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  为什么电动车再生制动时大部分能量都消耗了仅仅回收了一小部分能量?           ★★★

为什么电动车再生制动时大部分能量都消耗了仅仅回收了一小部分能量?

作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数: 更新时间:2023/11/20 14:29:03

 

  假设汽车动能为100%,再生制动回收的能量仅为10%-30%,确实仅回收了一小部分。

  努努力,我们是不是也可以回收热能呢?不能,那就违背了热力学第二定律了。第二类永动机,是比较有水平的民间科学家最喜欢研究的东西。

  那么,可回收的机械能占比多少呢? 这与车开得激烈程度有关系,我们一般用驾驶循环来研究:下表中的“制动能量/驱动能量”[1],就代表了可回收机械能所占的比例。

  较为温和的ECE-15循环占比约27.5%,而非常激烈的纽约市场循环占比约为86% —— 这就代表了制动能量回收的上限。后来新出的WLTC循环与CLTC循环,数据应该在50%左右,有机会算一下。

  需要指出的是,所有的驾驶循环考虑的都是平地的情况,而实际行驶则有不同程度的上下坡。因此,驾驶循环计算出的制动能量上限是被低估了的。

  理想的再生制动策略很简单:先尽可能地使用再生制动,不足的部分再由机械制动提供。

  车有前驱后驱之分,但全部都是「四轮制动」。原因是:制动力较大,仅由前轮或后轮提供抓地力的话容易打滑。哪个轮子的制动力先超过抓地力,哪个轮就先打滑。前轮打滑失去转向能力,但并未失控;后轮打滑车子失控,有转向能力也没用了;总之都是很危险的。

  由于制动时的减速度,前轴对地面的垂向力会增加,所以理想制动力分配的I曲线是向下弯曲的。我们在设计前后制动力分配要满足(前3条为欧洲ECE强制法规):

  可以看出,在大部分的制动情况下,前轮与后轮都要有制动力。所以,非四轮驱动的电动汽车很难回收所有能量的。

  以上结论都是基于RBS(Regenerative Brake System)得出的,特点是再生制动与机械制动没有协调控制。

  理论上来说,有CRBS的四驱车基本上可以实现理想情况:先尽可能地使用再生制动,不足的部分再由机械制动提供。

  与四驱车型相比,有CRBS的两驱车就需要或多或少打个折,前驱车打折少一些,后驱车打折多一点。

  但实际上,还要考虑很多其它的工程边界条件,还是要做出一定妥协的。就比如说最大充电功率条件: 电机的发电功率上限、电池SOC限制、电池温度限制等等。这些限制,存在于混动车中,或纯电车较高SOC状态下。

  回收能量→ 传动系统效率 → 电机发电效率 → 电池充电效率 → 存储在电池中的化学能 → 电池放电效率 → 电机驱动效率 → 传动系统效率 → 驱动能量。

  举个例子,如果汽车动能为100%,那实际需要消耗110%的电池能量;假设能回收的机械能占50%,受工程条件约束实际回收了30%,回到电池里就是27%。

  为啥我对上面这些这么熟呢,因为我亲身干过 —— 和2位电气/线束工程师一起,把近十辆五菱神车改为了纯电动,并通过了2万公里的耐久性试验。

  那是2012年,肯定没有博世的ibooster,所以属于效率较低的RBS制动策略。再加上使用的是较温和的NEDC循环测试的,所以理论上可以增加30%续航,实际增加了8.9%。

  现在大部分电动车都有ibooster可采用CRBS制动策略,测试循环也改为了较为激烈的CLTC,实际应该可以增加20%以上的续航。真实的驾驶情况更为激烈,且有上下坡,所以达到34%也是有可能的。

