CN112440751A - 一种电动车制动能量回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车制动能量回收方法。它包括以下步骤：S11、获取电动车的行驶参数以及设备参数；S12、根据刹车时间计算出电机制动转矩指令，令电机制动转矩指令T_eb ^**随刹车时间计数值呈线性增长，并向电机额定制动转矩T_e逼近；S13、根据电机转速和电池最大充电功率计算出目标制动转矩指令；S14、根据电池SOC值、电池的温度计算出当前制动转矩指令。其优点在于：提高了驾驶员的驾驶体验；提高了能量回收效率；防止了长时间大电流充电对电池造成伤害，保证了电池的使用寿命。

Description

一种电动车制动能量回收方法

技术领域

本发明涉及一种电动车控制器回馈制动中的能量回收技术，具体地 说是一种电动车制动能量回收方法，属于电机矢量控制技术领域。

背景技术

两轮电动车由于具有零排放和灵活小巧的优点迅速成为人们绿色 出行的不二选择，但电池能量密度低、续驶里程不高也成为了阻碍其发 展的瓶颈。能量回收技术能够让电动车在制动过程中，通过转换装置将 部分制动能量以电能形式存起来，并在驱动时再次利用，从而提高能量 的利用率和车辆的续驶里程。

目前，能量回收技术在两轮电动车领域中的应用严重不足，现有两 轮电动车回收能量策略主要通过驾驶员操作刹车把手开关或当车辆处 于自由滑行状态时，让电机工作在发电状态，从而将能量回收至储能装 置中。但是经过研究发现，该策略的能量回收方式没有考虑电机特性与 电池状态，存在能量回收效率不高，动力电池使用寿命短等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够大幅度提高能量回收效 率并延长动力电池使用寿命的电动车制动能量回收方法。

为了解决上述技术问题，本发明的电动车制动能量回收方法，包括 以下步骤：

S11、获取电动车的行驶参数以及设备参数；

S12、根据刹车时间计算出电机制动转矩指令，令电机制动转矩指 令T_eb ^**随刹车时间计数值呈线性增长，并向电机额定制动转矩T_e逼近；

S13、根据电机转速和电池最大充电功率计算出目标制动转矩指令；

S14、根据电池SOC值、电池的温度计算出当前制动转矩指令。

所述步骤S11中，行驶参数以及设备参数包括制动信号、电机转速 n、当前电池SOC值、电池温度与电池最大充电功率P_{chg_max}。

所述电机转速n的计算公式为：

所述电池SOC值和电池温度通过控制器采 样确定，反应电池的实际剩余电量和电池工作状态；所述电池最大充电 功率P_{chg_max}为电池标称电压U_dc×电池最大充电电流I_dc。

所述步骤S12中，制动信号为刹车把信号或制动按键信号。

所述步骤S12中，令电机制动转矩指令T_eb ^**随刹车时间计数值呈线 性增长，并向电机额定制动转矩T_e逼近，即：

所述步骤S13的具体流程方法如下：

S131、预设电机参数：第一转速阈值n₁、第二转速阈值n₂以及第三 转速阈值n₃，其中n₁<n₂<n₃<n_max，n_max为电机最高转速值；

S132、判断电机转速n是否小于第一转速阈值n₁，若不小于该阈值， 则执行步骤S133；若小于该阈值，电机不进行回馈制动，此时目标制动 转矩指令T_eb ^*为0；

S133、判断电机转速n是否小于第二转速阈值n₂，若不小于该阈值， 则执行步骤S134；若小于该阈值，开始进行电机回馈制动，目标制动转 矩指令T_eb ^*随着电机转速n增大而增大；

S134、判断判断电机转速n是否小于第三转速阈值n₃，若小于该阈 值，目标制动转矩指令T_eb ^*为电机制动转矩指令T_eb ^**，此时电机输出转 矩恒定；否则目标制动转矩指令T_eb ^*随着电机转速n增大而减少，此时 电机输出功率恒定；

