一种轮毂电机和小型EMB的协同制动系统和控制方法

技术领域

本发明属汽车控制技术领域，具体涉及一种轮毂电机和小型EMB的协同制动系统和控制方法。

背景技术

在智能驾驶与智能底盘发展的大趋势下，轮毂电机(IWM)+电子机械制动系统(EMB)的底盘分布式驱制动系统因其“布局灵活性、架构兼容性、控制集成性良好”的特点，有着良好的应用前景并且逐渐成为企业和高校的研究热点，但是对于乘用车而言，轮边空间有限，尤其当使用轮毂电机作为驱动电机时，轮边尺寸更紧张，因此若仍然按传统液压系统的制动能力设计EMB结构，EMB尺寸会很大，这大大增加布置难度和散热风险，尤其前轮需要尺寸更大甚至导致无法布置，并且EMB制动所消耗的动量完全以摩擦热形式耗散掉无法进行回收，同时EMB自身工作还需要额外耗散能量，因此如果可以尽可能发挥轮毂电机的制动潜力，充分回收制动能量，并且尽可能承担本来由EMB耗散的能量来实现车辆制动，就可以减小EMB的尺寸，在满足轮边布置需求的同时还可以提高能量利用效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮毂电机和小型EMB的协同制动系统和控制方法，尽可能发挥轮毂电机的制动潜力，减小EMB的尺寸，实现满足轮边布置需求的同时，提高能量利用效果。

本发明的一种轮毂电机和小型EMB的协同制动系统，由轮毂电机控制系统A、小型EMB控制系统B和动力电池1组成，动力电池1为轮毂电机控制系统A和小型EMB控制系统B共有。

轮毂电机系统A由动力电池1、耗能可调电阻2、电机控制器3和轮毂电机4组成，动力电池1、耗能可调电阻2、电机控制器3和轮毂电机4自前至后顺序排列且串联连接，动力电池1经直流母线与耗能可调电阻2前端连接，耗能可调电阻2后端经直流母线与电机控制器3前端连接，电机控制器3后端经三相交流母线与轮毂电机4连接。

小型EMB控制系统B由动力电池1、小型EMB6、EMB控制器7和DC/DC转换器8组成，动力电池1、DC/DC转换器8、EMB控制器7和小型EMB6自左至右顺序排列且串联连接，动力电池1经直流母线与DC/DC转换器8左端连接，DC/DC转换器8右端经直流母线与EMB控制器7左端连接，EMB控制器7右端经三相交流母线与小型EMB6连接。轮毂电机控制系统A的轮毂电机4固接于车轮5的轮毂；小型EMB控制系统B的小型EMB6固接于车轮5的轮毂。

本发明的一种基于轮毂电机和小型EMB的协同制动的控制方法，包括下列步骤：

1)设置权利要求1所述的轮毂电机和小型EMB的协同制动系统；

2)轮毂电机控制系统A的工作模式包括电机驱动模式和电机制动模式，具体为：

2.1电机驱动模式：动力电池1通过直流母线输出高压直流电，经耗能可调电阻2流向电机控制器3，电机控制器3将两相直流电转换为三相交流电输出至轮毂电机4进行驱动转矩控制，轮毂电机4带动车轮5旋转，此时为减小输出损耗，耗能可调电阻2阻值调为0；

2.2电机制动模式：电机制动需负转矩电流，根据负转矩电流不同的来源，电机制动模式包括：电机再生制动、耗能制动和电机耗电制动，具体为：

2.2.1当处于电机再生制动时，负转矩电流来自轮毂电机4，最终流向动力电池1，此时车轮5旋转的动能带动轮毂电机4的转子转动，根据法拉第电磁定律，转子转动时定子线圈中会感应出反电动势，电机控制器3通过调整内部IGBT工作状态，使电子定子线圈产生负转矩电流实现制动，并流经耗能可调电阻2向动力电池1充电，此时为提高能量回收效果，耗能可调电阻2调为0；

