，另一侧不设置制动轮缸；在制动轮缸侧，所述制动块安装部位于制动轮缸的活塞端部；在不设置制动轮缸的一侧，所述制动块安装部位于制动钳的钳体从该侧接近制动盘的部位。
优选地，所述压电材料层由具有压电特性、机械性能满足制动器设计要求的压电材料制成。所述压电材料可在压电晶体、压电陶瓷或压电聚合物中选择，其中压电晶体包括石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等；压电陶瓷包括钛酸钡、锆钛酸铅、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂、改性钛酸铅等；压电聚合物，如聚偏氟乙烯。所采用的压电材料除了满足钳盘式制动器的机械设计要求外，还要求具有较高的压电常数。
本实用新型同时提供了采用前述钳盘式制动器的基于压电材料回收电动汽车制动能量的系统，包括电动机、蓄电池、所述钳盘式制动器、第一AC/DC转换器、第二AC/DC转换器，所述电动机用于驱动车轮旋转并可实现再生制动；所述电动机的电流输出端依次与第一AC/DC转换器、蓄电池电连接；所述钳盘式制动器的压电材料层的电流输出端依次与第二AC/DC转换器、蓄电池电连接。
优选地，所述蓄电池设置有过压保护装置，防止压电材料层输出电压过高时对蓄电池造成损伤。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
1)采用压电材料进行制动能量回收，对汽车制动系统无不良影响，在低速时也能够提供所需制动力。
2)配合合适的控制策略，在汽车制动时能够实现最大程度的能量回收，在使用机械制动时，仍能进行一部分能量的回收，因而能量回收效率高。
3)不存在弹簧能量回收装置瞬时响应度差、无法及时提供制动力的问题。
4)本实用新型适用于各种电动汽车，包括但不限于纯电动汽车、混合动力电动汽车等包含电动机驱动装置的汽车。
附图说明
图1为实施例1所设计的钳盘式制动器的结构示意图。
图2为实施例2所设计的钳盘式制动器的结构示意图。
图3为实施例1、2所设计的电动汽车制动能量回收系统的结构示意图。
图4为实施例3所提供的再生制动和机械制动分配策略流程图。
其中：钳盘式制动器1，包括：制动盘1.1，制动钳1.2，制动轮缸1.3，活塞1.4，制动块安装部1.5，制动块1.6，活动制动块1.7，固定制动块1.8，压电材料层1.9，制动钳支架1.10，导向销1.11；电动机2，蓄电池3，第一AC/DC转换器4，第二AC/DC转换器5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种改进的钳盘式制动器，并提供了采用该钳盘式制动器的电动汽车制动能量回收系统。
该钳盘式制动器为定钳盘式制动器，包括制动盘1.1和制动钳1.2，制动盘1.1固定在轮毂上，制动钳1.2通过制动钳支架1.10固定在车桥上，既不能旋转也不能沿制动盘轴向移动。制动钳1.2在制动盘1.1的两侧各设置有一个制动轮缸1.3(两者连通为一体)；各制动轮缸1.3的活塞1.4端部设置有制动块安装部1.5，所述制动块安装部1.5上设置有制动块1.6，所述制动块安装部1.5与制动块1.6之间还设置(通过夹持进行固定)有压电材料层1.9，压电材料层1.9的电流输出端通过导电体(图中未画出)引出。所述压电材料层1.9由具有压电特性、机械性能满足制动器设计要求的压电材料制成，本实施例中，压电材料选择锆钛酸铅压电陶瓷。
进行机械制动时，来自制动主缸的制动液被压入制动轮缸1.3，制动轮缸1.3的液压上升，两活塞1.4在液压作用下移向制动盘1.1，将制动块1.6压靠到制动盘1.1上，制动块1.6夹紧制动盘1.1，产生阻止车轮转动的摩擦力矩，实现制动。同时，压电材料层受到压力产生形变，材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小，因此原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象；当压力撤销后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象，电荷在电路中移动实现对外部负载做功，向外输出电能。