S135、根据电池最大充电功率P_{chg_max}计算目标制动转矩指令T_eb ^*，在 回馈制动过程中，电机提供给蓄电池的实际回馈功率P_{reg_chg}在电池最大 充电功率P_{chg_max}以内，电机实际回馈功率P_{reg_chg}为：

在回馈制动过程中，对目标制动转矩指令T_eb ^*进行限幅，限幅后的目 标制动转矩指令T_eb ^*为：

所述步骤S133中，目标制动转矩指令T_eb ^*

由以下公式计算得到：

所述步骤S134中，目标制动转矩指令T_eb ^*由以下公式计算得到：

所述步骤S14的流程操作方法如下：

S141、根据电池SOC值与电池温度T查表，如得到电池影响因子k_soc；

S142、根据得到的电池影响因子k_soc对目标制动转矩指令T_eb ^*进行 修正，得到当前制动转矩指令T_eb；

S143、根据当前制动转矩指令控制电机由当前转矩向目标转矩过 渡。

本发明的优点在于：

(1)根据刹车时间控制制动转矩变化，使车辆在能量回收过程中 不会产生明显的制动冲击和顿挫感，提高了驾驶员的驾驶体验；

(2)通过结合电机特性，根据电机转速调节电机制动强度，能够 在合理范围内最大程度发挥电机再生制动能力，提高了能量回收效率；

(3)通过实时监测电池设备的状态，引入电池影响因子ksoc对电 机制动强度进行修正，防止了长时间大电流充电对电池造成伤害，保证 了电池的使用寿命。

(4)在整个回收系统中考虑电池因素不但保证了电池的使用寿命， 同时也考虑了储能系统在不同温度和SOC下的充放电效率，实现效率的 最大化。

附图说明

图1为本发明实施例一的流程图；

图2为本发明实施例一中步骤S13的流程图；

图3为本发明实施例一中电机转速与目标制动转矩关系示意图；

图4为本发明实施例一中步骤S14的流程图；

图5为本发明实施例一中电池SOC值、电池温度T与电池影响因子 k_soc三维关系示意图；

图6为本发明实施例二的的流程图；

图7为本发明中电动车制动能量回收系统框图；

图8为本发明中续驶里程对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的电动车制动能量回收方 法作进一步详细说明，本发明的实施方式中，统一采用设能量回收使能 标志为F₁，电机的转速为n，第一转速阈值为n₁，第二转速阈值为n₂， 第三转速阈值为n₃，电机最高转速值为n_max，电机额定制动转矩为T_e， 电机制动转矩指令T_eb ^**，目标制动转矩指令T_eb ^*，当前制动转矩指令T_eb， 电池温度为T，电池最大充电功率为P_{chg_max}。

实施例一：

请参照图1，本实施例的电动车制动能量回收方法，具体包括以下 步骤：

步骤S11：获取制动按键信号、电机转速、当前电池SOC、温度及电池 最大充电功率。

具体地，通过采样获取电动车行驶参数：包括制动按键信号、电机 转速n、当前电池的SOC值等，获取设备参数：包括电池的温度、电池 最大充电功率P_{chg_max}等，其中，制动按键信号，通过控制器检测按键的 电平状态确定；电机转速，若通过电机霍尔传感器测速，采样频率为 62.5us，电机转速n的计算公式为：

其中，SixHallTimeSum为六个霍尔换相时间计数值，p为电机的极 对数，由实际电机参数得到；

电池的SOC值和电池温度可以通过控制器采样确定，反应电池的实 际剩余电量和电池工作状态；电池最大充电功率P_{chg_max}可以描述为电池 标称电压U_dc×电池最大充电电流I_dc，由动力电池特性确定。

具体地，判断制动按键是否被按下，若被按下，则置起能量回收使 能标志F₁，进入电子刹车(能量回收)模式，执行步骤S12操作，否则清 除能量回收使能标志F₁。

步骤S12：根据刹车时间计算出电机制动转矩指令并向电机额定转矩逐 渐逼近。

具体地，为了与平常的刹车习惯相符合，在能量回收过程中车辆不 产生明显的制动冲击和顿挫感，令电机制动转矩指令T_eb ^**随刹车时间计 数值呈线性增长，并向电机额定制动转矩T_e逐渐逼近，即：

