王欽普，梁滿志，劉清波，郭欣，崔存松

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

基于純電動客車能耗優(yōu)化的控制策略研究

王欽普，梁滿志，劉清波，郭欣，崔存松

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

從驅動控制策略入手，通過優(yōu)化電機的扭矩梯度管理策略，以降低電機能耗；通過優(yōu)化打氣泵和助力轉向的控制策略，也有效降低純電動客車的能耗，增加續(xù)駛里程。

純電動客車；能耗優(yōu)化；續(xù)駛里程；控制策略

為了滿足電動客車出行里程的要求，減少充電次數(shù)，在電池技術沒有重大突破[1]、整車匹配合理的情況下，必須要從整車控制策略制定入手降低能耗，提高純電動客車續(xù)駛里程[2]。本文基于10.5 m純電動客車能耗試驗，經(jīng)過現(xiàn)場分析及調整控制策略，通過控制策略多方面的優(yōu)化來降低電動客車的能耗，并得到試驗驗證。

該純電動客車，使用磷酸鐵鋰電池，單體電池容量為3.2 V/20 Ah，總電量為172.03 kW·h；驅動系統(tǒng)采用大洋電機直驅方式，電機額定/峰值功率為100 kW/150 kW，額定/峰值扭矩為955 N·m/2 800 N·m，額定/最高轉速為1 000 r/min/3 000 r/min。

1 電機扭矩管理的優(yōu)化及效果

1.1 電機扭矩梯度管理策略優(yōu)化

驅動過程中，電機扭矩在響應駕駛員操作時如果出現(xiàn)較多的不合理波動，不僅會引起電池電流的波動，而且影響駕駛舒適性，最終造成不必要的能量浪費[3]。優(yōu)化前，根據(jù)油門開度情況、上層策略扭矩需求、ABS工作狀態(tài)、電機實際扭矩值等條件計算出電機目標扭矩，然后以特定的扭矩梯度跟隨目標扭矩發(fā)送需求扭矩給電機控制器。本文在此基礎上對目標扭矩進行合理的增扭、降扭，制定一套優(yōu)化的扭矩梯度管理策略，如式（1）和式（2）所示，在電機的非高效區(qū)，需求扭矩增減迅速，在電機的高效區(qū)，需求扭矩增減緩慢，從而達到既平穩(wěn)增扭、降扭，又可以使電機快速進入高效區(qū)工作，進而使得需求扭矩平穩(wěn)變化，在提高駕駛舒適性的同時，可以有效提高電機的效率降低能量消耗[4]。整車電機需求扭矩梯度控制策略如圖1所示；根據(jù)車輛的動力需求對車輛的扭矩梯度算法進行建模，如圖2所示。

式中：Tf為最終請求扭矩；Tl為上一次的請求扭矩；Ttm為扭矩梯度；Tn為目標扭矩；Tat為ABS介入時的扭矩梯度；Ttmap是扭矩梯度MAP表；A為ABS的工作狀態(tài)信號，A=1是工作狀態(tài)，A≠1是非工作狀態(tài)。

圖1 電機扭矩梯度管理模塊

圖2 扭矩梯度算法

1.2 優(yōu)化后的效果

為了更好地反應真實情況，此研究基于中國典型城市工況的百公里電消耗[5]。為了提高計算精度，在Cycle Run任務下建立一個循環(huán)時間的工況，其行駛時間為1 314 s，行駛距離為5.83 km[6]，對優(yōu)化前后分別進行相同工況測試對比。經(jīng)過能耗優(yōu)化前后的實際城市循環(huán)工況路試結果對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的車速跟隨效果依然良好，說明策略優(yōu)化合理。

為了驗證效果，優(yōu)化前后在相同的工況下各進行了2次試驗。由于工況試驗包含加速驅動階段和制動能量回收階段，為了更全面的分析電機的效率，試驗過程中對電機的驅動扭矩和制動扭矩分別進行統(tǒng)計并繪制扭矩分布點，如圖3所示。從圖3中可以看出，控制策略優(yōu)化后的電機扭矩分布點在非高效區(qū)明顯減少，每組效率區(qū)間內扭矩分布點數(shù)所占比例值[7]統(tǒng)計如表1所示，證明了優(yōu)化后的效率分布明顯高于優(yōu)化前。

圖3 電機扭矩分布情況

根據(jù)式（3）對電機效率E進行計算，即使用電機的輸出功率比輸入功率，并統(tǒng)計每組效率區(qū)間內扭矩分布點數(shù)所占比例值[7]，如表1所示。試驗數(shù)據(jù)證明了優(yōu)化后的效率分布明顯高于優(yōu)化前。

