CN107719132A - 一种电动汽车制动能量回收效率的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车制动能量回收效率的评价方法,该方法通过制动强度判断是否开启再生制动,当电动汽车工作在再生制动时,利用电动汽车制动初始速度确定电动汽车总制动能量。根据可回收制动能量以及能量流动过程,给出综合考虑制动控制环节效率、机械传动部分效率、电机发电效率以及电池充电效率的制动能量回收效率评价指标。通过对电机制动转矩、转速以及电池组荷电状态对能量回收效率的测试分析,对电机电池联合效率进行曲线拟合,并建立能量回收综合效率模型,制动能量回收综合效率反映了电动汽车对总制动能量回收利用效率。本发明反映了制动能量回收对提高整车能效的作用,为提高和改善电动汽车的制动能量回收效率提供了有效的方法。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车制动能量回收技术领域,更具体地说,涉及一种电动汽车制动能量回收效率的评价方法。
背景技术
电动汽车与传统燃油汽车的一个最重要区别就是电动汽车可以实现制动能量回收,回收一部分传统燃油汽车在制动过程中损失的能量,从而提高电动汽车的续驶里程。电动汽车下坡时,将车辆的制动、减速能量回收储存起来,等到上坡时再释放使用,这样不但可以节省能源,还可以减少使用成本。在城市交通中,由于需要频繁的加速和减速,制动能量回收同样具有显著的经济价值。
电动汽车制动过程中,除空气阻力和行驶阻力消耗的惯性能量外,总是希望最大限度的使用再生制动以回收尽可能多的制动能量,然而电机参与制动受到许多因素的影响,因此所能回收的能量也受到多方面的限制。另外,电动汽车上只有驱动轮的制动能量可以沿着与之相连接的驱动轴传送到电机,经过电机转换成电能储存到电池中,另一部分制动能量将被车轮上的摩擦制动以热能的形式消耗掉。除此之外,在制动能量回收过程中,能量传递环节和能量存储***的各部件也会导致能量损失。由此可见,电动汽车制动能量回收过程是一个复杂的动态过程,影响制动能量回收效率的因素很多,各影响因素之间相互制约。如何在众多的影响因素中选择具有决定作用的因素进行评价,并对制动能量回收***进行优化,是提高电动汽车制动能量回收***效率的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,针对电动汽车制动能量回收过程中的能效问题,根据可回收制动能量以及能量流动过程,提出综合考虑制动控制环节、机械传动部分、电机电池联合效率多方面因素的制动能量回收效率评价指标,实现制动能量回收的最大化,最大程度地提高电动汽车的能量利用率。
本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是:
一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,包括以下步骤:
(1)通过制动强度判断是否开启再生制动,当电动汽车工作在再生制动时,进入步骤(2);否则进入非再生制动;
(2)利用电动汽车制动初始速度,并依据整备质量确定电动汽车总制动能量;
(3)由总制动能量得到可回收制动能量,并根据能量流动过程给出制动控制环节效率、机械传动部分效率、电机发电效率以及电池充电效率;
(4)通过对电机制动转矩、转速以及电池组荷电状态(SOC)对能量回收效率的测试分析,综合电机发电效率和电池充电效率获得电机电池联合效率;
(5)获取步骤3)及步骤4)数据信息,建立电动汽车制动能量回收综合效率模型,对电动汽车制动能量回收效率进行综合评价。
所述的步骤(1)中,当电动汽车总制动强度不超过0.7时,开启电机再生制动,其余情况则不开启再生制动;且所述再生制动过程中,再生制动力占总制动力的比例越多,则再生制动功率越大,制动过程结束时存储在电池中的能量越多;当所述的电动汽车工作处于再生制动时,由电机提供一部分甚至全部的制动力,在保证汽车制动安全性的同时回收一部分制动能量存储在电池中。
所述的电动汽车总制动能量为制动初始时,电动汽车平移质量产生的动能与旋转质量产生的动能之和。
所述的电动汽车可回收制动能量由总制动能量、滚动摩擦消耗总能量以及空气阻力消耗总能量综合确定。
所述的影响可回收制动能量回收的主要因素包括行驶工况、电机、电池以及控制策略。
所述的控制策略采用串联控制策略。
所述的制动控制环节效率是指驱动轮处回收的制动能量在制动能量中的占比;所述机械传动部分效率表示制动能量由驱动轮流向储能装置的过程中传动***的平均工作效率,即电机端的机械输入能量与驱动轮输入传动***的能量之比;所述电机发电效率是制动能量由驱动轮流向电池的过程中电机及控制器的平均发电效率;所述电池充电效率是电池在充电过程中的平均充电能量效率。
