CN109733368B

CN109733368B - 一种防失效的线控制动系统及其控制方法

Info

Publication number: CN109733368B
Application number: CN201910048370.5A
Authority: CN
Inventors: 王峰; 张健; 徐兴; 陶涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Anhui Xiuwu Industrial Technology Co ltd
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: CN109733368A

Abstract

本发明公开了一种防失效的线控制动系统及其控制方法，该系统包括电子控制单元、制动单元和防失效单元，其中电子控制单元接收制动踏板信号、霍尔传感器采集的电流信号，控制线控制动和触发防失效单元，制动单元用于实施制动力，完成制动过程，防失效单元是一种机械液压装置，由液压压块、摩擦块、线圈、液压制动管路与液压缸组成，当线控制动及电控失效时，快速响应，提供可靠制动力保证制动安全；防失效单元作为线控制动系统的备用制动单元，由车辆自身动能带动液压系统工作进而实现制动，制动安全性高，同时该防失效单元由机械结构触发，响应速度快，触发后间歇制动，防止制动抱死，保证紧急制动过程的安全性。

Description

一种防失效的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，尤其涉及一种防失效的线控制动系统及其控制方法。

背景技术

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。

线控制动是从真空助力器延伸开来，用一个电机来代替真空助力器推动主缸活塞。由于汽车底盘空间狭小，电机的体积必须很小，同时要有一套高效的减速装置，将电机的扭矩转换为强大的直线推力。在电机技术不够先进的1999年前，人们只得放弃这种直接推动主缸的思路，转而使用高压蓄能器。这就是奔驰的SBC、丰田的EBC系统、天合的SCB，这套系统利用电机建立液压，然后将高压刹车油储存在高压蓄能器中，需要刹车时释放。这套系统结构复杂，液压管路众多，成本高昂，可靠性不高。奔驰曾经大规模召回过SBC系统，丰田也曾经召回过EBC系统，奔驰今天已经几乎不用SBC系统；而丰田从2000年一直用到现在；通用和福特的混动车上则全部使用天合的SCB。

由于成本过高，从2007年起，EVP电子真空泵开始在电动车或混动车上取代这种高压蓄能器设计，EVP极为简单，就是将油车的真空助力换位电子真空泵获得真空。但缺点也非常明显，首先它几乎没有任何能量回收，其次，刹车时会发出刺耳的噪音。最重要，它必须人力首先踩下制动踏板，也就是说它并非线控制动，而是机械制动。

随着电机技术的发展，日立旗下的东机特工在2009年首次推出电液线控制动系统E-ACT。除丰田外，大部分日系混动或纯电车都采用这种设计，最典型的就是日产Leaf。说起来很简单，用直流无刷超高速电机配合滚珠丝杠直接推动主缸活塞达到电液线控制动，这套方案对滚珠丝杠的加工精度要求很高。传统的液压制动系统反应时间大约400-600毫秒，电液线控制动大约为120-150毫秒，安全性能大幅度提高。百公里时速刹车大约最少可缩短9米以上的距离。同时用在混动和电动车上，可以回收几乎99％的刹车摩擦能量。电液线控制动系统E-ACT是目前公认最好的制动方式，为了保证系统的可靠性，这套制动系统一般都需要加入ESP(ESC)做系统备份。

EMB与传统的制动系统有着极大的差别，其执行和控制机构需要完全的重新设计。其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、Delphi,VarityLucas、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，会造成线控制动系统失效，由于在高速制动过程中产生大量的热量这对电机稳定性提出较高要求。因此需要一套备用制动系统，提供制动力，保证制动安全。

发明内容

针对现有不足，本发明的目的是提供一种防失效的线控制动系统及其控制方法，具体是一种当电机及电控系统失效时能提供可靠制动力的线控制动系统，具有响应快速、制动力可靠的特点。