  由此可见,再生制动效率就像内燃机的热效率,虽然绝对数值不高,但提升的空间不大了。

  基于以上的文章内容,来谈谈关于新能源汽车的“动能回收”和“刹车系统”的关系…

  发现有朋友还是不理解“动能回收”这个概念,到底哪部分是是主机厂做的,哪部分是底盘博世做的。我这里大概解释一下我的理解。

  首先,车辆的两大基本力,驱动力 和 制动力,一个让车加速,一个让车减速。

  让车辆更好的加速,体现的是驱动力的标定,这部分的工作是由主机厂自己做为主,尤其是VCU和IPU的标定工作好坏,决定了加速的好坏,例如,Padmap标定,扭矩响应标定,防抖标定,转速滤波,转矩补偿……这部分按下不表。不是这次想说的重点。

  先说一下电动车的特性,让车辆减速的制动力,可以来源于两个方面,电制动和机械制动。

  1,电制动,就是通过电机的反向扭矩,产生能量回收,发电。从初中物理学能量转换的角度来解释,就是将车辆的动能转化成电能储存回电池。这样可以比较有效的延长续航里程。

  2,机械制动,就是动过刹车系统(准确的说是,刹车盘或者刹车鼓)来进行减速。从初中物理学能量转换的角度来解释,就是将车辆的动能转化成刹车盘的内能(也叫热能),所以频繁的刹车会导致刹车过热。

  (当然,车辆纯滑行也会减速,因为车辆自身也有内部阻力,这部分属于车辆特性,不属于可标定调整的范畴,由物理特性决定,不在此处的“制动力”的范围内)

  然后呢,再说说,电制动的部分。电制动的本质其实就是电机的能量回收,电制动的部分其实分为两个,第一部分是不踩制动的电制动,我们姑且称之为“滑行能量回收”,第二部分是踩下制动的电制动,我们姑且称之为“制动能量回收”。

  第一部分的滑行能量回收,都是主机厂自己标定的。车辆在某个车速下,松开油门踏板,此时车辆如何滑行(制动不介入),完全可以由主机厂自己决定。早期的滑行回收的扭矩标定,都相对来说简单:需要完全松开油门踏板,滑行能量回收才会启动,也就是电机才会把扭矩从正转负。滑行回收的扭矩大小,通常是根据车速高低来标定,而且介入的不能太迅速,冲击也不能太猛,否则驾驶感会很差。为了在滑行时保持滑行距离,和减速效果。通常会标定的“悠远绵长”——即在较长车速区间的滑行回收扭矩标定的大小保持一致,持续较长的时间,或者做成很缓慢的曲线,这样不会有突兀变化的感觉。

  当然有些厂家也会为了照顾不同的驾驶人员的习惯,推出不同等级的滑行能量回收。(有些厂家用“中高低”表示回收等级,有些用数字“1,2,3”来表示回收等级)。这样做的好处是,简单高效稳妥放心。成本低,驾驶员更快的习惯。

  再说说缺点,缺点就是,经不起颠簸……举个例子,滑行回收过程中,突然有个减速带,或者突然有个坑,车辆一颠簸,轮子悬空了一瞬间(也就零点几秒吧),此时就会出现,减速效果——啪,没了…驾驶人员的感受就是:诶,车子怎么前冲了一下?——其实不是前冲,而是减速效果不明显了。。

  (上图中的示意,滑行减速,滑的好好的,突然有个减速带,让我车辆轮子悬空了一下,F2那个摩擦力突然就没了,而且,电机反向的回收扭矩也突然就没了)

  当然了,最近流行的单踏板模式,本质上也属于第一部分的“滑行能量回收”,属于一种特殊的滑行能量回收。前面说到,常规的滑行能量回收,需要完全松开油门踏板(严格说来,都是电门踏板了才对,为了描述通俗,我姑且都成为油门踏板吧),滑行能量回收才会启动。但是,单踏板模式不一样的地方在于,在油门踏板没有完全松开的时候,滑行能量回收就产生了。在不同车速下,松开的油门踏板程度不一样,滑行能量回收的大小也不一样,总体上来说,想要产生的效果是“踩油门加速,松油门减速”。但是,有些做的激进,有些做的保守。比如说,特斯拉是激进派,在此按下不表。

