CN105172771A - 一种汽车电、液复合线控制动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车电、液复合线控制动系统及其控制方法，属于汽车制动系统技术领域。系统，包括四个电液复合制动器、CAN总线和综合控制单元，电液复合制动器安装在汽车的轮边，并通过CAN总线与综合控制器相连，电液复合制动器中的电机直接与车轮相连，并驱动液压制动系统中的液压泵。方法：非制动时，电机带动液压泵产生制动时所需的高压油，制动时，电机施加一个反向力矩作用于车轮上产生电制动力，同时高压油作用于液压缸上产生液压制动力来弥补电制动的迟滞，制动力在电制动与液压制动之间的分配关系由综合控制器通过CAN总线进行实时控制，若车速低于门限值或电池组SOC高于门限值，则关闭电制动系统，由液压制动系统单独进行制动。

Description

一种汽车电、液复合线控制动系统及其控制方法

技术领域

本发明属于汽车制动系统技术领域，特别是涉及了一种汽车电、液复合线控制动系统及其控制方法。

背景技术

近年来随着通信、控制技术的发展和车辆传动系统的集成化的需求，线控技术(X-by-wire)已经引起了人们的重视，例如线控转向技术已经成功应用在部分车型中。采用线控技术，可以有效节省传动系统的布置空间，通过总线连接来实现更为灵活、精准的控制，也有益于实现诸多车载控制系统的综合化、集成化，是汽车控制技术的一个发展趋势。

汽车制动系统对于汽车的安全性、稳定性有着十分重要的影响，目前，国外已有一些机构(例如福特汽车公司)开始着手线控制动技术的研发。如果可以将线控技术应用在汽车制动系统中，对于简化制动系统的复杂程度、提高控制精度、实现汽车的轻量化等都有着十分重要的意义，然而，与驾驶员直接控制的传统液压制动系统相比，线控制动技术普遍存在的一个问题是，用来产生制动油压的液压泵和用于驱动液压泵的电机，都不可避免地存在机械迟滞。

另一方面，在制动过程中，有大量的能量通过热能的形式耗散，如何在制动过程中实现能量回收也一直是近年来制动技术研究的热点。采用电制动，可以有效地实现能量回收，然而电制动存在自身的弊端，一方面，电制动是通过电机输出反向力矩来施加制动力，因此电制动在启动之初也存在明显的电机机械迟滞问题，另一方面，电机在转速过高时所能产生的制动力十分有限，而转速过低时又不容易实现稳定的制动效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种汽车电、液复合线控制动系统及其控制方法。本发明包含电制动与液压制动两种制动方式，具有制动能量回收的功能，其中电制动与液压制动不是简单的并存，而是相互耦合，协同工作，由电制动中的电机驱动液压泵产生液压制动所需的高压油，由液压制动来弥补电制动的迟滞并提高制动稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种汽车电、液复合线控制动系统，包括四个电液复合制动器及综合控制器，所述四个电液复合制动器分别安装在汽车的四个车轮的轮边，四个电液复合制动器的电机分别与四个车轮相连接；所述四个电液复合制动器分别通过CAN总线与综合控制器相连接，驾驶员踏板信号、车速反馈信号、电机制动力反馈信号及电池组SOC信号分别与综合控制器相连接。

所述电液复合制动器包括电机、电磁离合器、液压泵、溢流阀、高压蓄能器、压力继电器、液压缸、第一单向阀、第二单向阀、减压阀、进液电磁阀及出液电磁阀，所述电机与液压泵的控制端之间通过电磁离合器相连接；液压泵的进油口与储油箱相连接，出油口经第一单向阀后一路与溢流阀的进油口相连接，另一路分别与高压蓄能器、减压阀的进油口及压力继电器的进油口相连接；所述溢流阀的出油口、压力继电器的出油口及减压阀的泄油口分别与储油箱相连接；减压阀的出油口与进液电磁阀的进油口相连接，进液电磁阀的出油口一路与出液电磁阀的进油口相连接，另一路与液压缸相连接；出液电磁阀的出油口经第二单向阀与储油箱相连接，所述液压缸与车辆的制动盘相连接。

所述进液电磁阀和出液电磁阀均为二位二通电磁换向阀，其中进液电磁阀为常闭式，出液电磁阀为常开式。

所述的汽车电、液复合线控制动系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：车辆启动后，电机带动液压泵产生高压油，所获得的高压油存储在高压蓄能器中；