本发明系统的技术方案是：

一种防失效的线控制动系统，包括电子控制单元、制动单元和防失效单元，所述电子控制单元包括安装在电机控制器与电机之间的霍尔电流传感器，所述防失效单元为机械液压装置，当电机及电子控制单元失效时，提供制动力。

上述方案中，所述防失效单元包括液压压块、摩擦块、线圈、液压制动管路、第二液压缸及第一液压缸，线圈与电子控制单元中的BCU的输出引脚相连，线圈用于控制摩擦块，第一液压缸的活塞端与摩擦块相连，第二液压缸的活塞端与液压压块相连，两液压缸内的制动液均与液压制动管路联通。

上述方案中，所述摩擦块包括摩擦片、基座、弹簧和衔铁，基座靠近制动盘的一端安装有摩擦片，基座开槽的端部安装衔铁，弹簧一端安装在基座开槽中。

上述方案中，所述摩擦片设计成曲面。

一种防失效的线控制动系统的控制方法，判断BCU 1是否正常工作，如果正常工作，BCU检测是否接收到制动踏板信号，若未接收到，驾驶员没有制动需求，当前时刻处于状态一，下一时刻返回检测是否接收到制动踏板信号，若接收到制动踏板信号，BCU检测并判断电机的电流i的大小，若i_L≤i≤i_H，电机工作正常，判断为线控制动有效，当前时刻处于状态二，下一时刻返回检测是否接收到制动踏板信号，若i>i_H或i<i_L，电机未工作或电机工作状态异常，判断为线控制动失效，维持状态三；如果BCU工作异常，触发防失效单元，维持状态四。

进一步，所述状态一具体为：未进行线控制动，防失效单元未触发，电机不工作，制动压块不动作；线圈得电，将衔铁吸合、弹簧压缩，摩擦块不与制动盘接触，第一液压缸不压缩，第二液压缸未施加制动力。

进一步，所述状态二具体为：进行线控制动，防失效单元未触发，电机工作，实现制动。

进一步，所述状态三具体为：线控制动失效，防失效单元被触发，电机工作异常，线控制动不可靠，线圈断电，衔铁断开，压缩的弹簧推动摩擦块与制动盘接触并被其带动，第一液压缸受压，第二液压缸推动液压压块向制动压块施加制动力，实现制动。

进一步，所述状态四具体为：BCU失效，防失效单元被触发，BCU电路烧毁或供电不足，线圈断电，衔铁断开，压缩的弹簧推动摩擦块与制动盘接触并被其带动，第一液压缸受压，第二液压缸推动液压压块向制动压块施加制动力，实现制动。

本发明的有益效果：本发明适用于线控制动系统，提高了制动系统安全性、可靠性。具体为，防失效的线控制动系统具有一种机械液压装置的防失效单元，用于当线控制动及电控失效时快速响应提供可靠制动力，实现紧急制动。该防失效单元作为线控制动系统的备用制动单元，由制动盘上的凸起带动摩擦块移动进而带动液压系统工作进而实现制动，制动安全性高；该防失效单元由机械结构触发，响应速度快，触发后无需外部供电，通过机械结构将车辆自身的动能(制动盘旋转的动能)作为制动的初始能量，可靠性高；同时，由于制动盘与摩擦块为间歇性接触、传递能量，制动力也存在间歇性，可防止制动抱死保证紧急制动过程的安全性。

附图说明

图1为本发明线控制动系统的结构示意图；

图2为本发明线控制动系统的摩擦块局部放大图；

图3为本发明线控制动系统的摩擦块与制动盘位置关系图；

图4为本发明线控制动系统的摩擦块侧视图；

图5为本发明线控制动系统的液压压块侧视图；

图6为本发明线控制动系统的控制方法流程示意图；

图中，1、BCU；2、电池；3、电机控制器；4、霍尔电流传感器；5、电机；6、滚珠丝杠；7、螺母；8、制动器壳体；9、制动压块；10、制动片；11、制动盘；12、液压压块；13、摩擦块；14、线圈；15、液压制动管路；16、第二液压缸；17、第一液压缸；131、摩擦片；132、基座；133、弹簧；134、衔铁。