  说说保守派的做法,例如我前单位北汽新能源,曾经采用的做法叫“高速小油门”,顾名思义,车辆在较高车速下,松开油门踏板(不完全松开,保持一下较小的油门时),会有较小的负向扭矩产生,但是不会产生非常强烈的减速感(如果脚感比较好,还可以找到纯滑行位置——即没有驱动也没有制动的零扭矩的踏板区间位置)。全松开油门的时候,滑行能量回收再大一点,变成传统意义的“滑行能量回收”

  那么,滑行回收到底应该怎么做呢?从能量转化的角度来说,车辆的滑行能量回收,越多越好!最好所有的车辆减速全部都由能量回收来执行!这样,就可以把具有某个速度的车辆的动能,尽可能的多转化为电池的电能储存起来,以达到延长续航里程的目的,并且越少的使用底盘的机械制动,就可以把尽量少的车辆动能转变为刹车盘的热能。

  当然了,根据孙同学的描述,我认为这是最好的关于能量回收的利用方式:仅靠滑行,正好把车停到你想要停的位置上就是最省电的方式!

  但是,从驾驶实际工况出发,纯通过能量回收来减速,撇开人员驾驶感受不详谈(理论上电动车可以用多大电流和扭矩输出,那就可以用多大的电流和扭矩回收…用百公里加速的劲儿来做能量回收减速,各位脑补一下),关是上面提到的“颠簸悬空无回收”的问题,就决定了完全舍弃 底盘的机械刹车盘的制动 是不可能的。

  所以,我们这里就要引入了第二个部分——制动能量回收。——顾名思义,需要踩下制动踏板,才会产生的能量回收。那么,这部分,其实也区分两种情况,第一种就是,主机厂自己做的。第二种就是底盘和主机厂一起做的(好吧,其实是博世做的)

  第一种,主机厂自己做的,相对来说,简单粗暴。就是把踩下制动踏板信号后的车辆的能量回收加大!加大多大?看具体的标定情况。例如一种简单的方式是,检测到制动踏板信号(开关量,不是行程)后,在原有的滑行能量回扭矩上,继续叠加一个回收扭矩,具体加多少,也是根据车速来进行标定。这样的做法,也是可以达到加大能量回收来减速,一定程度上可以减少机械刹车片的摩擦。就是简单,粗暴,效果明显,确实可以在一定程度上提高回收的能量。

  但是却没有办法很好的解决和底盘刹车力配合的问题,还是上面那个问题,“颠簸悬空无回收”轮子飞起的时候,由于是有扭矩的,容易出现瞬间的空转打滑现象。熟悉底盘的朋友们都知道,一旦出现车轮打滑,为了防止车辆因打滑造成偏移、侧滑等问题,有一个东西就不得不启动工作,那就是ESP。而一旦ESP工作了,作为强势底盘供应商的博世,对这种情况下的要求就是一刀切:请关闭能量回收,没有任何商量的余地!制动系统的工作,不要有任何其他外部力量介入进来,以免影响底盘部件的工作!——这也是几乎所有的早期的电动车的共同的特点,一旦ESP或者ABS启动工作,所有的能量回收都必须关闭。甚至有些车辆在踩出ABS的时候,还有能量回收关闭的OFF标志。。。

  博世也知道,这种一刀切的方式,不利于自己的长久发展。想要解决这种类似的情况所导致的问题,还是得由博世自己来解决。于是,有一套叫叫iBooster的系统就在这方面起到了大作用!

