TW202218908A - 電動車制動能量回收方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種電動車制動能量回收方法，包括以下步驟：步驟S11，獲取電動車的行駛參數以及設備參數；步驟S12，根據刹車時間計算出馬達制動轉矩指令，令馬達制動轉矩指令Teb**隨刹車時間計數值呈線性增長，並向馬達額定制動轉矩Te逼近；步驟S13，根據馬達轉速和電池最大充電功率計算出目標制動轉矩指令；步驟S14，根據電池SOC值、電池的溫度計算出當前制動轉矩指令。本發明的優點在於：提高了駕駛員的駕駛體驗；提高了能量回收效率；防止了長時間大電流充電對電池造成傷害，保證了電池的使用壽命。

Description

電動車制動能量回收方法
本發明關於一種電動車控制器回饋制動中的能量回收技術，具體地說是一種電動車制動能量回收方法，屬於馬達向量控制技術領域。
兩輪電動車由於具有零排放和靈活小巧的優點迅速成為人們綠色出行的不二選擇，但電池能量密度低、續駛里程不高也成為了阻礙其發展的瓶頸。能量回收技術能夠讓電動車在制動過程中，通過轉換裝置將部分制動能量以電能形式存起來，並在驅動時再次利用，從而提高能量的利用率和車輛的續駛里程。
目前，能量回收技術在兩輪電動車領域中的應用嚴重不足，現有兩輪電動車回收能量策略主要通過駕駛員操作刹車把手開關或當車輛處於自由滑行狀態時，讓馬達工作在發電狀態，從而將能量回收至儲能裝置中。但是經過研究發現，該策略的能量回收方式沒有考慮馬達特性與電池狀態，存在能量回收效率不高，動力電池使用壽命短等缺點。
本發明要解決的技術問題是提供一種能夠大幅度提高能量回收效率並延長動力電池使用壽命的電動車制動能量回收方法。
為了解決上述技術問題，本發明的電動車制動能量回收方法，包括以下步驟： 步驟S11，獲取電動車的行駛參數以及設備參數； 步驟S12，根據刹車時間計算出馬達制動轉矩指令，令馬達制動轉矩指令 T eb ** 隨刹車時間計數值呈線性增長，並向馬達額定制動轉矩 T e 逼近； 步驟S13，根據馬達轉速和電池最大充電功率計算出目標制動轉矩指令； 步驟S14，根據電池SOC值、電池的溫度計算出當前制動轉矩指令。
所述步驟S11中，行駛參數以及設備參數包括制動訊號、馬達轉速 n、當前電池SOC值、電池溫度與電池最大充電功率P chg_max。
所述馬達轉速 n的計算公式為：
Figure 02_image001
, 所述電池SOC值和電池溫度通過控制器採樣確定，反應電池的實際剩餘電量和電池工作狀態；所述電池最大充電功率P chg_max為電池標稱電壓U dc×電池最大充電電流I dc。
所述步驟S12中，制動訊號為刹車把訊號或制動按鍵訊號。
所述步驟S12中，令馬達制動轉矩指令 T eb ** 隨刹車時間計數值呈線性增長，並向馬達額定制動轉矩 T e 逼近，即：
Figure 02_image003
。
所述步驟S13的具體流程方法如下： 步驟S131，預設馬達參數：第一轉速閾值 n 1 、第二轉速閾值 n 2 以及第三轉速閾值 n 3 ，其中 n 1 ＜ n 2＜ n 3＜n max ， n max 為馬達最高轉速值； 步驟S132，判斷馬達轉速 n是否小於第一轉速閾值 n 1 ，若不小於該閾值，則執行步驟S133；若小於該閾值，馬達不進行回饋制動，此時目標制動轉矩指令 T eb * 為0； 步驟S133，判斷馬達轉 速 n是否小於第二轉速閾 值 n 2 ，若不小於該閾值，則執行步驟S134；若小於該閾值，開始進行馬達回饋制動，目標制動轉矩指令 T eb * 隨著馬達轉 速 n增大而增大； 步驟S134，判斷馬達轉速 n是否小於第三轉速閾值 n 3 ，若小於該閾值，目標制動轉矩指令 T eb * 為馬達制動轉矩指令 T eb ** ，此時馬達輸出轉矩恆定；否則目標制動轉矩指令 T eb * 隨著馬達轉速 n增大而減少，此時馬達輸出功率恆定； 步驟S135，根據電池最大充電功率 P chg_max 計算目標制動轉矩指令 T eb * ，在回饋制動過程中，馬達提供給蓄電池的實際回饋功率 P reg_chg 在電池最大充電功率 P chg_max 以內，馬達實際回饋功率 P reg_chg 為：
Figure 02_image005
在回饋制動過程中，對目標制動轉矩指令 T eb * 進行限幅，限幅後的目標制動轉矩指令 T eb * 為：
Figure 02_image007
