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技术领域

本发明涉及一种属电动汽车再生制动技术领域的制动系统，更确切地说，本发明涉及一种用于电动汽车的复合再生制动系统。 

背景技术

电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车，包括混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车等，在这些车辆中动力输出部分是电动机或者其一部分是电动机。电动汽车的驱动电机要求具有四相限运行的能力，即要求既可以电动运行也可以发电运行。当电动汽车的驱动电机以发电模式运行时称为再生制动，即车辆减速或制动时，把汽车制动的机械能转换为电能储存到电池中的过程。根据日本本田公司研究数据，对电动汽车能量进行有效回收利用，可使汽车在市区发电工况下增加行驶里程26％左右，可见再生制动技术是电动汽车增加续驶里程的重要手段。但目前电动汽车的再生制动系统仅仅是是在传统液压制动系统基础上附加电机再生制动转矩实现，液压制动和再生制动之间只是简单的并联。这种复合制动系统导致电动机只能输出较小的制动转矩以避免干扰原液压制动系统的正常工作，使电动汽车制动能量回收率很低，未能充分发挥电动汽车自身优势。据统计，现有的再生制动系统对制动能量回收率不超过20％，大量制动能量仍通过摩擦制动器散发为热能耗散掉。原因是由于传统液压制动系统存在防止车轮制动抱死的ABSAnti-lock Braking System控制系统，电机再生制动转矩是叠加在液压制动系统的制动转矩之上的，如果这个转矩太大会引起ABS系统的误动作，影响制动安全。特别是对乘用车，由于普遍装有制动防抱死系统ABS，在中、高强度制动时，电机再生制动力矩会造成与单纯液压制动系制动相比，车轮减速度过大，会导致ABS控制器误判断汽车行驶于低附着路面而影响制动安全性。 

根据统计数据，汽车制动强度小于0.23g的轻度制动约占汽车全部制动工况的95％，而小于0.3g制动强度的制动工况约占99％以上。而用驱动电机的制动力矩使汽车产生0.3g的制动强度是不存在技术问题的。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的传统液压制动系统和电机再生制动系统的相互干涉导致制动能量的回收效率低，同时影响制动安全性的问题，提供了一种用于电动汽车的复合再生制动系统。 

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的用于电动汽车的复合再生制动系统包括有驱动电机再生制动子系统与液压制动子系 统。 

所述的液压制动子系统包括有制动踏板、连杆、制动主缸、踏板位置传感器、A制动电磁阀、B制动电磁阀、右前制动器、左前制动器、右后制动器、左后制动器、A高压蓄能器与B高压蓄能器。 

制动踏板采用连杆与制动主缸中的制动推杆右端转动连接，踏板位置传感器安装在制动踏板上，A制动电磁阀的a口和A高压蓄能器的进出液口与制动主缸的制动主缸前腔的进出油口管路连接，A制动电磁阀的b口和右前制动器与左前制动器管路连接；B制动电磁阀的a口和B高压蓄能器的进出液口与制动主缸的制动主缸后腔的进出油口管路连接，B制动电磁阀的b口和右后制动器与左后制动器管路连接。 

技术方案中所述的A制动电磁阀的b口和右前制动器与左前制动器管路连接是指：A制动电磁阀的b口和右前制动器中的右前制动轮缸的进出液口管路连接，A制动电磁阀的b口和左前制动器中的左前制动轮缸的进出液口管路连接。 

技术方案中所述的B制动电磁阀的b口和右后制动器与左后制动器管路连接是指：B制动电磁阀的b口和右后制动器中的右后制动轮缸的进出液口管路连接；B制动电磁阀的b口和左后制动器中的左后制动轮缸的进出液口管路连接。 

技术方案中所述的踏板位置传感器的输出端与驱动电机再生制动子系统中的检测模块的输入端口c电线连接，A制动电磁阀与B制动电磁阀的接线端同和驱动电机再生制动子系统中的再生制动能量控制模块的输出端口b1电线连接。 