步骤二：当高压蓄能器的油压达到门限值之后，触发压力继电器产生电信号，该电信号作为控制信号发送给电磁离合器，使电磁离合器断开，切断液压泵与电机之间的连接；

步骤三：当车辆制动时，驾驶员通过制动踏板产生一个驾驶员踏板信号，该控制信号发送至综合控制单元的综合控制器；

步骤四：综合控制器根据驾驶员踏板信号及状态反馈信号来实时地确定每一个车轮所需的制动力，并确定该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系；

步骤五：综合控制器将步骤四中确定的每一个车轮所需的制动力以及该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系作为控制指令发送至CAN总线；

步骤六：四个车轮的电液复合制动器分别从CAN总线上获得各自的控制指令；

步骤七：四个电液复合制动器根据控制指令调节各自的电机力矩，使电机直接施加一个反向力矩作用于车辆的车轮上产生电制动力；当需要液压制动力参与时，开启进液电磁阀，关闭出液电磁阀，由液压缸作用于车辆的车轮上产生液压制动力，并通过控制减压阀来调节所需的油液压力；

步骤八：在制动过程中，随着车速的降低，如果车速低于门限值则关闭电制动力，由液压制动力来进行制动；

步骤九：在制动过程结束之后，开启出液电磁阀，关闭进液电磁阀，电液复合制动器泄压；

步骤十：电液复合制动器泄压之后，如果压力继电器的进油口的压力已低于门限值，则电磁离合器重新吸合，电机再次带动液压泵产生高压油，补充高压蓄能器的油压，以备驾驶员下一次制动操作。

步骤四中所述的综合控制器根据驾驶员踏板信号及状态反馈信号来实时地确定每一个车轮所需的制动力，并确定该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系，其具体步骤如下：

步骤A：根据当前车辆所需的制动力矩以及横摆力矩确定四个车轮的制动力，计算关系如式(1)～(3)所示：

F₁₁+F₁₂+F₂₁+F₂₂＝F_brake(1)

$\frac{B}{2}\·(F_{11}-F_{12}+F_{21}-F_{22})=T_{\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

式中：F₁₁-左前轮制动力；

F₁₂-右前轮制动力；

F₂₁-左后轮制动力；

F₂₂-右后轮制动力；

F_brake-总制动力；

B-轮距；

T_ω-主动横摆力矩；

-最佳制动力分配曲线确定的前后轴制动力分配系数；

-地面附着力系数；

步骤B：确定电机的机械迟滞，

在电制动启动之初，电机存在一个机械迟滞，该机械迟滞用如下一阶系统来描述：

$T_m=\frac{1}{1+\mathrm{\τ}s}{T}_{m,com}---\left(4\right)$

式中：T_m-电机实际输出力矩；

T_m，com-电机控制器的目标力矩；

τ-通过实验确定的时间常数；

步骤C：根据制动力需求、电机制动力上限、电机迟滞特性以及电池组SOC确定制动力分配比例关系，所述制动力分配比例关系如下：

电制动为首选制动力，液压制动力则用以弥补电制动力的不足，在制动初始阶段液压制动力填补电制动力由于迟滞而造成的与目标制动力之间的差距；当电制动力不足以单独提供所需的制动力矩时，液压制动力进行补充；在车速低于门限值或电池组SOC高于门限值的情况下，关闭电制动，而由液压制动来满足所有的制动力需求。

本发明的有益效果：

1、本发明包含电制动与液压制动两种制动方式，综合了电制动和液压制动的技术优势，使用电制动实现了车辆制动过程中的制动能量回收功能；由电制动中的电机驱动液压泵产生液压制动所需的高压油，利用液压制动来弥补电制动的迟滞并提高电制动低速时的制动稳定性；

2、本发明液压制动所需的液压能来自于系统中的电机，因此不需要连接制动系统外部的动力部件；

3、基于本发明的线控制动系统，本发明的控制方法通过电制动与液压制动之间的分配控制，实现最大的能量回收效果，并考虑了制动时的电机迟滞和稳定性问题。

附图说明

图1为本发明的汽车电、液复合线控制动系统的整体结构示意图；

图2为本发明的电液复合制动器的液压原理图；

图中：1-电机，2-电磁离合器，3-液压泵，4-第一单向阀，5-溢流阀，6-高压蓄能器，7-减压阀，8-进液电磁阀，9-出液电磁阀，10-第二单向阀，11-储油箱，12-压力继电器，13-液压缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种汽车电、液复合线控制动系统，包括四个电液复合制动器及综合控制器，所述四个电液复合制动器分别为第一电液复合制动器、第二电液复合制动器、第三电液复合制动器及第四电液复合制动器；所述四个电液复合制动器分别安装在汽车的四个车轮的轮边，四个电液复合制动器的电机1分别与四个车轮相连接；所述四个电液复合制动器分别通过CAN总线与综合控制器相连接，通过CAN总线与综合控制器进行通讯，实现线控制动的功能；驾驶员踏板信号、车速反馈信号、电机制动力反馈信号及电池组SOC信号分别与综合控制器相连接。