。
所述步驟S133中，目標制動轉矩指令 T eb * 由以下公式計算得到：
Figure 02_image009
。
所述步驟S134中，目標制動轉矩指令 T eb * 由以下公式計算得到：
Figure 02_image011
。
所述步驟S14的流程操作方法如下： 步驟S141，根據電池SOC值與電池溫度 T查表，如得到電池影響因子 k soc ； 步驟S142，根據得到的電池影響因子 k soc 對目標制動轉矩指令 T eb * 進行修正，得到當前制動轉矩指令 T eb ； 步驟S143，根據當前制動轉矩指令控制馬達由當前轉矩向目標轉矩過渡。
本發明的優點在於： （1）根據刹車時間控制制動轉矩變化，使車輛在能量回收過程中不會產生明顯的制動衝擊和頓挫感，提高了駕駛員的駕駛體驗。 （2）通過結合馬達特性，根據馬達轉速調節馬達制動強度，能夠在合理範圍內最大程度發揮馬達再生制動能力，提高了能量回收效率。 （3）通過即時監測電池設備的狀態，引入電池影響因子ksoc對馬達制動強度進行修正，防止了長時間大電流充電對電池造成傷害，保證了電池的使用壽命。 （4）在整個回收系統中考慮電池因素不但保證了電池的使用壽命，同時也考慮了儲能系統在不同溫度和SOC下的充放電效率，實現效率的最大化。
下面結合圖式和具體實施方式，對本發明的電動車制動能量回收方法作進一步詳細說明，本發明的實施方式中，統一採用設能量回收使能標誌為 F 1 ，馬達的轉速為 n，第一轉速閾值為 n 1 ，第二轉速閾值為 n 2 ，第三轉速閾值為 n 3 ，馬達最高轉速值為 n max ，馬達額定制動轉矩為 T e ，馬達制動轉矩指令 T eb ** ，目標制動轉矩指令 T eb * ，當前制動轉矩指令 T eb ，電池溫度為 T，電池最大充電功率為P chg_max。 [實施例一]
請參照圖1，本實施例的電動車制動能量回收方法，具體包括以下步驟： 步驟S11：獲取制動按鍵訊號、馬達轉速、當前電池SOC、溫度及電池最大充電功率。
具體地，通過採樣獲取電動車行駛參數：包括制動按鍵訊號、馬達轉速 n、當前電池的 SOC值等，獲取設備參數：包括電池的溫度、電池最大充電功率P chg_max等，其中，制動按鍵訊號，通過控制器檢測按鍵的電平狀態確定；馬達轉速，若通過馬達霍爾感測器測速，採樣頻率為 62.5us，馬達轉速 n的計算公式為：
Figure 02_image013
其中， SixHallTimeSum為六個霍爾換相時間計數值， p為馬達的極對數，由實際馬達參數得到； 電池的SOC值和電池溫度可以通過控制器採樣確定，反應電池的實際剩餘電量和電池工作狀態；電池最大充電功率P chg_max可以描述為電池標稱電壓U dc×電池最大充電電流I dc，由動力電池特性確定。
具體地，判斷制動按鍵是否被按下，若被按下，則置起能量回收使能標誌 F 1 ，進入電子刹車(能量回收)模式，執行步驟S12操作，否則清除能量回收使能標誌 F 1 。
步驟S12：根據刹車時間計算出馬達制動轉矩指令並向馬達額定轉矩逐漸逼近。
具體地，為了與平常的刹車習慣相符合，在能量回收過程中車輛不產生明顯的制動衝擊和頓挫感，令馬達制動轉矩指令 T eb ** 隨刹車時間計數值呈線性增長，並向馬達額定制動轉矩 T e 逐漸逼近，即：
Figure 02_image003
其中， T eb ** 為馬達制動轉矩指令， K t 為指令的變化步長(需根據控制時間進行標定) , T e 為馬達額定制動轉矩，程式中對應電子刹車力度。
步驟S13：根據馬達轉速和電池最大充電功率計算出目標制動轉矩指令，具體流程圖如圖2所示。
根據馬達轉速 n計算目標制動轉矩指令T eb *，具體地，永磁同步馬達在進行制動的過程中擁有與其驅動時相似的特性曲線，因此要使馬達能夠在合理範圍內回收車輛滑行的動能，不讓駕駛者感受到由於能量回收帶來的不適感，馬達制動強度必須根據馬達轉速進行調節，即在基速以下輸出恆定的轉矩，而在基速以上輸出恆定的功率，輸出轉矩隨轉速的升高而減少，馬達轉速與目標制動轉矩關係示意圖如圖3所示。
在步驟S131中，需要預設第一轉速閾值 n 1 、第二轉速閾值 n 2 以及第三轉速閾值 n 3 ，其中 n 1 ＜ n 2＜ n 3＜n max ， n max 為馬達最高轉速值，轉速閾值需要根據馬達實際參數進行標定。