技术方案中所述的驱动电机再生制动子系统包括有超级电容、电池组、右前驱动电机、左前驱动电机、右后驱动电机、左后驱动电机、制动控制器与驱动电机制动转矩控制模块。制动控制器与驱动电机制动转矩控制模块电线连接，制动控制器与电池组电线连接，制动控制器与超级电容电线连接，制动控制器与A制动电磁阀电线连接，制动控制器与B制动电磁阀电线连接，制动控制器分别和右前驱动电机、左前驱动电机、右后驱动电机与左后驱动电机电线连接。 

技术方案中所述的制动控制器与驱动电机制动转矩控制模块电线连接是指：制动控制器中的再生制动能量控制模块的输出端口b3与驱动电机制动转矩控制模块的输入端口a1电线连接；制动控制器与电池组电线连接是指：制动控制器中的开关电路的输出端口c与电池组电线连接，制动控制器中的检测模块的输入端口b与电池组电线连接；制动控制器与超级电容电线连接是指：制动控制器中的开关电路的输出端口b与超级电容电线连接；制动控制器与A制动电磁阀电线连接，制动控制器与B制动电磁阀电线连接是指：制动控制器中的再生制动能量控制模块的输出端口b1同和A制动电磁阀与B制动电磁阀的接线端电线连接；制动控制器分别和右前驱动电机、左前驱动电机、右后驱动电机与左后驱动电机电线连接是指：制动控制器中的再生制动能量控制模块的输入 端口a1、输入端口a2、输入端口a3与输入端口a4依次和右前驱动电机、左前驱动电机、右后驱动电机与左后驱动电机电线连接。 

技术方案中所述的制动控制器包括有开关电路、再生制动能量控制模块与检测模块。所述的再生制动能量控制模块选用型号为PIC16F877的单片机，开关电路选用型号为40系列CD4053的3路2选1模拟开关，检测模块采用型号为C2000MD16的传感器信号采集器。再生制动能量控制模块的输入端口a1与检测模块的输出端口a电线连接，再生制动能量控制模块的输出端口b2与开关电路的控制端口a电线连接。 

与现有技术相比本发明的有益效果是： 

1.本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统解决了复合制动系统中液压制动子系统和电机再生制动子系统的相互干涉的问题，并且以较低的成本、简单的系统结构实现电动汽车电动机的再生制动。 

2.本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统在再生制动能量回收线路中增加了超级电容，可以缓冲再生制动能量的回收过程。 

3.本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统可由驱动电机和制动电磁阀共同实现车轮制动防抱死，从而取消了传统液压制动系统的ABS系统，以较低的成本、简单的系统结构实现电动汽车电动机的再生制动。 

4.本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统在液压制动线路中增加了高压蓄能器，可实现液压能的存储及纯电机制动时模拟驾驶员的制动感觉。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明： 

图1为本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统结构原理示意框图； 

图2为本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统中液压制动子系统的结构及液压制动线路连接示意框图； 

图3为本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统中驱动电机再生制动子系统的结构示意框图； 

图中：1.制动踏板，2.超级电容，3.连杆，4.制动主缸，5.踏板位置传感器，6.电池组，7.A制动电磁阀，8.B制动电磁阀，9.右前制动器，10.右前驱动电机，11.左前驱动电机，12.左前制动器，13.右后制动器，14.右后驱动电机，15.左后驱动电机，16.左后制动器，17.制动控制器，18.驱动电机制动转矩控制模块，19.右前轮，20.左前轮，21.右后轮，22.左后轮，23.制动推杆，24.前制动液进液口，25.A高压蓄能器，26.B高压蓄能器，27.右前制动轮缸，28.左前制动轮缸，29.右后制动轮缸，30.左后制动轮缸，31.制动主缸前腔，32.制动主缸后腔，33.开关电路，34.再生制动能量控制模块,35.检测模块，36.后制动液进液口； 

图1、图3中零部件之间的实线代表液压路线，虚线代表电信号路线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述： 

参阅图1与图2，本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统包括液压制动子系统和驱动电机再生制动子系统。 