其中，T_eb ^**为电机制动转矩指令，K_t为指令的变化步长(需根据控制 时间进行标定),T_e为电机额定制动转矩，程序中对应电子刹车力度。 步骤S13：根据电机转速和电池最大充电功率计算出目标制动转矩指令， 具体流程图如图2所示。

根据电机转速n计算目标制动转矩指令T_eb ^*，具体地，永磁同步电机 在进行制动的过程中拥有与其驱动时相似的特性曲线，因此要使电机能 够在合理范围内回收车辆滑行的动能，不让驾驶者感受到由于能量回收 带来的不适感，电机制动强度必须根据电机转速进行调节，即在基速以 下输出恒定的转矩，而在基速以上输出恒定的功率，输出转矩随转速的 升高而减少，电机转速与目标制动转矩关系示意图如图3所示。

在S131中，需要预设第一转速阈值n₁、第二转速阈值n₂以及第三转 速阈值n₃，其中n₁<n₂<n₃<n_max，n_max为电机最高转速值，转速阈值需要 根据电机实际参数进行标定。

在S132中，判断电机转速n是否小于第一转速阈值n₁，若不小于该 阈值，则执行S133步骤；若小于该阈值，由于电机在低速制动时，所 回馈的制动能量还不超过电机本身的铜损、铁损及逆变器的损耗，故在 低速时，基本不采用电机回馈制动，此时目标制动转矩指令T_eb ^*为0。

在S133中，判断电机转速n是否小于第二转速阈值n₂，若不小于该 阈值，则执行S134步骤；若小于该阈值，开始进行电机回馈制动，目 标制动转矩指令T_eb ^*随着电机转速n增大而增大，目标制动转矩指令T_eb ^*可以由以下公式计算得到：

其中，T_eb ^*为目标制动转矩指令，n为电机的转速，n₁为第一转速阈 值，n₂为第二转速阈值,T_eb ^**为电机制动转矩指令。

在S134中，判断判断电机转速n是否小于第三转速阈值n₃，若小于 该阈值，目标制动转矩指令T_eb ^*为电机制动转矩指令T_eb ^**，此时电机输 出转矩恒定；否则目标制动转矩指令T_eb ^*随着电机转速n增大而减少， 此时电机输出功率恒定，目标制动转矩指令T_eb ^*可以由以下公式计算得 到：

其中，T_eb ^*为目标制动转矩指令，n为电机的转速，n₃为第三转速阈 值,T_eb ^**为电机制动转矩指令。

在S135中，根据电池最大充电功率P_{chg_max}计算目标制动转矩指令 T_eb ^*，具体地，由于电池的实际充电能力有限，在回馈制动过程中，电 机提供给蓄电池的实际回馈功率P_{reg_chg}应在电池最大充电功率P_{chg_max}以 内。在考虑了电机定子转子电阻、铜损，热损耗等因素损失了一部分电 能后，电机实际回馈功率P_{reg_chg}为：

其中，T_eb ^*为目标制动转矩指令，n为电机的转速，η(0.7～0.9) 为电机考虑了损耗后的电机回馈制动发电效率。

因此，在回馈制动过程中，需要对目标制动转矩指令T_eb ^*进行限 幅，限幅后的目标制动转矩指令T_eb ^*为：

其中，T_eb ^*为目标制动转矩指令，n为电机的转速，η为电机考虑了 损耗后的电机回馈制动发电效率，P_{chg_max}为电池最大充电功率。

步骤S14：根据电池SOC值和电池温度计算出目标制动转矩指令，具体 流程图如图4所示。

具体地，在电动车进行再生制动的过程中，考虑到储能系统使用的 安全性，当蓄电池的SOC值较小时，此时可以适当增加电机的制动力， 回收更多的制动能量，而当蓄电池的SOC值较高(一般设计取SOC>0.9) 时，表明蓄电池容量以及接近饱和，为了避免蓄电池过度充电导致其寿 命缩短，此时不进行回馈制动，仅使用机械制动。一般来说蓄电池的工 作温度都有一个安全的区间，在蓄电池温度过高或过低，都可能引起储 能系统保护，无法进行充放电，因此当检测到蓄电池温度在安全区间外 时，应减少电机的制动力保护电池。为了实现这些要求，需要引入电池 影响因子k_soc对目标制动转矩指令T_eb ^*进行修正。电池SOC值、电池温 度T与电池影响因子k_soc三维关系示意图如图5所示。