在步驟S132中，判斷馬達轉速 n是否小於第一轉速閾值 n 1 ，若不小於該閾值，則執行步驟S133；若小於該閾值，由於馬達在低速制動時，所回饋的制動能量還不超過馬達本身的銅損、鐵損及逆變器的損耗，故在低速時，基本不採用馬達回饋制動，此時目標制動轉矩指令T eb *為0。
在步驟S133中，判斷馬達轉 速 n是否小於第二轉速閾 值n 2，若不小於該閾值，則執行步驟S134；若小於該閾值，開始進行馬達回饋制動，目標制動轉矩指令T eb *隨著馬達轉 速 n增大而增大，目標制動轉矩指令 T eb * 可以由以下公式計算得到：
Figure 02_image015
其中，T eb *為目標制動轉矩指令，n為馬達的轉速，n 1為第一轉速閾值， n 2 為第二轉速閾值，T eb **為馬達制動轉矩指令。
在步驟S134中，判斷馬達轉速 n是否小於第三轉速閾值 n 3 ，若小於該閾值，目標制動轉矩指令T eb *為馬達制動轉矩指令T eb **，此時馬達輸出轉矩恆定；否則目標制動轉矩指令 T eb * 隨著馬達轉速 n增大而減少，此時馬達輸出功率恆定，目標制動轉矩指令T eb *可以由以下公式計算得到：
Figure 02_image017
其中， T eb * 為目標制動轉矩指令， n為馬達的轉速， n 3 為第三轉速閾值, T eb ** 為馬達制動轉矩指令。
在步驟S135中，根據電池最大充電功率P chg_max計算目標制動轉矩指令T eb *，具體地，由於電池的實際充電能力有限，在回饋制動過程中，馬達提供給蓄電池的實際回饋功率P reg_chg應在電池最大充電功率P chg_max以內。在考慮了馬達定子轉子電阻、銅損，熱損耗等因素損失了一部分電能後，馬達實際回饋功率P reg_chg為：
Figure 02_image005
其中， T eb * 為目標制動轉矩指令， n為馬達的轉速， η(0.7~0.9)為馬達考慮了損耗後的馬達回饋制動發電效率。
因此，在回饋制動過程中，需要對目標制動轉矩指令T eb *進行限幅，限幅後的目標制動轉矩指令 T eb * 為：
Figure 02_image019
其中， T eb * 為目標制動轉矩指令， n為馬達的轉速， η為馬達考慮了損耗後的馬達回饋制動發電效率， P chg_max 為電池最大充電功率。
步驟S14：根據電池SOC值和電池溫度計算出目標制動轉矩指令，具體流程圖如圖4所示。
具體地，在電動車進行再生制動的過程中，考慮到儲能系統使用的安全性，當蓄電池的SOC值較小時，此時可以適當增加馬達的制動力，回收更多的制動能量，而當蓄電池的SOC值較高(一般設計取SOC ＞0.9)時，表明蓄電池容量以及接近飽和，為了避免蓄電池過度充電導致其壽命縮短，此時不進行回饋制動，僅使用機械制動。一般來說蓄電池的工作溫度都有一個安全的區間，在蓄電池溫度過高或過低，都可能引起儲能系統保護，無法進行充放電，因此當檢測到蓄電池溫度在安全區間外時，應減少馬達的制動力保護電池。為了實現這些要求，需要引入電池影響因子k soc對目標制動轉矩指令T eb *進行修正。電池SOC值、電池溫度T 與電池影響因子 k soc 三維關係示意圖如圖5所示。
在步驟S141中，根據電池SOC值與電池溫度T查表，如表1 (根據電池特性不同表1資料不唯一)得到電池影響因子k so c 。特別地，當電池SOC值與電池溫度T介於兩個閾值之間時，可以做線性化處理，得到當前電池影響因子k soc，例如，電池SOC值為0.56，電池溫度 T為13℃時，當前電池影響因子k soc為0.902。 [表1 電池影響因子k soc關係表]
T(℃) SOC 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
＜0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0.43 0.43 0.43 0.43 0.43 0.43 0.43 0.43 0.21 0.21 0
10 0.86 0.86 0.86 0.86 0.86 0.86 0.86 0.86 0.43 0.21 0
20 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.50 0.29 0
25 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.50 0.29 0