  (当然了,iBooster这套系统也是博世自己本来就开发的系统,作用可不仅仅是用来做能量回收的,还有电子助力,辅助驾驶等等其他大作用,用来做能量回收的优化,只是iBooster系统的作用之一,人家也想搞自动驾驶的嘛 喂)

  好了,那iBooster这套系统,在能量回收领域,到底有个什么作用呢?——这就是上面提到的,制动能量回收的 第二种就是底盘和主机厂一起做的(好吧,其实是博世做的)

  (再多说一句,前面的单纯的叠加回收扭矩,孙同学的文章里提到过,称之为“RBS”,而这种iBooster通过计算来分配能量回收力矩和刹车力矩的方式,称之为“CRBS”)

  与ESP hev 系统组合使用时,可实现最高达0.3g 减速度的能量回收。这是由于iBooster 能够通过软件控制,随时根据液压条件调节助力器伺服力。如此高的制动能量回收水平,使电动车辆的续航里程增加高达20%。

  当驾驶员踩下制动踏板时,踏板行程传感器会计算驾驶员的制动请求。ESP hev 系统向电机请求与踏板行程相一致的制动扭矩并使车辆减速(ESP会给车辆的驱动系统发送扭矩请求,这是一个略有风险的点)。由驾驶员脚部切换至制动系统的液压容积暂时保存在ESP hev 的低压蓄能器内,这意味着车轮制动不产生制动扭矩。

  如果电机不能利用回收方式满足制动请求,低压蓄压器中的可用容积将转移至车轮制动器,且车辆会通过传统制动进行减速。iBooster 可不受减速水平影响而调整踏板感,并在整个制动范围内传递一致的踏板感。

  在踩下刹车的时候(注意,一定是需要踩下刹车),ibooster系统会根据你踩下刹车的速度,深度等信息,进行电制动和机械制动的分配。——CRBS开始工作

  总体的策略是:优先使用电制动进行减速,如果ibooster系统判断驾驶员的刹车意图更强,发现单纯的使用电制动不足以满足驾驶员的制动需求的时候,此时会介入机械制动。这种方式,可以有效的 延长续航里程,减少刹车盘的磨损。

  而上面的那段话里,意思是,当减速度小于0.3g的时候,刹车卡钳不会介入,这时的制动是通过电机能量回收来完成的。这样一方面可以最大限度地增加续航里程,另一方面也可以延长刹车片寿命。

  但是要知道,博世的iBooster系统,需要匹配的主机厂的车辆种类非常多!所以,每一家的标定的策略和结果,也不太一样。有的标定的非常敏感,有的标定的就比较保守。根据驾驶员踩踏板的方式的不同,还要匹配瞬间的扭矩变化

  还是以 “颠簸悬空无回收”这个案例为例来说,驾驶着具有iBooster系统的车辆,在轻踩下制动踏板减速的过程中(此时只有能量回收,没有机械制动盘介入),如果不幸颠簸了一下,车轮飞起空转了一瞬间。用于制动的车轮(我们假设是前轮,车辆是前驱的),和地面离开了,就没有了制动力了,车辆就会给人感觉“前冲一下”,这个时候,怎么办?按照上面的通常的思路是,车辆会失去能量回收,正确的做法应该是,立即介入后轮的刹车,让前轮因为悬空而失去的车辆制动效果,由后轮补偿回来!

  (大概意思是,F2变小或者没有了,如果车辆应该继续保持原有的减速感,那么F1这个力就要加大,此时应该介入后轮的刹车力增大,保持整车减速感)

  当然了,这里面提到的这个“颠簸悬空无回收”,仅仅是一个案例,借此案例只是想要说明,电制动和刹车盘机械制动应当如何做好匹配,才能让车辆的减速效果达到最佳状态。

  那么,底盘霸主博世,如何开放底盘领域的接口信号,就成了各大主机厂努力的方向。目前来看,如果只要是搭载了博世iBooster系统的车,到底车辆上的制动效果(特指踩下刹车后的制动效果)的好坏优劣,感受体验如何,基本上都指望着博世标定了。

  有的就标定的很敏感,例如我司小鹏P7的刹车,高速下如果迅速踩刹车,系统会判断有紧急刹车的需求,iBooster会主动增加刹车力(帮你一起踩…),可以说其实是标定的比较保守的…