如图2所示，所述电液复合制动器包括电机1、可控的电磁离合器2、液压泵3、溢流阀5、高压蓄能器6、压力继电器12、液压缸13、第一单向阀4、第二单向阀10、减压阀7、进液电磁阀8及出液电磁阀9，所述电机1与液压泵3的控制端之间通过电磁离合器2相连接；液压泵3的进油口与储油箱11相连接，出油口经第一单向阀4后一路与溢流阀5的进油口相连接，另一路分别与高压蓄能器6、减压阀7的进油口及压力继电器12的进油口相连接；所述溢流阀5的出油口、压力继电器12的出油口及减压阀7的泄油口分别与储油箱11相连接；减压阀7的出油口与进液电磁阀8的进油口相连接，进液电磁阀8的出油口一路与出液电磁阀9的进油口相连接，另一路与液压缸13相连接；出液电磁阀9的出油口经第二单向阀10与储油箱11相连接，所述液压缸13与车辆的制动盘相连接。所述进液电磁阀8和出液电磁阀9均为二位二通电磁换向阀，其中进液电磁阀8为常闭式，出液电磁阀9为常开式。

本发明的汽车电、液复合线控制动系统含有电制动与液压制动两种制动方式，两种制动方式相互配合工作，实现车辆的制动。其中电制动通过一个直接施加在车轮上的负力矩作为制动力矩，可以实现能量回收的功能，而液压制动则通过对制动盘施加压力来发挥制动力；电制动与液压制动的分配比例，由综合控制单元根据电机制动力反馈信号、电池组SOC信号以及车速反馈信号进行动态调节。

所述的电制动的执行机构是电机，对于电动汽车或混合动力汽车而言，该电机在车辆非制动状态下，可以用于驱动车辆行驶，在制动时则兼做制动电机；而对于普通内燃机汽车，该电机不参与车辆的驱动，而用作专门的制动电机。

所述的液压制动通过液压泵3产生高压油，用于驱动液压执行机构对车轮的制动盘产生制动力。其中，液压泵3由制动电机驱动，因此不需要制动系统以外的动力部件参与；在不需要液压制动工作的情况下，液压泵3产生的高压油存储在高压蓄能器6中；液压制动的过程中由减压阀7、进液电磁阀8和出液电磁阀9进行控制。

所述的综合控制单元包含一套分层制动控制方法，在顶层控制策略中主要考虑四个车轮制动力的分配，使其满足制动稳定性的要求；在底层控制策略中主要考虑电制动与液压制动的分配关系，在保证车辆制动稳定性的前提下，充分发挥电制动的能量回收优势。

所述的顶层控制策略，通过独立控制四个车轮的制动力，提高车辆的行驶稳定性，不仅考虑前后轮制动力分配对制动时的方向稳定性的影响，同时考虑左右制动力分配对横摆力矩的影响。

所述的底层控制策略，在分配液压制动力与电制动力的比例关系时，充分考虑电池组的SOC状态，并利用液压制动来弥补电制动的机械迟滞问题，在制动作用初期，使用液压制动力来填补电机迟滞所带来的制动力不足，而在电制动力可以满足制动要求之后，控制进液电磁阀8和出液电磁阀9动作退出液压制动力，最大化能量回收效果；当车速较低时，退出电制动而使用液压制动实现更稳定的控制效果。

所述的汽车电、液复合线控制动系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：车辆启动后，电机1带动液压泵3产生高压油，所获得的高压油存储在高压蓄能器6中；

步骤二：当高压蓄能器6的油压达到门限值之后，触发压力继电器12产生电信号，该电信号作为控制信号发送给电磁离合器2，使电磁离合器2断开，切断液压泵3与电机1之间的连接，在非制动状态下，电磁离合器2处于闭合状态；

步骤三：当车辆制动时，驾驶员通过制动踏板产生一个驾驶员踏板信号，该控制信号发送至综合控制单元的综合控制器；

步骤四：综合控制器根据驾驶员踏板信号及状态反馈信号来实时地确定每一个车轮所需的制动力，并确定该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系，所述状态反馈信号包括车速反馈信号、电机制动力反馈信号及电池组SOC(StateofCharge)信号；