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1-5所示为一种防失效的线控制动系统，包括电子控制单元、制动单元和防失效单元。

电子控制单元包括BCU 1、电池2、电机控制器(MCU)3、霍尔电流传感器4，BCU1与电池2、电机控制器3与霍尔电流传感器4电气连接；BCU 1为制动控制单元(Brake ControlUnit)，用于接收制动踏板信号、霍尔传感器采集的电流信号，同时控制电机控制器3进而控制电机5工作实现线控制动；BCU 1用于判断驾驶员是否有制动的需求以及电机5是否实施制动，进而判断线控制动是否失效；BCU 1与防失效单元电气相连，BCU 1的输出引脚为防失效单元中电器元件持续供电，当判断线控制动系统失效以及BCU 1自身失效时，BCU 1的输出引脚停止向防失效单元供电，触发制动防失效单元工作；电池2为制动系统的储能元件，用于向BCU 1与电机控制器3供电，电机控制器3再将电能提供给电机5，电池2通过BCU1间接向防失效单元供电；电机控制器3为电机5提供电能，并根据BCU 1的控制指令控制电机5输出相应转速转矩，同时将电机5当前状态反馈给BCU 1；霍尔电流传感器4(Hall CurrentSensor，简称HCS)安装于电机控制器3与电机5之间，根据霍尔效应原理，采集电机5的电流信号并传递给BCU 1，电流信号由霍尔电流传感器4直接测得，作为判断电机5是否工作的非编程标准，具有较高可靠性。

制动单元由电机5、滚珠丝杠6、螺母7、制动器壳体8、制动压块9、制动片10与制动盘11组成，用于实施制动力，完成制动过程；电机5与滚珠丝杠6相连，受电机控制器3的控制，为制动单元提供制动力并调节间隙；滚珠丝杠6一端与电机5相连，另一端与螺母7相连，用于将电机5的回转运动转化为螺母7直线运动；螺母7安装在制动器壳体8中，与滚珠丝杠6配合，与制动压块9接触，将直线运动传递给制动压块9；制动压块9一端与液压压块12接触、且该端的末端与螺母7接触，另一端与制动片10相连，制动压块9安装在制动器壳体8中，用于传递制动力，进而推动制动片10实现制动；制动片10安装在制动压块9上，与制动盘11之间存在间隙，当制动时，制动片10与制动盘11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。制动盘11一侧圆周上带有间断分布的凸起(图3)，用于与防失效单元接触，将制动盘的动能传递给防失效单元，为防失效单元提供制动力的能量来源。

防失效单元是一种机械液压装置，由液压压块12、摩擦块13、线圈14、液压制动管路15、第二液压缸16与第一液压缸17组成，当电机5及电子控制单元失效时，快速响应，提供可靠制动力，保证制动安全；线圈14安装在制动器壳体8中，由BCU 1的输出引脚供电，当线控制动未失效时，线圈14处于持续供电状态，当线控制动失效时，线圈14断电进而触发防失效单元；摩擦块13安装于制动器壳体8内，受线圈14电磁力控制，当线控制动未失效时，摩擦块13被线圈14的电磁力吸引接触，同时不与制动盘11接触，留有一定的间隙，当线控制动失效时，摩擦块13不与线圈14接触，与制动盘11接触并产生滑动摩擦；当摩擦块13与制动盘11接触时，旋转的制动盘11由摩擦力带动摩擦块13移动，压缩第一液压缸17，提供初始制动力。