  动能回收力度过大的话其实乘坐舒适性其实是很差的,开过特斯拉的都知道强动能回收档有多难受,自从特斯拉强行把动能回收固定在强档以后劝退了不少人。

  小电池最大充电功率也就30kw,不可能像PHEV和EV一样有大几十千瓦甚至上百千瓦的动能回收的。

  不知道大家有没有在长下坡开混动或者电动车减速度突然减弱的体验,那是因为SOC过高开始限制充电功率了,这个就属于非预期的加速或者说是非预期的减速度下降。EV由于电池大发生这种情况的概率比较低,HEV可就不一样了。当然HEV可以拉高发动机转速来提供发动机制动,但这样NVH就不好了,所以还是想要尽可能减少这种情况的。那么如何让SOC涨得慢一点呢?那就把动能回收调低一些呗。

  PHEV的话因为电池大所以动能回收功率就会比HEV要大一些,但是老牌车企为了保证舒适性也不会把动能回收调得太大,而且也会给几个高中低档让用户自己选。

  EV的电池就更大了,所以可以把充电功率放得更大。在EV上限制电机动能回收功率的主要是高压线束的发热量和高压系统的散热能力,民用车动能回收功率最高的目前我见过的是奥迪e-tron的220kw。

  上面说的是松油门情况下的动能回收,踩刹车的时候动能回收功率反而会更小,比如你用的是博世的ibooster2的话CRBS能提供的最大减速度也就只有0.3g,功率大家可以自己算。

  具体为什么是0.3g我也不太清楚,听说也是功能安全,比如0.3g的减速度就算突然消失了油压也能马上补回来而不会导致出事故。

  题主这个问题提的很好,可以看得出来题主对于动能回收这个功能是有一定了解的。

  因此就像人饱了吃不下东西一样,当电池满电的时候,自然也就没有办法再接收来自于动能回收的能量了。

  此外,由于在电量较高时,车辆的充电电流一般较弱,且过充对于电池的寿命也不是一件好事。

  所以许多车型在电池SOC高于一定阈值的时候都会限制动能回收的功率,从而保证电池健康。

  由于交流电机既可以实现“电生磁”,又可以实现“磁生电”,因此当车辆行驶阻力由电机的负载变为驱动时,电机也就成了发电机。

  换句话说,之前这个电机在驱动时有多大能耐,那么现在在发电时,也只能有这么大的能耐。

  目前,车辆紧急制动时的减速度普遍在1g左右,对于一辆常规的家用轿车来说,换算成制动力就是约15kN。

  我是@三斤哥,一个新能源、变速箱、智能网联都有涉足的汽车主机厂工程师。有兴趣的朋友可以关注我,我会从汽车工程师的角度给大家分享相关知识、解读热点问题。

  这个主要是电池技术方面的问题,也是老大难问题了。在面对制动这种短时间内要完成较大能量转换(大功率)的工况,电池的身份基本上就是木桶中最短的那块板。所以出于安全考虑虑,当制动力的请求(刹车踏板踩踏力度)一旦超出电池功率上限,多出来的这部分制动力就只能还是由机械制动部分承担了,于是部分(很多情况下还是大部分)动能也只能和往常的常规动力车型一样,被转化为毫无用处的热能,然后散失到环境里……

  不过值得一提的是也有厂家会拿出来一些脑洞十足的解决方案,就例如马自达第一代创驰蓝天技术,非混合动力12V系统还是做出了一定程度的动能回收(发电机只在收油/制动时工作,降低燃油引擎行驶中的负荷以达到省油目的;当然了,因为驱动单元没有电机,回收的能量也只能用于驱动车载电器);它是如何在12V铅酸电池凄凉的充电功率限制下达成目标的呢?答案就是外加一组电容,利用电容可超高速充电的特性来调蓄,先把电存在电容里再慢慢充进电池中。

  先不说现实交通环境中有没有可能做到这样理想的驾驶,因为制动是一种涉及到速度变化的工况,整个过程里随着车速的降低,电机/发电机的转速也在降低,换言之其功率也会随之下降。所以很容易推演出,一旦车速降至发电机输出低于电池充电功率上限的瞬间,那么往后整套系统的功率就会随着车速进一步下降而下降,一直到车辆停下/发电机功率归零为止。

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