式中：T為當前時刻電機的輸出扭矩值；S為當前電機轉速；V為電機控制器輸入端電壓；I為電機控制器輸入端電流。

表1 電機效率測試值

表中a1、a2、a3、a4分別表示電機驅動效率大于94%、90%、85%、80%的扭矩點所占總扭矩點的比值；b1、b2、b3、b4分別表示電機制動回收效率大于94%、90%、85%、80%的扭矩點所占總扭矩點的比值。

2 其他控制策略的優(yōu)化及效果

2.1 打氣泵控制策略的優(yōu)化及效果

目前市場上純電動客車打氣泵的控制邏輯較為簡單，一是上電后工作，這種方式打氣泵的工作時間長，影響能耗的同時也會縮短打氣泵的壽命；二是通過氣壓傳感器達到一定的氣壓值后延時一段時間后停止工作，該種方法不好識別氣路是否排氣和時間不好控制[8]，因為根據(jù)客車的氣路特性，即打滿氣后排氣閥會有排氣動作，但排氣的氣壓值和車輛有關，每輛車排氣的閾值存在差異性[9]，如果不排氣就停止打氣動作，則會造成氣路積水無法排出；如果設定的時間過長，又會影響打氣泵對車輛能耗的損失。根據(jù)以上情況，本文制定一種特殊的打氣泵控制策略，在有效降低能耗的同時，還可以防止打氣泵的潤滑油乳化。

優(yōu)化前的策略為：整車氣壓低于0.65 MPa開始打氣，高于7.6 MPa延時30 s停止打氣。優(yōu)化后的控制策略為：任何一路氣壓低于0.65 MPa開始打氣，當收到干燥器排氣信號后再持續(xù)輸出打氣15 s停止打氣。控制信號源的來源：儀表負責時鐘信號，雙路氣壓值信號發(fā)送至整車CAN總線上，整車控制器負責干燥器排氣信號的提取。特殊控制為每天首次打氣，當收到排氣信號后連續(xù)打氣15 min，以便防止打氣泵潤滑油乳化。優(yōu)化前后打氣泵的工作時間占比分別為13%和8%，從控制打氣時間上可以看出，優(yōu)化后的策略可以明顯降低打氣泵的工作時間，從而可以降低打氣泵對整車能量的消耗。2.2助力轉向控制策略的優(yōu)化及效果

目前純電動客車的助力轉向的控制邏輯是掛檔或者松開手剎，助力轉向就開始以額定功率開始工作[10]。該控制策略忽略了對其頻率的控制。

本文對助力轉向的控制增加了對其電源通過頻率的控制，通過設定不同的控制指令，可控制助力轉向的電源輸出頻率和輸出電壓，如表2所示。通過該控制方式，可以設定不同車速下助力轉向泵的使用頻率和電壓值，一方面車輛處于高速時降低轉向泵的工作頻率和電壓，降低了助力轉向泵的電耗值，為了驗證效果，優(yōu)化前后各進行了2次試驗，優(yōu)化前后助力轉向能耗功率的對比：試驗一，0.72 kW下降為0.56 kW；試驗二，0.71 kW下降為0.57 kW。另一方面，車輛在高速運行時，導致駕駛員打轉向的力度需要增加，因此提高了轉向的安全性。

表2 助力轉向工作電壓和頻率真值表

2.3 試驗結果驗證

綜合上述控制策略的優(yōu)化，將優(yōu)化前后的控制策略應用于所述車輛進行多工況的能耗測試，起始SOC皆為100%，其優(yōu)化前后的測試結果如表3所示。

表3 典型城市工況下的試驗結果

3 結束語

本文以10.5 m純電動客車為研究對象，為提高驅動系統(tǒng)效率為目標，研究了純電動客車運行效率所涉及的有關問題，具體包括電機需求扭矩梯度的管理策略及部分高壓部件的控制策略的優(yōu)化，并試驗驗證了所提出方法的有效性。

[1]劉永，馮贊.節(jié)能與新能源汽車的發(fā)展[J].客車技術與研究，2010，32（1）：4-7.

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修改稿日期：2017-03-13

Research of Control Strategies Based on Energy Consumption Optimization to a Pure Electric Bus

WangQinpu,LiangManzhi,Liu Qingbo,GuoXin,Cui Cunsong
（ZhongtongBus HoldingCo.,Ltd,Liaocheng252000,China)

Starting from the driving control strategies,the authors optimize the management strategyies of the motor torque gradienttoreduce the motor energyconsumption.Theyalsooptimize the control strategies ofthe inflation pump andprower steeringsystemtoreducetheenergyconsumptionofapureelectricbusandtoincreasethedrivingrange.

electric bus;energyconsumption optimization;drivingrange;control strategy

U469.72

A

1006-3331（2017）03-0005-03

王欽普（1964-），男，研究員；泰山學者；技術總監(jiān)；主持國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新工程項目和國家科技支撐計劃項目的技術研發(fā)和實施工作。