所述的电机电池联合效率取决于电机的发电效率和电池的充电效率,是指首先对电机制动转矩、转速以及电池组SOC单个因素变化对能量回收效率的影响规律进行测试,然后对各因素的耦合关系进行分析,通过曲线拟合的方式得到电机和电池在不同输入条件下的联合工作效率。
所述电动汽车制动能量回收综合效率是指总制动能量中被回收并储存到电池中的那部分能量在总制动能量中所占的比例;所述的电动汽车制动能量回收综合效率通过综合制动控制环节效率、机械传动部分效率以及电机电池联合效率建立的电动汽车制动能量回收综合效率模型来反映。
本发明的有益效果为:本发明依据可回收制动能量以及能量流动过程,综合考虑制动控制环节效率、机械传动部分效率、电机发电效率以及电池充电效率,提出有效的制动能量回收效率评价指标,并建立了能量回收综合效率模型。该方法考虑了行驶工况、电机、电池和控制策略因素,从而能够更全面地反映制动能量回收对提高整车能效的作用,为提高和改善电动汽车的制动能量回收效率提供了有效的方法。
附图说明
图1是本发明电动汽车制动能量回收效率评价方法的流程图;
图2是本发明电动汽车制动能量回收过程中能量损耗示意图;
图3是本发明实施例提供的车速影响因子;
图4是本发明实施例提供的电池影响因子;
图5是本发明实施例提供的能量回收联合效率。
具体实施方式
本发明电动汽车制动能量回收效率评价方法的流程如图1所示,以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,包括以下步骤:
(1)首先通过总制动强度判断是否开启再生制动,当电动汽车发生制动时,根据电动汽车整备质量M以及制动初始速度V0,确定电动汽车总制动能量,所述的电动汽车总制动能量为制动初始时,电动汽车平移质量产生的动能与旋转质量产生的动能之和。为了便于计算,一般把车辆旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力,并以系数δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后的电动汽车旋转质量换算系数。电动汽车依靠电机和电池组驱动,没有发动机组,汽车的旋转质量只考虑车轮,其他传动装置的影响都很小,通常取δ=1.04,得到电动汽车总制动能量为E0=0.52MV0 2。
(2)通过制动强度判断是否开启再生制动,当电动汽车总制动强度不超过0.7时,开启电机再生制动,其余情况则不开启再生制动;且所述再生制动过程中,再生制动力占总制动力的比例越多,则再生制动功率越大,制动过程结束时存储在蓄电池中的能量越多;当所述的电动汽车工作处于再生制动时,由电机提供一部分甚至全部的制动力,在保证汽车制动安全性的同时回收一部分制动能量存储在电池中。
(3)所述的电动汽车可回收制动能量由总制动能量、滚动摩擦消耗总能量以及空气阻力消耗总能量综合确定。
电动汽车制动过程中,作用于车轮上的驱动力合力包括滚动摩擦力、空气阻力、爬坡阻力和加速阻力。当电动汽车制动时,加速阻力为制动力。电动汽车工作在城市工况下时,爬坡阻力可忽略。因此得到可回收总能量Eb=η0η1η2η3(E0-Ef-Ew),其中,η0为制动控制环节效率,η1为机械传动部分效率,η2为电机发电效率,η3为电池充电效率,Ef为滚动摩擦消耗总能量,Ew为空气阻力消耗总能量。
(4)电动汽车制动能量回收过程中,能量传递环节和能量存储***的各部件会导致能量损失。图2是本发明电动汽车制动能量回收过程中能量损耗示意图,如图2所示,在车轮处可以获得的可回收制动能量沿着传递路线传递时一步步的损耗。经过车轮,部分能量被摩擦制动和轴承的摩擦以及克服转动惯量所消耗,传递到驱动轮的再生制动能量逐步减少,而驱动轮制动能量在后续的传递过程中被变速器和电动机所损耗一部分,同时,电机回馈的能量在能量存储***中也消耗了部分能量。从总体上看,由于机械传动效率很高且稳定,影响制动能量回收的主要因素包括行驶工况、电机、电池以及控制策略。
a)行驶工况
在制动频繁、制动强度又小的行驶工况,例如城市循环工况,这时可充分利用电机进行再生制动,因此可回收的制动能量也就越多;反之,如果制动工况不多且制动强度较大的行驶工况,为保证制动安全性,应尽可能减少再生制动,从而可回收的制动能量也就越少。
b)电机
电动汽车再生制动时电机工作在发电机状态,其转矩输出特性与电动状态下的输出特性基本相同,当电机转速高于额定转速,电机以额定功率制动,当电机转速低于额定转速,电机以额定转矩制动。电动汽车制动时,随着车速降低,电机转速降低,电枢反电动势降低,当电机转速降到500r/min,再生制动力降为0N,再生制动失效。由此,对电机再生转矩Treg进行修正Treg=λ(V)T′reg,其中,T′reg为电机额定转矩,λ(V)为车速影响因子,图3所示为本发明实施例提供的车速影响因子,其中横坐标为车速,纵坐标为车速影响因子。