本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统中的液压制动子系统包括制动踏板1、连杆3、制动主缸4、踏板位置传感器5、A制动电磁阀7、B制动电磁阀8、右前制动器9、左前制动器12、右后制动器13、左后制动器16、A高压蓄能器25、B高压蓄能器26。 

所述的右前制动器9、左前制动器12、右后制动器13与左后制动器16结构相同，均采用同一种制动器，可选用传统的鼓式制动器。所述的A制动电磁阀7、B制动电磁阀8为两位两通常闭电磁阀，两个电磁阀均为高速开关电磁阀，采用PWM信号控制，一般情况下电磁阀关闭，液压制动系统不起作用。所述制动主缸4以活塞隔开为前腔和后腔两个腔。所述踏板位置传感器5用来检测制动踏板的位置信号。 

所述的A制动电磁阀7的a口与制动主缸4的制动主缸前腔31的进出油口管路连接，A制动电磁阀7的b口与右前制动器9、左前制动器12的进出油口管路连接，B制动电磁阀8的a口与制动主缸4的制动主缸后腔32的进出油口管路连接，B制动电磁阀8的b口与右后制动器13、左后制动器16的进出油口管路连接。制动踏板1处安装有踏板位置传感器5。 

参阅图2，本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统中的液压制动子系统的液压制动线路连接关系为：制动主缸前腔31的进出油口与A高压蓄能器25的进出液口以液压管路相连，A高压蓄能器25的进出液口和A制动电磁阀7的a端口管路连接，A制动电磁阀7的b端口和右前制动器9的右前制动轮缸27、左前制动器12的左前制动轮缸28的进出液口管路连接。制动主缸后腔32的进出油口与B高压蓄能器26的进出液口以液压管路相连，高压蓄能器26的进出液口和B制动电磁阀8的a端口管路连接，B制动电磁阀8的b端口和右后制动器13的右后制动轮缸29、左后制动器16的左后制动轮缸30的进出液口管路连接。 

所述A高压蓄能器25、B高压蓄能器26用来存储存电机制动时的制动液压能，同时用来模拟纯电机制动时驾驶员的制动感觉。 

参阅图3，所述的驱动电机再生制动子系统包括驱动电机制动转矩控制模块18、超级电容2、电池组6、右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14、左后驱动电机15与制动控制器17，所述的制动控制器17包括有开关电路33、再生制动能量控制模块34与检测模块35。 

所述的驱动电机制动转矩控制模块18用以实现对驱动电机制动转矩的控制，可采用单片机，可选用Microchip公司的型号为PIC16F877的单片机实现其控制功能。所述超级电容2用来缓冲再生制动时对电池组6的充电过程，其参数的确定可根据制动过程中(例如，可选择初速度为120km/h的制动过程)可回收的制动能量作为超级电容需要存储的能量参数。所述的右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15结构相同，均采用同一种电动机，可选择异步电动机(IM)、永磁无刷电动机(PMBLM)和开关磁阻电动机(SRM)与横向磁场电机(TFPM)等四类。 

所述的制动控制器17与驱动电机制动转矩控制模块18电线连接，驱动电机制动转矩控制模块18和右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14和左后驱动电机15电线连接。制动控制器17和超级电容2、电池组6电线连接。 

所述的制动控制器17包括有开关电路33、再生制动能量控制模块34与检测模块35。 

再生制动能量控制模块34用以实现驱动电机再生制动时对制动能量的回收，采用单片机(可选用Microchip公司的单片机PIC16F877)实现再生制动能量控制模块34的控制功能，再生制动能量控制模块34的输入端口a1、输入端口a2、输入端口a3、输入端口a4依次与右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14、左后驱动电机15采用电线连接，再生制动能量控制模块34的输出端口为输出端口b1、输入端口b2、输入端口b3，再生制动能量控制模块34的输出端口b1同和A制动电磁阀7与B制动电磁阀8的接线端电线连接，b1为PWM信号输出端口，该端口以PWM信号控制A制动电磁阀7、B制动电磁阀8，通过控制PWM驱动信号的占空比，调节电磁线圈中的电流来改变阀芯所受的电磁力，进而调节阀口的开启程度，实现轮缸压力的调节。再生制动能量控制模块34的输出端口b2与开关电路33的控制端口a电线连接；再生制动能量控制模块34的输出端口b3与驱动电机制动转矩控制模块18的输入端口a1电线连接。 