如图2，摩擦块13由摩擦片131、基座132、弹簧133和衔铁134组成；C字形的基座132为摩擦块13的主体，基座132安装于制动器壳体8内；基座132靠近制动盘11的一端安装有摩擦片131，用于与制动盘11摩擦提高摩擦系数进而增大摩擦力；基座132开槽的端部安装衔铁134，弹簧133一端安装在基座132开槽中，另一端与线圈14接触但不固定，安装时保证弹簧133处于压缩状态；衔铁134受线圈14电磁力控制，当线圈14通电时，衔铁134吸合，使摩擦块13与线圈14接触，弹簧133受压；当线圈14断电时，衔铁134断开，弹簧133将摩擦片131推出与制动盘11接触发生摩擦；如图3，摩擦片131为曲面设计，用于与制动盘11凸起接触时产生摩擦并被制动盘11带动，使摩擦块13在制动器壳体8内移动；摩擦片131曲面设计而不直接采用楔形设计，使摩擦块13间歇接收制动盘11的动力，带动防失效单元间歇制动，防止制动过程中出现抱死现象。

第一液压缸17安装在制动器壳体8中，如图4，活塞端与基座132相连，缸内制动液与液压制动管路15联通，由于摩擦块13被制动盘11带动移动挤压第一液压缸17，进而第一液压缸17压缩给液压制动管路15提供压力；第二液压缸16安装在制动器壳体8中，活塞端与液压压块12相连，缸内制动液与液压制动管路15联通，第二液压缸16接收液压制动管路15的压力，第二液压缸16膨胀推动液压压块12；液压制动管路15分段设置在制动器壳体8内，之间由管路连接置于制动器壳体8外；液压压块12，如图1和图5，一端与制动压块9接触，另一端与第二液压缸16相连，用于将液压制动力传递给制动压块9，使之运动实现制动。

如图6所示，一种防失效的线控制动系统的控制方法，具体控制过程如下：

步骤(1)：若BCU 1工作正常，进入步骤(2)，若BCU 1工作异常，进入步骤(7)；

步骤(2)：BCU 1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(3)；若接收到制动踏板信号，则进入步骤(4)；

步骤(3)：驾驶员没有制动需求，当前时刻处于状态一，下一时刻返回步骤(2)；

步骤(4)：驾驶员有制动需求，BCU 1检测并判断电机5的电流信号，若电机5的电流i满足i_L≤i≤i_H，进入步骤(5)；若电机5的电流i>i_H或i<i_L，进入步骤(6)；其中i_H为电机5正常工作电流的上限阈值，i_L为电机5正常工作电流的下限阈值；

步骤(5)：i_L≤i≤i_H，电机5工作正常，判断为线控制动有效，当前时刻处于状态二，下一时刻返回步骤(2)；

步骤(6)：i>i_H或i<i_L，电机5未工作或电机5工作状态异常，判断为线控制动失效，维持状态三，保证制动安全；

步骤(7)：BCU 1工作异常，系统断电触发防失效单元，维持状态四，保证制动安全；

所述状态一：未进行线控制动，防失效单元未触发，具体为，电机5不工作，制动压块9没有受到线控制动的力；BCU1的输出引脚给线圈14供电，将衔铁134吸合，弹簧133处于压缩状态，摩擦块13不与制动盘11接触，无摩擦，进而第一液压缸17不压缩，第二液压缸16未推动液压压块12向制动压块9施加制动力。

所述状态二：进行线控制动，防失效单元未触发，具体为，防失效单元不提供制动力，电机5工作，滚珠丝杠6使螺母7直线运动，制动压块9受力带动制动片10运动，制动片10与制动盘11摩擦，实现制动。

所述状态三：线控制动失效，防失效单元被触发，具体为，电机5工作异常，线控制动不可靠，为保证制动安全，BCU1的输出引脚断电，线圈14中没有电流通过，将衔铁134断开，压缩的弹簧133推动摩擦块13与制动盘11接触，与旋转的制动盘11发生摩擦并被制动盘11带动，摩擦块13移动第一液压缸17受压，第二液压缸16推动液压压块12向制动压块9施加制动力，制动压块9带动制动片10运动，制动片10与制动盘11摩擦，实现制动。