如图3所示，该电动汽车制动能量回收系统包括电动机2、蓄电池3、所述钳盘式制动器1、第一AC/DC转换器4、第二AC/DC转换器5，所述电动机2用于驱动车轮旋转并可实现再生制动；所述电动机2的电流输出端依次与第一AC/DC转换器4、蓄电池3电连接；所述钳盘式制动器1的压电材料层1.9的电流输出端依次与第二AC/DC转换器5、蓄电池3电连接。所述蓄电池3设置有过压保护装置，防止压电材料层1.9输出电压过高时对蓄电池3造成损伤。在机械制动过程中，压电材料持续输出交流电，交流电通过AC-DC转换器变为直流后充至蓄电池，实现能量的回收利用。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了另一种改进的钳盘式制动器，并提供了采用该钳盘式制动器的电动汽车制动能量回收系统。
该钳盘式制动器为浮钳盘式制动器，包括制动盘1.1和制动钳1.2，制动盘1.1固定在轮毂上；制动钳1.2的制动钳支架1.10固定在车桥上，而制动钳1.2的钳体可沿导向销1.11相对制动盘1.1轴向滑动。所述制动钳1.2在制动盘1.1的一侧设置有一个制动轮缸1.3，另一侧不设置制动轮缸1.3；在制动轮缸1.3侧，所述制动轮缸1.3的活塞1.4端部设置有制动块安装部1.5；在不设置制动轮缸1.3的一侧，所述制动块安装部1.5位于制动钳1.2的钳体从该侧接近制动盘1.1的部位。所述制动块安装部1.5上设置有制动块1.6，其制动块1.6根据连接位置的不同分为活动制动块1.7和固定制动块1.8，活动制动块1.7固定在活塞1.4的制动块安装部1.5上，而固定制动块1.8则安装在无制动轮缸1.3一侧的制动块安装部1.5上。所述制动块安装部1.5与制动块1.6之间还设置(通过夹持进行固定)有压电材料层1.9，压电材料层1.9的电流输出端通过导电体引出。所述压电材料层1.9由具有压电特性、机械性能满足制动器设计要求的压电材料制成，本实施例中，压电材料选择改性钛酸铅压电陶瓷。
进行机械制动时，活塞1.4在液压力p1的作用下，将活动制动块1.7推向制动盘1.1。与此同时，作用在制动钳1.2的钳体上的反作用力p2推动制动钳1.2的钳体沿导向销1.11向右移动，使固定在制动钳1.2的钳体上的固定制动块1.8压靠到制动盘1.1上。于是，制动盘1.1两侧的制动块在p1和p2的作用下夹紧制动盘1.1，使之在制动盘1.1上产生与运动方向相反的制动力矩，促使汽车制动。同时，压电材料层受到压力产生形变，材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小，因此原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象；当压力撤销后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象，电荷在电路中移动实现对外部负载做功，向外输出电能。
如图3所示，该电动汽车制动能量回收系统包括电动机2、蓄电池3、所述钳盘式制动器1、第一AC/DC转换器4、第二AC/DC转换器5，所述电动机2用于驱动车轮旋转并可实现再生制动；所述电动机2的电流输出端依次与第一AC/DC转换器4、蓄电池3电连接；所述钳盘式制动器1的压电材料层1.9的电流输出端依次与第二AC/DC转换器5、蓄电池3电连接。所述蓄电池3设置有过压保护装置，防止压电材料层1.9输出电压过高时对蓄电池3造成损伤。
实施例3
本实施例提供了采用实施例1或实施例2提供的电动汽车制动能量回收系统进行制动能量回收的方法。
该方法通过机械制动和再生制动的结合提供所需的制动力。在进行机械制动时，制动液被压入钳盘式制动器1的制动轮缸1.3，在液压作用下，制动块1.6夹紧制动盘1.1，产生摩擦力矩实现制动；在此过程中，压电材料层1.9会受到压力产生形变向外输出电能，经AC/DC转换器转换成直流电后充电至蓄电池3中。在进行再生制动时，系统将电动机的状态变为发电机工作状态，利用发电机的电气制动产生反向力矩使车辆减速或停车，同时通过发电机回收一部分能量。