30 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.50 0.29 0
40 0.86 0.86 0.86 0.86 0.86 0.86 0.86 0.86 0.43 0.21 0
50 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36 0.29 0.21 0
＞50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
在步驟S142中，根據得到的電池影響因子k soc對目標制動轉矩指令 T eb * 進行修正，得到當前制動轉矩指令T eb，T eb當前制動轉矩指令可以由以下公式計算得到：
Figure 02_image021
其中， T eb * 為目標制動轉矩指令，k soc為電池影響因子， T eb 為當前制動轉矩指令。
在步驟S143中，根據當前制動轉矩指令控制馬達由當前轉矩向目標轉矩過渡，具體地，根據步驟S142得到的當前制動轉矩指令T eb，控制馬達由當前實際轉矩向目標轉矩平穩過渡，使馬達完成能量回收工作。 [實施例二]
請參照圖6，本實施例的電動車制動能量回收方法，具體包括以下步驟。
步驟S21：獲取刹車把訊號、馬達轉速、當前電池 SOC、溫度及電池最大充電功率。
具體地，通過採樣獲取電動車行駛參數與設備參數，其中，刹車把訊號，通過控制器檢測刹車把的電平狀態確定；其餘參數上文已做詳細介紹，故這裡不做贅述。
具體地，判斷刹車把訊號是否被觸發，若被觸發，則置起能量回收使能標誌F 1，進入電子刹車(能量回收)模式，執行步驟S22操作，否則清除能量回收使能標誌 F 1 。
步驟S22：根據刹車時間計算出馬達制動轉矩指令並向馬達額定轉矩逐漸逼近，請參照第一實施例，上文已做詳細介紹，故這裡不做贅述。
步驟S23：根據馬達轉速和電池最大充電功率計算出目標制動轉矩指令，請參照第一實施例，上文已做詳細介紹，故這裡不做贅述。
步驟S24：根據電池SOC值和電池溫度計算出目標制動轉矩指令，請參照第一實施例，上文已做詳細介紹，故這裡不做贅述。
另外，本發明的電動車制動能量回收方法，可採用如圖7所示的電動車制動能量回收系統，由圖7可見，該系統包括： 獲取模組11，用於獲取電動車行駛參數：包括制動訊號(按鍵訊號或刹車把訊號)、馬達轉速n、當前電池的 SOC值等，獲取電動車設備參數：包括電池的溫度、電池最大充電功率P chg_max等參數。 判斷模組12，用於根據行駛參數與設備參數判斷是否進入電子刹車(能量回收)模式。 計算模組13，用於根據行駛參數與設備參數計算出馬達制動轉矩指令T eb **、目標制動轉矩指令T eb *、當前制動轉矩指令T eb。 控制模組14，用於控制馬達由當前實際轉矩向目標制動轉矩平穩過渡，制動轉矩不突變。
其工作原理如下： 通過獲取電動車的行駛參數以及設備參數，包括制動訊號、馬達轉速 n、當前電池的SOC值、電池的溫度與電池最大充電功率P chg_max等；根據刹車時間計算出馬達制動轉矩指令T eb **；馬達的轉速 n和電池最大充電功率P chg_max計算出馬達制動轉矩指令目標制動轉矩指令 T eb * ；根據電池SOC值和電池溫度 T計算出當前制動轉矩指令 T eb ；由當前制動轉矩指令 T eb 控制馬達由當前實際轉矩向目標轉矩過渡。
另外，根據GB/T 24157《電動摩托車和電動輕便摩托車續駛里程及殘電指示試驗方法》，續駛里程測試中的工況法進行測試，通過圖8對比可見，採用本發明的能量回收方法使得續航里程達到108.85%，電池性能也有了大幅度的提高，經過驗證可知，在進行制動回饋能量時，通過結合馬達的實際外特性(發電能力)進行控制，在馬達能力範圍內最大化的進行能量回收，提高回收的能量，效果是顯而易見的。
當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本發明的保護範圍。
11:獲取模組 12:判斷模組 13:計算模組 14:控制模組 S11~S14:步驟 S21~S24:步驟 S131~S135:步驟 S141~S143:步驟
圖1為本發明實施例一的流程圖。
圖2為本發明實施例一中步驟S13的流程圖。
圖3為本發明實施例一中馬達轉速與目標制動轉矩關係示意圖。
圖4為本發明實施例一中步驟S14的流程圖。
圖5為本發明實施例一中電池SOC值、電池溫度 T 與電池影響因子k soc三維關係示意圖。