步骤五：综合控制器将步骤四中确定的每一个车轮所需的制动力以及该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系作为控制指令发送至CAN总线；

步骤六：四个车轮的电液复合制动器分别从CAN总线上获得各自的控制指令；

步骤七：四个电液复合制动器根据控制指令调节各自的电机力矩，使电机1直接施加一个反向力矩作用于车辆的车轮上产生电制动力，即可产生电制动，电制动过程中电机1可以视为一个被车轮拖动的发电机，在这个过程中车辆的动能由电机1转化为电能存储在汽车的电池组中；当需要液压制动力参与时，开启进液电磁阀8，关闭出液电磁阀9，由液压缸13作用于车辆的车轮上产生液压制动力，并通过控制减压阀7来调节所需的油液压力；

步骤八：在制动过程中，随着车速的降低，如果车速低于门限值则关闭电制动力，由液压制动力来进行制动；

步骤九：在制动过程结束之后，开启出液电磁阀9，关闭进液电磁阀8，电液复合制动器泄压；

步骤十：电液复合制动器泄压之后，如果压力继电器12的进油口的压力已低于门限值，则电磁离合器2重新吸合，电机1再次带动液压泵3产生高压油，补充高压蓄能器6的油压，以备驾驶员下一次制动操作。

步骤四中所述的综合控制器根据驾驶员踏板信号及状态反馈信号来实时地确定每一个车轮所需的制动力，并确定该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系，其具体步骤如下：

步骤A：进行线控制动的控制时需要兼顾车辆制动稳定性、能量回收效果以及电池的工作状态等，在顶层控制策略中，主要根据当前车辆所需的制动力矩以及横摆力矩确定四个车轮的制动力，计算关系如式(1)～(3)所示：

F₁₁+F₁₂+F₂₁+F₂₂＝F_brake(1)

$\frac{B}{2}\·(F_{11}-F_{12}+F_{21}-F_{22})=T_{\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

式中：F₁₁-左前轮制动力；

F₁₂-右前轮制动力；

F₂₁-左后轮制动力；

F₂₂-右后轮制动力；

F_brake-总制动力；

B-轮距；

T_ω-主动横摆力矩；

-最佳制动力分配曲线确定的前后轴制动力分配系数；

-地面附着力系数；

步骤B：确定电机的机械迟滞，在顶层控制策略确定了四个车轮的制动力需求之后，底层控制策略的设计是为了确保制动力在电制动与液压制动之间合理地分配，在电制动启动之初，电机存在一个机械迟滞，该机械迟滞可以用如下一阶系统来描述：

$T_m=\frac{1}{1+\mathrm{\τ}s}{T}_{m,com}---\left(4\right)$

式中：T_m-电机实际输出力矩；

T_m，com-电机控制器的目标力矩；

τ-通过实验确定的时间常数；

步骤C：根据制动力需求、电机制动力上限、电机迟滞特性以及电池组SOC确定制动力分配比例关系，所述制动力分配比例关系如下：

为了尽可能地发挥能量回收功能，电制动为首选制动力，液压制动力则用以弥补电制动力的不足，在制动初始阶段液压制动力填补电制动力由于迟滞而造成的与目标制动力之间的差距；另一方面，当电制动力不足以单独提供所需的制动力矩时，液压制动力进行补充；在车速较低时，由于电制动的原理是提供一个反向的作用力矩，因此为了实现稳定的停车制动效果，在车速低于门限值或电池组SOC高于门限值的情况下，关闭电制动，而由液压制动来满足所有的制动力需求。

Claims (5)

1.一种汽车电、液复合线控制动系统，其特征在于包括四个电液复合制动器及综合控制器，所述四个电液复合制动器分别安装在汽车的四个车轮的轮边，四个电液复合制动器的电机分别与四个车轮相连接；所述四个电液复合制动器分别通过CAN总线与综合控制器相连接，驾驶员踏板信号、车速反馈信号、电机制动力反馈信号及电池组SOC信号分别与综合控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的汽车电、液复合线控制动系统，其特征在于所述电液复合制动器包括电机、电磁离合器、液压泵、溢流阀、高压蓄能器、压力继电器、液压缸、第一单向阀、第二单向阀、减压阀、进液电磁阀及出液电磁阀，所述电机与液压泵的控制端之间通过电磁离合器相连接；液压泵的进油口与储油箱相连接，出油口经第一单向阀后一路与溢流阀的进油口相连接，另一路分别与高压蓄能器、减压阀的进油口及压力继电器的进油口相连接；所述溢流阀的出油口、压力继电器的出油口及减压阀的泄油口分别与储油箱相连接；减压阀的出油口与进液电磁阀的进油口相连接，进液电磁阀的出油口一路与出液电磁阀的进油口相连接，另一路与液压缸相连接；出液电磁阀的出油口经第二单向阀与储油箱相连接，所述液压缸与车辆的制动盘相连接。