c)电池
再生制动电流充入电池时,电机的制动功率不能超过电池可充电功率,起到保护电池的作用。由于整个制动过程时间很短,电池的SOC、温度和内阻可认为保持不变,电池的开路电压保持不变,整个制动过程电池可以保持最大充电功率进行充电。制动过程中,若回收能量过多会造成电池过充电,从而会大大缩短电池的循环寿命。本实施例引入电池影响因子λ(SOC)来限制回收制动能量,其中,λ(SOC)为关于SOC的非线性函数,二者的关系如图4所示,其中横坐标为电池荷电状态,纵坐标为电池影响因子。
d)控制策略
根据实际使用要求和设计意图匹配好电机和电池后,所采用的制动力控制策略已决定了回收制动能量的多少,其规定了再生制动力和机械制动力的大致分配比例关系。制动控制策略主要有并联控制策略和串联控制策略两大类,一般来讲,串联控制策略要明显高于并联控制策略。
(5)确定制动能量回收效率,其主要包括了制动控制环节效率、机械传动部分效率、电机发电效率和电池充电效率四个环节的平均效率。所述的制动控制环节效率是指驱动轮处回收的制动能量在制动能量中的占比;所述机械传动部分效率表示制动能量由驱动轮流向储能装置的过程中传动***的平均工作效率,即电机端的机械输入能量与驱动轮输入传动***的能量之比;所述电机发电效率是制动能量由驱动轮流向电池的过程中电机及控制器的平均发电效率;所述电池充电效率是电池在充电过程中的平均充电能量效率。
a)制动控制环节效率η0
制动控制环节效率是驱动轮处回收的制动能量在制动能量中的占比,其数值的大小取决于很多因素,主要包括制动能量回收控制策略、运行工况、整车动力***。
b)机械传动部分效率η1
机械传动部分效率表示制动能量由驱动轮流向储能装置的过程中传动***的平均工作效率,即电机端的机械输入能量与驱动轮输入传动***的能量之比。对于特定车辆来说,其机械传动部分效率基本上是固定的。
c)电机发电效率η2
电机发电效率是制动能量由驱动轮流向储能装置的过程中电机及控制器的平均发电效率。在制动过程中,当车速过低时不宜进行能量回收,随着电动机转速升高,能量回收效率增加,且随着转速和转矩的变化,电机发电效率也在变化。
d)电池充电效率η3
电池充电效率是电池在充电过程中的平均充电能量效率。电池的充电特性受充电电流、温度和充电时间的影响,电池端电压会随着电池SOC、充电电流的变化而变化,充电效率会随着SOC和充电电流的改变而不同。
(6)根据电机发电效率和电池充电效率确定电机电池联合效率。电池的充电电流为电机直流侧电流,电机直流侧电压为电池端电压,电机与电池两者的工作状态密切相关,综合考虑电机和电池的联合工作效率,才能真实地反映实际运行效率。
再生制动过程中,电机制动转矩、转速以及电池组SOC对能量回收效率都有影响。本实施例首先通过电动汽车动力总成性能测试试验台对单个因素变化对能量回收效率的影响规律进行测试,然后对各因素的耦合关系进行分析。试验用电动机额定功率/转速为15kw/2000(r/min);电池组容量为336v/100Ah,电池组SOC值为0.2~0.8之间。通过改变电机不同转速、转矩值,可以得到电机、电池在不同输入条件下的电机电池联合工作效率,所述的电机电池联合效率取决于电机的发电效率和电池的充电效率,是指首先对电机和电池单个因素变化对能量回收效率的影响规律进行测试,然后对各因素的耦合关系进行分析,通过改变电机不同转速、转矩值以及电池组SOC参数,并通过曲线拟合的方式得到电机和电池在不同输入条件下的联合工作效率。如图5所示为本发明实施例提供的能量回收联合效率,其中X坐标为电机转速,Y坐标为制动转矩,Z坐标为能量回收联合效率。由图5可见,电机、电池联合工作效率在50%到90%之间变化,因此在再生制动时如果控制电机电池工作在联合高效区域,将能有效地提高再生制动***的能量回收效率。
(7)制动能量回收过程中,电机电池联合效率受到电机制动转矩、转速以及电池组SOC多因素影响,而且以上因素并不是独立的,相互耦合在一起,而这些信息可基于上述(6)中的数据,通过曲线拟合的方式获得。根据电机的发电效率η2,电池的充电效率η3,得到电机电池联合工作效率为η23=η2×η3。根据对实测数据的分析,构建电机电池联合效率模型η23=f(n,T,SOC),采用三次多项式对能量回收联合效率进行曲线拟合。
(8)根据以上相关数据信息,建立电动汽车制动能量回收综合效率模型如下