所述的开关电路33可选用型号为40系列CD4053的3路2选1模拟开关，开关电路33的控制端口a与再生制动能量控制模块34的输出端口b2电线连接，开关电路33的输出端口b和输出端口c依次和超级电容2与电池组6电线连接，用于控制超级电容2和电池组6的通断。 

所述的检测模块35可采用型号为C2000MD16的传感器信号采集器，检测模块35的输入端口为输入端口b和输入端口c，检测模块35的输入端口c与踏板位置传感器5输出端电线连接，采集踏板位置传感器5的传输的踏板位置信号，检测模块35的输入端口b电池组6电线连接，采集电池组6的SOC状态信号； 检测模块35的输出端口为输出端口a，输出端口a与再生制动能量控制模块34的输入端口a1电线连接，把检测模块35采集的踏板位置信号和电池组6的SOC状态信号通过输入端口a1传输给再生制动能量控制模块34。 

本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统中的液压制动子系统和驱动电机再生制动子系统的复合制动策略为： 

踏板位置传感器5是角位移传感器，踏板位置传感器5内的旋转部分与制动踏板1的转轴固定连接，踏板位置传感器5的外壳用螺栓固定在踏板底座上，当踏板位置传感器5检测到制动踏板1行程较小即为小强度制动时，A制动电磁阀7与B制动电磁阀8保持关闭，液压制动子系统不产生制动压力，汽车所需全部制动力矩由右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14、左后驱动电机15提供。 

当踏板位置传感器5检测到制动踏板1行程较大即为大强度制动时，A制动电磁阀7与B制动电磁阀8通电开启，液压制动子系统开始产生制动压力，右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14、左后驱动电机15仍产生再生制动力矩，全部制动力矩由液压制动子系统和电制动共同产生，满足大强度制动要求。若车轮出现抱死趋势，A制动电磁阀7、B制动电磁阀8断电关闭使液压制动子系统的液压制动力矩不再增加的同时减小右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14、左后驱动电机15的电制动力矩，从而使右前轮19、左前轮20、右后轮21与左后轮22的综合制动力矩减小，实现右前轮19、左前轮20、右后轮21与左后轮22的防抱死。 

当踏板位置传感器5检测到制动踏板1的行程为0(驾驶员放开制动踏板时)，A制动电磁阀7与B制动电磁阀8开启，右前制动轮缸27、左前制动轮缸28、右后制动轮缸29与左后制动轮缸30中的制动液倒流回制动主缸4，液压制动压力消失，并且此时右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15也不在产生电制动力矩，制动过程结束。 

所述的开关电路33的控制策略为：(没涉及开关电路33？) 

再生制动能量控制模块34根据检测模块35传递来的电池组6的SOC信号判断电池组6的SOC状态，根据右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15的制动转矩判断充电电流的大小，根据电池组6的SOC状态和充电电流的大小，再生制动能量控制模块34的输出端口b2实现对开关电路33的控制端口a的控制，若电池组6的SOC为满电状态或者充电电流过大，则开关电路33的控制端口a控制开关电路33选择接通开关电路的输出端口b，即接通超级电容2给超级电容2充电，再由超级电容2给电池组6充电。否则开关电路33的控制端口a控制开关电路33选择接通开关电路的输出端口c，即接通电池组6直接给电池组6充电。 