3.根据权利要求2所述的汽车电、液复合线控制动系统，其特征在于所述进液电磁阀和出液电磁阀均为二位二通电磁换向阀，其中进液电磁阀为常闭式，出液电磁阀为常开式。

4.权利要求1所述的汽车电、液复合线控制动系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：车辆启动后，电机带动液压泵产生高压油，所获得的高压油存储在高压蓄能器中；

步骤二：当高压蓄能器的油压达到门限值之后，触发压力继电器产生电信号，该电信号作为控制信号发送给电磁离合器，使电磁离合器断开，切断液压泵与电机之间的连接；

步骤三：当车辆制动时，驾驶员通过制动踏板产生一个驾驶员踏板信号，该控制信号发送至综合控制单元的综合控制器；

步骤四：综合控制器根据驾驶员踏板信号及状态反馈信号来实时地确定每一个车轮所需的制动力，并确定该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系；

步骤五：综合控制器将步骤四中确定的每一个车轮所需的制动力以及该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系作为控制指令发送至CAN总线；

步骤六：四个车轮的电液复合制动器分别从CAN总线上获得各自的控制指令；

步骤七：四个电液复合制动器根据控制指令调节各自的电机力矩，使电机直接施加一个反向力矩作用于车辆的车轮上产生电制动力；当需要液压制动力参与时，开启进液电磁阀，关闭出液电磁阀，由液压缸作用于车辆的车轮上产生液压制动力，并通过控制减压阀来调节所需的油液压力；

步骤八：在制动过程中，随着车速的降低，如果车速低于门限值则关闭电制动力，由液压制动力来进行制动；

步骤九：在制动过程结束之后，开启出液电磁阀，关闭进液电磁阀，电液复合制动器泄压；

步骤十：电液复合制动器泄压之后，如果压力继电器的进油口的压力已低于门限值，则电磁离合器重新吸合，电机再次带动液压泵产生高压油，补充高压蓄能器的油压，以备驾驶员下一次制动操作。

5.根据权利要求4所述的汽车电、液复合线控制动系统的控制方法，其特征在于步骤四中所述的综合控制器根据驾驶员踏板信号及状态反馈信号来实时地确定每一个车轮所需的制动力，并确定该制动力在电制动与液压制动之间的分配比例关系，其具体步骤如下：

步骤A：根据当前车辆所需的制动力矩以及横摆力矩确定四个车轮的制动力，计算关系如式(1)～(3)所示：

F₁₁+F₁₂+F₂₁+F₂₂＝F_brake(1)

$\frac{B}{2}\·(F_{11}-F_{12}+F_{21}-F_{22})=T_{\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

式中：F₁₁-左前轮制动力；

F₁₂-右前轮制动力；

F₂₁-左后轮制动力；

F₂₂-右后轮制动力；

F_brake-总制动力；

B-轮距；

T_ω-主动横摆力矩；

-最佳制动力分配曲线确定的前后轴制动力分配系数；

-地面附着力系数；

步骤B：确定电机的机械迟滞，

在电制动启动之初，电机存在一个机械迟滞，该机械迟滞用如下一阶系统来描述：

$T_m=\frac{1}{1+\mathrm{\τ}s}{T}_{m,com}---\left(4\right)$

式中：T_m-电机实际输出力矩；

T_m，com-电机控制器的目标力矩；

τ-通过实验确定的时间常数；

步骤C：根据制动力需求、电机制动力上限、电机迟滞特性以及电池组SOC确定制动力分配比例关系，所述制动力分配比例关系如下：

电制动为首选制动力，液压制动力则用以弥补电制动力的不足，在制动初始阶段液压制动力填补电制动力由于迟滞而造成的与目标制动力之间的差距；当电制动力不足以单独提供所需的制动力矩时，液压制动力进行补充；在车速低于门限值或电池组SOC高于门限值的情况下，关闭电制动，而由液压制动来满足所有的制动力需求。