所述电动汽车制动能量回收综合效率是指总制动能量中被回收并储存到电池中的那部分能量在总制动能量中所占的比例;所述的电动汽车制动能量回收综合效率通过综合制动控制环节效率、机械传动部分效率以及电机电池联合效率建立的电动汽车制动能量回收综合效率模型来反映。
由此可以看出,制动能量回收综合效率反映了电动汽车对总制动能量回收利用效率。制动能量回收效率大小主要取决于各环节平均效率以及循环工况。各环节平均效率高不一定意味着制动能量回收效率就一定很高。如果实际运行工况比较平稳,没有频繁的加减速工况,大部分驱动能量都消耗在克服滚动阻力和空气阻力方面,可供回收的制动能量就很少,因此即使各环节平均效率很高,但制动能量回收效率也不一定很高。
本实施例依据可回收制动能量以及能量流动过程,综合考虑制动控制环节效率、机械传动部分效率、电机发电效率以及电池充电效率,给出有效的制动能量回收效率评价指标,并建立了能量回收综合效率模型。该方法考虑了行驶工况、电机、电池和控制策略因素,从而能够更全面地反映制动能量回收对提高整车能效的作用,为提高和改善电动汽车的制动能量回收效率提供了有效的方法。
Claims (9)
1.一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过制动强度判断是否开启再生制动,当电动汽车工作在再生制动时,进入步骤(2);否则进入非再生制动;
(2)利用电动汽车制动初始速度,并依据整备质量确定电动汽车总制动能量;
(3)由总制动能量得到可回收制动能量,并根据能量流动过程给出制动控制环节效率、机械传动部分效率、电机发电效率以及电池充电效率;
(4)通过对电机制动转矩、转速以及电池组荷电状态对能量回收效率的测试分析,综合电机发电效率和电池充电效率获得电机电池联合效率;
(5)获取步骤3)及步骤4)数据信息,建立电动汽车制动能量回收综合效率模型,对电动汽车制动能量回收效率进行综合评价。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,所述的步骤(1)中,当电动汽车总制动强度不超过0.7时,开启电机再生制动,其余情况则不开启再生制动;且所述再生制动过程中,再生制动力占总制动力的比例越多,则再生制动功率越大,制动过程结束时存储在电池中的能量越多;当所述的电动汽车工作处于再生制动时,由电机提供一部分甚至全部的制动力,在保证汽车制动安全性的同时回收一部分制动能量存储在电池中。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,所述的电动汽车总制动能量为制动初始时,电动汽车平移质量产生的动能与旋转质量产生的动能之和。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,所述的电动汽车可回收制动能量由总制动能量、滚动摩擦消耗总能量以及空气阻力消耗总能量综合确定。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,所述的影响可回收制动能量回收的主要因素包括行驶工况、电机、电池以及控制策略。
6.根据权利要求1或5所述的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,所述的控制策略采用串联控制策略。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,所述的制动控制环节效率是指驱动轮处回收的制动能量在制动能量中的占比;所述机械传动部分效率表示制动能量由驱动轮流向储能装置的过程中传动***的平均工作效率,即电机端的机械输入能量与驱动轮输入传动***的能量之比;所述电机发电效率是制动能量由驱动轮流向电池的过程中电机及控制器的平均发电效率;所述电池充电效率是电池在充电过程中的平均充电能量效率。
8.根据权利要求1所述的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,所述的电机电池联合效率取决于电机的发电效率和电池的充电效率,是指首先对电机制动转矩、转速以及电池组SOC单个因素变化对能量回收效率的影响规律进行测试,然后对各因素的耦合关系进行分析,通过曲线拟合的方式得到电机和电池在不同输入条件下的联合工作效率。
9.根据权利要求1所述的一种电动汽车制动能量回收效率评价方法,其特征在于,所述电动汽车制动能量回收综合效率是指总制动能量中被回收并储存到电池中的那部分能量在总制动能量中所占的比例;所述的电动汽车制动能量回收综合效率通过综合制动控制环节效率、机械传动部分效率以及电机电池联合效率建立的电动汽车制动能量回收综合效率模型来反映。
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