再生制动能量控制模块34的控制策略为： 

在再生制动控制模块34中预先设置一个踏板位置信号的门限值λ，当踏板位置小于门限值λ时，为小强度制动，大于λ时为大强度制动。 

若再生制动能量控制模块34根据检测模块35采集的踏板位置传感器5信号判断踏板位置小于λ即小强度制动时，则此时车轮所需制动力矩均由右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15产生，驱动电机制动转矩控制模块18根据车轮(右前轮19、左前轮20、右后轮21、左后轮22)所需制动力矩控制右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15输出所需再生制动力矩，即根据制动踏板位置线性增加右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15再生制动力矩，如当制动踏板踩下的距离为0时，输出制动力矩为0；当踩下的距离为λ时，输出制动力矩为电机所能产生最大制动力矩的80％(此比例可根据实际车辆进行调整)，即驱动电机制动转矩控制模块18按公式1控制右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15输出的再生制动力矩。 

若再生制动能量控制模块34根据检测模块35采集的踏板位置传感器5信号判断踏板位置大于λ时(大强度制动)，驱动电机制动转矩控制模块18仍控制右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15输出右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15所能产生最大制动力矩的80％，但是由于此时汽车的制动强度较大，若仅仅依靠右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15制动力矩的增加可能不足以提供给汽车所需的制动力矩，不能保证汽车制动的安全性，所以这种情况下，要在保持右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15的制动力矩不变的情况下使液压制动子系统工作，通过再生制动能量控制模块34控制A制动电磁阀7与B制动电磁阀8的PWM驱动信号的占空比，调节电磁线圈中的电流来改变阀芯所受的电磁力来调节阀口的开启程度，进而调节右前制动轮缸27、左前制动轮缸28、右后制动轮缸29与左后制动轮缸30的制动压力，为车轮(右前轮19、左前轮20、右后轮21、左后轮22)提供所需的制动力矩，此时右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15的电机再生制动力矩和液压制动子系统产生的液压制动力矩如公式2所示： 

T req = T e = kl ( 0 ≤ l ≤ λ ) T req = T e = 0 ( l = 0 ) T req = T e = 0.8 T e max ( l = λ ) - - - ( 1 ) ]]>

T e = 0.8 T e max T h = T req - T e ( l > λ ) - - - ( 2 ) ]]>

式中：T_req.汽车所需制动力矩，T_e.驱动电机的电制动力矩，T_h.液压制动子系的液压制动力矩；l.制动踏板踩下的距离，λ.制动踏板位置门限值。 

当汽车处于大强度制动工况时，由于制动力矩过大车轮(右前轮19、左前轮20、右后轮21、左后轮22)可能会出现抱死，且在纯电机再生制动时，汽车虽处于小强度制动工况，在中高附着路面不会出现车轮(右前轮19、左前轮20、右后轮21、左后轮22)抱死工况，但当在极低附着路面制动时，若右前驱动电机10、左前驱动电机11、右后驱动电机14与左后驱动电机15的再生制动转矩很大的话，也有可能出现车轮抱死。由于本发明所述的用于电动汽车的复合再生制动系统没有传统液压制动系统的ABS系统(但保留ABS系统中的驱动轮轮速传感器)，因此再生制动能量控制模块34要具有制动防抱死功能，其策略是根据检测模块35采集的四个车轮(右前轮19、左前轮20、右后轮21、左后轮22)的驱动轮轮速传感器(驱动轮轮速传感器可选用电磁感应式轮速传感器、霍尔式轮速传感器，如大众系列的型号为4B0927803和型号为4Z7927807C的轮速传感器、AD公司生产的型号为AD22157的轮速传感器)信号ω计算当前车速v及车轮加、减速度，根据车速信号及轮速信号计算制动滑移率s，计算公式如公式3。 

s = v - w · r w v × 100 % - - - ( 3 ) ]]>

若滑移率s>40％或车轮减速度>0.3g时即判定车轮具有抱死趋势，驱动电机制动转矩控制模块18以10％Tqmax的步长减小再生制动力矩，当再生制动能量控制模块34判断踏位置小于λ时，仅仅以10％Tqmax的步长减小再生制动转矩即可，若大于λ，以同样的方法减小再生制动力矩的同时，再生制动能量控制模块34控制A制动电磁阀7与B制动电磁阀8断电关闭，使液压制动子系统停止产生液压制动力矩。当滑移率s或车轮减速度未超出上述门限时，则进入正常制动模式。