2.2.2当处于耗能制动时，负转矩电流来自轮毂电机4，最终流向耗能可调电阻2，此时车轮5旋转的动能带动轮毂电机4的转子转动，根据法拉第电磁定律，转子转动时定子线圈中会感应出反电动势，电机控制器3通过调整内部IGBT工作状态，使电机定子线圈产生的反电动势加在耗能可调电阻2上，产生负转矩电流来实现制动，通过调节耗能可调电阻2的阻值，使轮毂电机4的动能全部转化为电阻耗散的热能，不过此时虽然实现了制动，但并不能将动能回收；耗能制动与电机再生制动可同时进行，从提高能量利用率的角度来说，正常情况下以电机再生制动为主；当电机再生制动无法满足制动需求时，由耗能制动进行补充，或者当无法进行电机再生制动时进行耗能制动；

2.2.3当处于电机耗电制动时，负电流来自动力电池1，此时电机控制器3通过调整内部IGBT的工作状态，使电机定子中产生负电流，从而使电机产生制动转矩来实现制动，轮毂电机4需要消耗电能才可以制动，并不能将制动能量进行回收，当电机转速过低或电池电量过满而无法对电池进行充电时进行，耗电制动无法与其他两种制动模式同时进行；

3)小型EMB控制系统B的工作模式为EMB摩擦制动：

动力电池1通过直流母线输出高压直流电，经DC/DC转换器8转换为低压直流电，并输入至EMB控制器7，EMB控制器7将两相直流电转换为三相交流电输出至小型EMB6进行制动转矩控制；

小型EMB6安装于车轮5的轮毂，为车轮5提供制动转矩实现车辆制动，因此当利用小型EMB6进行车辆制动时，需要动力电池1额外提供电能驱动小型EMB6进行工作，此外小型EMB6摩擦制动耗散能量完全无法回收。

4)判断制动模式包括下列步骤：

4.1判断车速是否小于5km/h，若是则直接进行电机耗电制动；

4.2否则继续判断当前动力电池1的SOC是否小于90％，若是则继续判断当前总需求制动力矩是否小于当前电机最大再生力矩，若小于则进行电机再生制动；

4.3否则继续判断当前轮毂电机4是否处于恒功率区，若是则继续判断当前总需求制动力矩是否小于当前电机最大再生力矩与最大耗能制动力矩之和，若是则同时进行电机再生制动和耗能制动，调节耗能可调电阻2的阻值，使轮毂电机4提供当前所能提供最大再生制动力矩，其余制动力矩由耗能制动提供；

4.4否则说明电机最大再生力矩和最大耗能制动力矩仍然无法满足制动需求，此时同时进行电机再生制动、耗能制动和EMB摩擦制动，轮毂电机4提供当前所能提供最大再生制力矩，调节耗能可调电阻2的阻值到上限，提供最大耗能制动力矩，其余需求制动力矩由EMB摩擦制动提供；耗能可调电阻2

4.5若当前电机处于恒转矩区，为保证最大能量回收效果，调节耗能电阻阻值为0，此时进行电机再生制动和EMB摩擦制动，轮毂电机4提供当前所能提供最大再生制动力矩，其余需求制动力矩由EMB摩擦制动提供；

4.6若当前动力电池1的SOC大于90％，则此时无法回收电机动能对动力电池1进行充电，即无法进行电机再生制动，继续判断当前总需求制动力矩是否小于最大耗能制动力矩，若是则直接进行耗能制动；

4.7否则同时进行耗能制动和EMB摩擦制动，调节耗能电阻阻值到上限，提供最大耗能制动力矩，其余需求制动力矩由EMB摩擦制动提供。

发明的有益效果在于：本发明能充分发挥轮毂电机的制动潜力，充分回收制动能量，并可承担原由EMB耗散的能量来实现车辆制动，能降低对EMB的制动需求，减小EMB尺寸，还能减少EMB自身的能量消耗，实现在满足轮边布置需求的同时，提高能量利用效果。

附图说明

图1是轮毂电机和小型EMB的协同制动系统的结构示意图；

图2是轮毂电机和小型EMB的协同制动控制方法的流程图；

其中：A.轮毂电机控制系统B.小型EMB控制系统1.动力电池2.能耗可调电阻3.电机控制器4.轮毂电机5.车轮6.小型EMB 7.EMB控制器8.DC/DC转换器。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明。

如图1所示，本发明的一种轮毂电机和小型EMB的协同制动系统，由轮毂电机控制系统A、小型EMB控制系统B和动力电池1组成，动力电池1为轮毂电机控制系统A和小型EMB控制系统B共有。