在S141中，根据电池SOC值与电池温度T查表，如表1(根据电池 特性不同表1数据不唯一)得到电池影响因子k_soc。特别地，当电池SOC 值与电池温度T介于两个阈值之间时，可以做线性化处理，得到当前电 池影响因子k_soc，例如，电池SOC值为0.56，电池温度T为13℃时，当 前电池影响因子k_soc为0.902。

表1电池影响因子k_soc关系表

在S142中，根据得到的电池影响因子k_soc对目标制动转矩指令T_eb ^*进行修正，得到当前制动转矩指令T_eb，T_eb当前制动转矩指令可以由以 下公式计算得到：

其中，T_eb ^*为目标制动转矩指令，k_soc为电池影响因子，T_eb为当前制 动转矩指令。

在S143中，根据当前制动转矩指令控制电机由当前转矩向目标转矩 过渡，具体地，根据S142得到的当前制动转矩指令T_eb，控制电机由当 前实际转矩向目标转矩平稳过渡，使电机完成能量回收工作。

实施例二：

请参照图6，本实施例的电动车制动能量回收方法，具体包括以下 步骤。

步骤S21：获取刹车把信号、电机转速、当前电池SOC、温度及电池 最大充电功率。

具体地，通过采样获取电动车行驶参数与设备参数，其中，刹车把 信号，通过控制器检测刹车把的电平状态确定；其余参数上文已做详细 介绍，故这里不做赘述。

具体地，判断刹车把信号是否被触发，若被触发，则置起能量回收 使能标志F₁，进入电子刹车(能量回收)模式，执行步骤S22操作，否则 清除能量回收使能标志F₁。

步骤S22：根据刹车时间计算出电机制动转矩指令并向电机额定转 矩逐渐逼近，请参照第一实施例，上文已做详细介绍，故这里不做赘述。

步骤S23：根据电机转速和电池最大充电功率计算出目标制动转矩 指令，请参照第一实施例，上文已做详细介绍，故这里不做赘述。

步骤S24：根据电池SOC值和电池温度计算出目标制动转矩指令， 请参照第一实施例，上文已做详细介绍，故这里不做赘述。

另外，本发明的电动车制动能量回收方法，可采用如7所示的电动 车制动能量回收系统，由图7可见，该系统包括：

获取模块11，用于获取电动车行驶参数：包括制动信号(按键信号 或刹车把信号)、电机转速n、当前电池的SOC值等，获取电动车设备参 数：包括电池的温度、电池最大充电功率P_{chg_max}等参数。

判断模块12，用于根据行驶参数与设备参数判断是否进入电子刹车 (能量回收)模式。

计算模块13，用于根据行驶参数与设备参数计算出电机制动转矩指 令T_eb ^**、目标制动转矩指令T_eb ^*、当前制动转矩指令T_eb。

控制模块14，用于控制电机由当前实际转矩向目标制动转矩平稳过 渡，制动转矩不突变。

其工作原理如下：

通过获取电动车的行驶参数以及设备参数，包括制动信号、电机转 速n、当前电池的SOC值、电池的温度与电池最大充电功率P_{chg_max}等； 根据刹车时间计算出电机制动转矩指令T_eb ^**；电机的转速n和电池最大 充电功率P_{chg_max}计算出电机制动转矩指令目标制动转矩指令T_eb ^*；根据 电池SOC值和电池温度T计算出当前制动转矩指令T_eb；由当前制动转 矩指令T_eb控制电机由当前实际转矩向目标转矩过渡。