所述状态四：BCU1失效，防失效单元被触发，具体为，BCU1电路烧毁或供电不足，使BCU1的输出引脚断电，线圈14中没有电流通过，将衔铁134断开，压缩的弹簧133推动摩擦块13与制动盘11接触，与旋转的制动盘11发生摩擦并被其带动，摩擦块13移动第一液压缸17受压，第二液压缸16推动液压压块12向制动压块9施加制动力，制动压块9带动制动片10运动，制动片10与制动盘11摩擦，实现制动。

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

1.一种防失效的线控制动系统，其特征在于，包括电子控制单元、制动单元和防失效单元，所述电子控制单元包括安装在电机控制器（3）与电机（5）之间的霍尔电流传感器（4），所述防失效单元为机械液压装置，当电机（5）及电子控制单元失效时，提供制动力；所述防失效单元包括液压压块（12）、摩擦块（13）、线圈（14）、液压制动管路（15）、第二液压缸（16）及第一液压缸（17），线圈（14）与电子控制单元中的BCU（1）的输出引脚相连，线圈（14）用于控制摩擦块（13），第一液压缸（17）的活塞端与摩擦块（13）相连，第二液压缸（16）的活塞端与液压压块（12）相连，两液压缸内的制动液均与液压制动管路（15）联通。

2.根据权利要求1所述的防失效的线控制动系统，其特征在于，所述摩擦块（13）包括摩擦片（131）、基座（132）、弹簧（133）和衔铁（134），基座（132）靠近制动盘（11）的一端安装有摩擦片（131），基座（132）开槽的端部安装衔铁（134），弹簧（133）一端安装在基座（132）开槽中。

3.根据权利要求2所述的防失效的线控制动系统，其特征在于，所述摩擦片（131）设计成曲面。

4.一种根据权利要求2所述的防失效的线控制动系统的控制方法，其特征在于，判断BCU（1）是否正常工作，如果正常工作，BCU（1）检测是否接收到制动踏板信号，若未接收到，驾驶员没有制动需求，当前时刻处于状态一，下一时刻返回检测是否接收到制动踏板信号，若接收到制动踏板信号，BCU（1）检测并判断电机（5）的电流i的大小，若i _L≤ i≤ i _H，电机（5）工作正常，判断为线控制动有效，当前时刻处于状态二，下一时刻返回检测是否接收到制动踏板信号，若i>i _H或i<i _L，电机（5）未工作或电机（5）工作状态异常，判断为线控制动失效，维持状态三；如果BCU（1）工作异常，触发防失效单元，维持状态四；其中i _H为电机（5）正常工作电流的上限阈值，i _L为电机（5）正常工作电流的下限阈值；

所述状态三具体为：线控制动失效，防失效单元被触发，电机（5）工作异常，线控制动不可靠，线圈（14）断电，衔铁（134）断开，压缩的弹簧（133）推动摩擦块（13）与制动盘（11）接触并被其带动，第一液压缸（17）受压，第二液压缸（16）推动液压压块（12）向制动压块（9）施加制动力，实现制动；

所述状态四具体为：BCU（1）失效，防失效单元被触发，BCU（1）电路烧毁或供电不足，线圈（14）断电，衔铁（134）断开，压缩的弹簧（133）推动摩擦块（13）与制动盘（11）接触并被其带动，第一液压缸（17）受压，第二液压缸（16）推动液压压块（12）向制动压块（9）施加制动力，实现制动。

5.根据权利要求4防失效的线控制动系统的控制方法，其特征在于，所述状态一具体为：未进行线控制动，防失效单元未触发，电机（5）不工作，制动压块（9）不动作；线圈（14）得电，将衔铁（134）吸合、弹簧（133）压缩，摩擦块（13）不与制动盘（11）接触，第一液压缸（17）不压缩，第二液压缸（16）未施加制动力。

6.根据权利要求4防失效的线控制动系统控制方法，其特征在于，所述状态二具体为：进行线控制动，防失效单元未触发，电机（5）工作，实现制动。