轮毂电机系统A由动力电池1、耗能可调电阻2、电机控制器3和轮毂电机4组成，动力电池1、耗能可调电阻2、电机控制器3和轮毂电机4自前至后顺序排列且串联连接，动力电池1经直流母线与耗能可调电阻2前端连接，耗能可调电阻2后端经直流母线与电机控制器3前端连接，电机控制器3后端经三相交流母线与轮毂电机4连接。

小型EMB控制系统B由动力电池1、小型EMB6、EMB控制器7和DC/DC转换器8组成，小型EMB控制系统B由动力电池1、小型EMB6、EMB控制器7和DC/DC转换器8组成，动力电池1、DC/DC转换器8、EMB控制器7和小型EMB6自左至右顺序排列且串联连接，动力电池1经直流母线与DC/DC转换器8左端连接，DC/DC转换器8右端经直流母线与EMB控制器7左端连接，EMB控制器7右端经三相交流母线与小型EMB6连接，轮毂电机控制系统A的轮毂电机4固接于车轮5的轮毂；小型EMB控制系统B的小型EMB6固接于车轮5的轮毂。

如图2所示，本发明的一种基于轮毂电机和小型EMB的协同制动的控制方法，能发挥轮毂电机和小型EMB协同制动系统的制动潜力，实现在保证车辆制动安全性和能量回收效果的同时减小EMB尺寸，并降低轮边布置难度的目的，包括下列步骤：

1)设置权利要求1所述的轮毂电机和小型EMB的协同制动系统；

2)轮毂电机控制系统A的工作模式包括电机驱动模式和电机制动模式，具体为：

2.1电机驱动模式：动力电池1通过直流母线输出高压直流电，经耗能可调电阻2流向电机控制器3，电机控制器3将两相直流电转换为三相交流电输出至轮毂电机4进行驱动转矩控制，轮毂电机4带动车轮5旋转，此时为减小输出损耗，耗能可调电阻2阻值调为0；

2.2电机制动模式：电机制动需负转矩电流，根据负转矩电流不同的来源，电机制动模式包括：电机再生制动、耗能制动和电机耗电制动，具体为：

2.2.1当处于电机再生制动时，负转矩电流来自轮毂电机4，最终流向动力电池1，此时车轮5旋转的动能带动轮毂电机4的转子转动，根据法拉第电磁定律，转子转动时定子线圈中会感应出反电动势，电机控制器3通过调整内部IGBT工作状态，使电子定子线圈产生负转矩电流实现制动，并流经耗能可调电阻2向动力电池1充电，此时为提高能量回收效果，耗能可调电阻2调为0；

2.2.2当处于耗能制动时，负转矩电流来自轮毂电机4，最终流向耗能可调电阻2，此时车轮5旋转的动能带动轮毂电机4的转子转动，根据法拉第电磁定律，转子转动时定子线圈中会感应出反电动势，电机控制器3通过调整内部IGBT工作状态，使电机定子线圈产生的反电动势加在耗能可调电阻2上，产生负转矩电流来实现制动，通过调节耗能可调电阻2的阻值，使轮毂电机4的动能全部转化为电阻耗散的热能，不过此时虽然实现了制动，但并不能将动能回收；耗能制动与电机再生制动可同时进行，从提高能量利用率的角度来说，正常情况下以电机再生制动为主；当电机再生制动无法满足制动需求时，由耗能制动进行补充，或者当无法进行电机再生制动时进行耗能制动；

2.2.3当处于电机耗电制动时，负电流来自动力电池1，此时电机控制器3通过调整内部IGBT的工作状态，使电机定子中产生负电流，从而使电机产生制动转矩来实现制动，轮毂电机4需要消耗电能才可以制动，并不能将制动能量进行回收，当电机转速过低或电池电量过满而无法对电池进行充电时进行，耗电制动无法与其他两种制动模式同时进行；

3)小型EMB控制系统B的工作模式为EMB摩擦制动：

动力电池1通过直流母线输出高压直流电，经DC/DC转换器8转换为低压直流电，并输入至EMB控制器7，EMB控制器7将两相直流电转换为三相交流电输出至小型EMB6进行制动转矩控制；

小型EMB6安装于车轮5的轮毂，为车轮5提供制动转矩实现车辆制动，因此当利用小型EMB6进行车辆制动时，需要动力电池1额外提供电能驱动小型EMB6进行工作，此外小型EMB6摩擦制动耗散能量完全无法回收。