如图4所示，本实施例中，再生制动和机械制动按下述策略进行选择：1)通过车辆控制系统获取车速V、所需制动强度Q需，根据电动机2及车辆特性获得再生制动的临界速度Vmin和临界制动强度Q0，车速V＜Vmin时电动机2不能进行有效制动，所需制动强度Q需＞Q0时仅通过电动机2进行再生制动不能提供足够的制动力；2)若V＜Vmin，由机械制动单独提供所需制度力，此时压电材料层1.9单独进行能量回收并输出电能；3)若V≥Vmin且Q需≤Q0，由再生制动单独提供所需制度力，此时电动机2单独进行能量回收并输出电能；4)若V≥Vmin且Q需＞Q0，由再生制动和机械制动共同提供所需的制动力，此时电动机2和压电材料层1.9分别进行能量回收并输出电能；5)步骤4)中，出于安全考虑设定安全制动强度Qs，当Q＞Qs时，制动力全部由机械制动提供，此时压电材料层1.9单独进行能量回收并输出电能；6)步骤4)中，当Q0＜Q需≤Qs时，再生制动所提供的制动强度为Q0，机械制动所提供的制动强度为Q需-Q0。本实施例中，所采用的电动汽车为纯电动汽车，临界速度Vmin＝15Km/h，临界制动强度Q0＝0.2，Qs＝0.7。此外，汽车前后轮制动力的分配还应符合相关法律法规的要求。

Claims (6)

1.一种基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器，包括制动盘(1.1)和制动钳(1.2)，所述制动钳(1.2)上设置有制动块安装部(1.5)，所述制动块安装部(1.5)上设置有制动块(1.6)，其特征在于：所述制动块安装部(1.5)与制动块(1.6)之间还设置有压电材料层(1.9)，所述压电材料层(1.9)的电流输出端通过导电体引出。
2.根据权利要求1所述的基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器，其特征在于：该钳盘式制动器(1)为定钳盘式，所述制动钳(1.2)在制动盘(1.1)的两侧均设置有至少一个制动轮缸(1.3)；所述制动块安装部(1.5)位于各制动轮缸(1.3)的活塞(1.4)端部。
3.根据权利要求1所述的基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器，其特征在于：该钳盘式制动器(1)为浮钳盘式，所述制动钳(1.2)在制动盘(1.1)的一侧设置有至少一个制动轮缸(1.3)，另一侧不设置制动轮缸(1.3)；在制动轮缸(1.3)侧，所述制动块安装部(1.5)位于制动轮缸(1.3)的活塞(1.4)端部；在不设置制动轮缸(1.3)的一侧，所述制动块安装部(1.5)位于制动钳(1.2)的钳体从该侧接近制动盘(1.1)的部位。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于压电材料回收电动汽车制动能量的钳盘式制动器，其特征在于：所述压电材料层(1.9)由具有压电特性、机械性能满足制动器设计要求的压电材料制成。
5.一种采用如权利要求1～3中任一项所述的钳盘式制动器的基于压电材料回收电动汽车制动能量的系统，其特征在于：包括电动机(2)、蓄电池(3)、所述钳盘式制动器(1)、第一AC/DC转换器(4)、第二AC/DC转换器(5)，所述电动机(2)用于驱动车轮旋转并可实现再生制动；所述电动机(2)的电流输出端依次与第一AC/DC转换器(4)、蓄电池(3)电连接；所述钳盘式制动器(1)的压电材料层(1.9)的电流输出端依次与第二AC/DC转换器(5)、蓄电池(3)电连接。
6.根据权利要求5所述的基于压电材料回收电动汽车制动能量的系统，其特征在于：所述蓄电池(3)设置有过压保护装置，防止压电材料层(1.9)输出电压过高时对蓄电池(3)造成损伤。
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