另外，根据GB/T 24157《电动摩托车和电动轻便摩托车续驶里程及 残电指示试验方法》，续驶里程测试中的工况法进行测试，通过图表对 比可见，采用本发明的能量回收方法使得续航里程达到108.85％，电池 性能也有了大幅度的提高，经过验证可知，在进行制动回馈能量时，通 过结合电机的实际外特性(发电能力)进行控制，在电机能力范围内最大化的进行能量回收，提高回收的能量，效果是显而易见的。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述 举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改 型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电动车制动能量回收方法，其特征在于,包括以下步骤：

S11、获取电动车的行驶参数以及设备参数；

S12、根据刹车时间计算出电机制动转矩指令，令电机制动转矩指令T_eb ^**随刹车时间计数值呈线性增长，并向电机额定制动转矩T_e逼近；

S13、根据电机转速和电池最大充电功率计算出目标制动转矩指令；

S14、根据电池SOC值、电池的温度计算出当前制动转矩指令。

2.按照权利要求1所述的电动车制动能量回收方法，其特征在于：所述步骤S11中，行驶参数以及设备参数包括制动信号、电机转速n、当前电池SOC值、电池温度与电池最大充电功率P_{chg_max}。

3.按照权利要求2所述的电动车制动能量回收方法，其特征在于：所述电机转速n的计算公式为：

所述电池SOC值和电池温度通过控制器采样确定，反应电池的实际剩余电量和电池工作状态；所述电池最大充电功率P_{chg_max}为电池标称电压U_dc×电池最大充电电流I_dc。

4.按照权利要求2所述的电动车制动能量回收方法，其特征在于：所述步骤S12中，制动信号为刹车把信号或制动按键信号。

5.按照权利要求1所述的电动车制动能量回收方法，其特征在于：所述步骤S12中，令电机制动转矩指令T_eb ^**随刹车时间计数值呈线性增长，并向电机额定制动转矩T_e逼近，即：

6.按照权利要求1所述的电动车制动能量回收方法，其特征在于：所述步骤S13的具体流程方法如下：

S131、预设电机参数：第一转速阈值n₁、第二转速阈值n₂以及第三转速阈值n₃，其中n₁<n₂<n₃<n_max，n_max为电机最高转速值；

S132、判断电机转速n是否小于第一转速阈值n₁，若不小于该阈值，则执行步骤S133；若小于该阈值，电机不进行回馈制动，此时目标制动转矩指令T_eb ^*为0；

S133、判断电机转速n是否小于第二转速阈值n₂，若不小于该阈值，则执行步骤S134；若小于该阈值，开始进行电机回馈制动，目标制动转矩指令T_eb ^*随着电机转速n增大而增大；

S134、判断判断电机转速n是否小于第三转速阈值n₃，若小于该阈值，目标制动转矩指令T_eb ^*为电机制动转矩指令T_eb ^**，此时电机输出转矩恒定；否则目标制动转矩指令T_eb ^*随着电机转速n增大而减少，此时电机输出功率恒定；

S135、根据电池最大充电功率P_{chg_max}计算目标制动转矩指令T_eb ^*，在回馈制动过程中，电机提供给蓄电池的实际回馈功率P_{reg_chg}在电池最大充电功率P_{chg_max}以内，电机实际回馈功率P_{reg_chg}为：

在回馈制动过程中，对目标制动转矩指令T_eb ^*进行限幅，限幅后的目标制动转矩指令T_eb ^*为：

7.按照权利要求6所述的电动车制动能量回收方法，其特征在于：所述步骤S133中，目标制动转矩指令T_eb ^*

由以下公式计算得到：

8.按照权利要求6所述的电动车制动能量回收方法，其特征在于：所述步骤S134中，目标制动转矩指令T_eb ^*由以下公式计算得到：

9.按照权利要求2所述的电动车制动能量回收方法，其特征在于：所述步骤S14的流程操作方法如下：

S141、根据电池SOC值与电池温度T查表，如得到电池影响因子k_soc；

S142、根据得到的电池影响因子k_soc对目标制动转矩指令T_eb ^*进行修正，得到当前制动转矩指令T_eb；

S143、根据当前制动转矩指令控制电机由当前转矩向目标转矩过渡。

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