轮毂电机控制系统A中利用可调节耗能电阻2实现耗能制动，其能量消耗原理与小型EMB控制系统B中利用EMB进行摩擦制动一致，均是将动能以热能形式耗散，因此耗能制动可以尽可能承担本来由EMB耗散的能量来实现车辆制动，此时EMB制动能力需求降低，可以减小EMB的尺寸，缓解轮边布置压力，此外EMB摩擦制动需要额外消耗电池电能驱动EMB进行工作，而耗能可调电阻2不需要，因此耗能制动还可以更好的提高能量利用效果，并且降低了EMB的制动需求，可以减小EMB的设计尺寸。

4)判断制动模式包括下列步骤：

4.1判断车速是否小于5km/h，若是则直接进行电机耗电制动；

原因是此时电机转速低，所产生的反电动势低，导致负转矩电流低，无法产生足够制动力矩，因此无法利用电机再生制动或耗能制动。

4.2否则继续判断当前动力电池1的SOC是否小于90％，若是则继续判断当前总需求制动力矩是否小于当前电机最大再生力矩，若小于则进行电机再生制动；

原因是此时电机再生制动有能力承担全部制动需求，优先使用电机再生制动，提高能量回收效果；

4.3否则继续判断当前轮毂电机4是否处于恒功率区，若是则继续判断当前总需求制动力矩是否小于当前电机最大再生力矩与最大耗能制动力矩之和，若是则同时进行电机再生制动和耗能制动，调节耗能可调电阻2的阻值，使轮毂电机4提供当前所能提供最大再生制动力矩，其余制动力矩由耗能制动提供；

原因是当电机处于恒功率区时，此时电机转速高，所产生反电动势大于电池充电电压，直接给电池充电会增加电池负荷甚至损坏电池，因此当需求制动力矩小于当前电机最大再生制动力矩和最大耗能制动力矩之和时，可以先通过调节耗能电阻阻值，使得一部分反电动势被耗能电阻消耗，剩余反电动势刚好满足电池充电要求，使得电机提供当前所能提供最大再生制动力矩，其余制动力矩由耗能制动提供；

4.4否则说明电机最大再生力矩和最大耗能制动力矩仍然无法满足制动需求，此时同时进行电机再生制动、耗能制动和EMB摩擦制动，轮毂电机4提供当前所能提供最大再生制力矩，调节耗能可调电阻2的阻值到上限，提供最大耗能制动力矩，其余需求制动力矩由EMB摩擦制动提供；原因是此时整车制动需求较大，以至于电机再生制动和耗能制动同时工作也无法满足需求，由EMB摩擦制动进行补充；

4.5若当前电机处于恒转矩区，为保证最大能量回收效果，调节耗能电阻阻值为0，此时进行电机再生制动和EMB摩擦制动，轮毂电机4提供当前所能提供最大再生制动力矩，其余需求制动力矩由EMB摩擦制动提供；当电机处于恒转矩区时，此时电机转速降低，所产生反电动势甚至低于电池充电电压，此时全部反电动势均用于给电池充电，无需耗能电阻额外消耗，因此为了提高能量回收效果，耗能制动不再介入，因此当需求制动力矩大于当前电机最大再生制动力矩时，进行电机再生制动和EMB摩擦制动，电机提供当前所能提供最大再生制动力矩，其余需求制动力矩由EMB摩擦制动补充；

4.6若当前动力电池1的SOC大于90％，则此时无法回收电机动能对动力电池1进行充电，即无法进行电机再生制动，继续判断当前总需求制动力矩是否小于最大耗能制动力矩，若是则直接进行耗能制动；原因是此时电池电量过高，无法继续充电，因此无法进行电机再生制动，此时对于耗能制动和电机耗电制动，优先选择耗能制动，因为耗电制动需要额外电池输出电能，会降低能量利用效果，因此当总需求制动力矩是否小于最大耗能制动力矩时，进行耗能制动；

4.7否则同时进行耗能制动和EMB摩擦制动，调节耗能电阻阻值到上限，提供最大耗能制动力矩，其余需求制动力矩由EMB摩擦制动提供；原因是此时耗能制动无法满足制动需求，由EMB摩擦制动进行补充。