圖6為本發明實施例二的的流程圖。
圖7為本發明中電動車制動能量回收系統框圖。
圖8顯示本發明與傳統方案的續駛里程對比圖。
S11:步驟
S12:步驟
S13:步驟
S14:步驟

Claims (9)

  1. 一種電動車制動能量回收方法，包括以下步驟： 步驟S11，獲取電動車的行駛參數以及設備參數； 步驟S12，根據刹車時間計算出馬達制動轉矩指令，令馬達制動轉矩指令 T eb ** 隨刹車時間計數值呈線性增長，並向馬達額定制動轉矩 T e 逼近； 步驟S13，根據馬達轉速和電池最大充電功率計算出目標制動轉矩指令；及 步驟S14，根據電池SOC值、電池的溫度計算出當前制動轉矩指令。
  2. 如請求項1所述之電動車制動能量回收方法，其中，所述步驟S11中，所述行駛參數以及所述設備參數包括制動訊號、馬達轉速 n、當前電池SOC值、電池溫度與電池最大充電功率P chg_max。
  3. 如請求項2所述之電動車制動能量回收方法，其中，所述馬達轉速 n的計算公式為：
    Figure 03_image023
    , 所述電池SOC值和所述電池溫度通過控制器採樣確定，反應電池的實際剩餘電量和電池工作狀態；所述電池最大充電功率P chg_max為電池標稱電壓U dc×電池最大充電電流I dc。
  4. 如請求項2所述之電動車制動能量回收方法，其中，所述步驟S12中，所述制動訊號為刹車把訊號或制動按鍵訊號。
  5. 如請求項1所述之電動車制動能量回收方法，其中，所述步驟S12中，所述令馬達制動轉矩指令 T eb ** 隨刹車時間計數值呈線性增長，並向馬達額定制動轉矩 T e 逼近，即表示為：
    Figure 03_image025
    。
  6. 如請求項1所述之電動車制動能量回收方法，其中，所述步驟S13的具體流程步驟如下： 步驟S131，預設馬達參數：第一轉速閾值 n 1 、第二轉速閾值 n 2 以及第三轉速閾值 n 3 ，其中 n 1 ＜ n 2＜ n 3＜n max ， n max 為馬達最高轉速值； 步驟S132，判斷馬達轉速 n是否小於第一轉速閾值 n 1 ，若不小於所述第一轉速閾值，則執行步驟S133；若小於所述第一轉速閾值，馬達不進行回饋制動，此時目標制動轉矩指令 T eb * 為0； 步驟S133，判斷馬達轉 速 n是否小於第二轉速閾值n 2，若不小於所述第二轉速閾值，則執行步驟S134；若小於所述第二轉速閾值，開始進行馬達回饋制動，目標制動轉矩指令 T eb * 隨著馬達轉 速 n增大而增大； 步驟S134，判斷馬達轉速 n是否小於第三轉速閾值 n 3 ，若小於所述第三轉速閾值，目標制動轉矩指令 T eb * 為馬達制動轉矩指令 T eb ** ，此時馬達輸出轉矩恆定；否則目標制動轉矩指令 T eb * 隨著馬達轉速 n增大而減少，此時馬達輸出功率恆定； 步驟S135，根據電池最大充電功率 P chg_max 計算目標制動轉矩指令 T eb * ，在回饋制動過程中，馬達提供給蓄電池的實際回饋功率 P reg_chg 在電池最大充電功率 P chg_max 以內，馬達實際回饋功率 P reg_chg 為：
    Figure 03_image027
    在回饋制動過程中，對目標制動轉矩指令 T eb * 進行限幅，限幅後的目標制動轉矩指令 T eb * 為：
    Figure 03_image029
    。
  7. 如請求項6所述之電動車制動能量回收方法，其中，所述步驟S133中，所述目標制動轉矩指令 T eb * 由以下公式計算得到：
    Figure 03_image031
    。
  8. 如請求項6所述之電動車制動能量回收方法，其中，所述步驟S134中，所述目標制動轉矩指令 T eb * 由以下公式計算得到：
    Figure 03_image033
    。
  9. 如請求項2所述之電動車制動能量回收方法，其中，所述步驟S14的流程操作步驟如下： 步驟S141，根據電池SOC值與電池溫度 T查表，如得到電池影響因子 k soc ； 步驟S142，根據得到的電池影響因子 k soc 對目標制動轉矩指令 T eb * 進行修正，得到當前制動轉矩指令 T eb ； 步驟S143，根據當前制動轉矩指令控制馬達由當前轉矩向目標轉矩過渡。
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