基于最小单位里程能耗的纯电动公交车加速控制曲线设计方法*

李礼夫　许源沁（华南理工大学，广州 510640）



基于最小单位里程能耗的纯电动公交车加速控制曲线设计方法*

李礼夫许源沁
（华南理工大学，广州 510640）

【摘要】针对城市电动公交车加速控制策略不当而导致其输出功率大和电能量消耗高的问题，以某款纯电动公交客车为对象，研究了加速控制曲线与其电能量消耗和最大需求功率之间的关系，并建立Matlab/Simulink整车仿真模型，通过模型对所获得的最优加速控制曲线进行了基于ECE工况的整车加速仿真试验。仿真试验表明，与常用加速控制曲线相比，纯电动公交客车在该最优加速控制曲线作用下，不仅可以降低其单位里程能耗，而且其动力性也能得到保证。

主题词：纯电动公交车加速控制优化设计单位里程能耗

1　前言

据统计，纯电动公交车（简称PEB）加速时间约占整个行驶时间的29.11%，汽车加速过程中所消耗的电能量比其在其它变速过程中所消耗的电能量要高［1］。因此，PEB在加速过程中的能耗对其在整个行驶过程中的能耗影响很大，而采用不同的加速控制曲线又是影响其在加速过程中电能耗的关键因素之一。然而，现有的电动汽车加速控制策略忽略了加速过程中不同加速曲线对电能耗的影响，从而导致了其在加速过程中不仅电能量消耗大，而且瞬时需求功率大大超过其额定功率，致使其无法正常工作。为此，针对PEB的加速过程，提出了基于最小单位里程能耗的纯电动公交车加速控制曲线设计方法，以达到减少单位里程能耗的目的。

2　基于最小单位里程能耗的PEB加速控制曲线设计原理

图1为PEB加速过程中不同加速曲线。图1中，加速曲线------OFA为直线段，它为ECE工况的第i（i=1，2，…，n）加速段（ECE工况要求汽车加速曲线为等加速度的直线），设其O点为该段速度的起始点，对应的时刻为ts和速度ui（ts），A点为其速度的终止点，它的对应时刻为te和速度ui（te）。由此可知，汽车由ui（ts）变速到ui（te）的加速曲线，除加速直线外，还可能有加速曲线OBA、 OCA、ODA和OEA。在加速过程中，加速曲线的瞬时速度ui（t，βi.j）可表示为：

图1　某段加速过程中不同加速曲线

由式（1）可知，在不同 βi，j时的加速曲线的控制策略作用下，电动汽车在相同时间内的行驶里程不相同，即其能耗也不相等。

式中，r为轮胎半径；m为整车质量；f为滚动阻力系数；δ为旋转质量换算系数；CD为空气阻力系数；A为车辆前部迎风面积。

图2　不同初速度下与的关系曲线

由图2可看出，在不同初速度下，相同时间内汽车加速到某一末速度时，不同的加速特征参数会影响其单位里程能耗。在初速度较低时，如为 0 km/h和7 km/h，是的递增函数；初速较高时，如为15 km/h和30 km/h，在0＜＜0.3附近，随增大而增大；在0.30＜＜0.5附近随增大而减小；在0.5＜＜2.5附近，随增大而增大。从能量利用率角度来看，选取合适的加速特征参数可以降低电动车单位里程能耗，进而延长其续驶里程。

图3　与的关系曲线

式中，J为目标函数。

按上述思路，对PEB行驶工况中的n个加速段分别进行基于最小单位里程能耗的加速控制曲线设计，并以此为控制策略对PEB行驶工况中的各加速段进行加速控制，实现降低电动汽车单位里程消耗，提高电动汽车续驶里程的目的。

3　PEB最优加速控制仿真试验与分析

为验证基于最小单位里程能耗的纯电动公交车加速控制曲线设计方法的可行性，以某款纯电动公交车为试验车辆，以ECE工况为试验工况，运用基于最小单位里程能耗的纯电动公交车加速控制曲线设计方法对其行驶过程进行控制试验，图4为ECE工况。

图4　ECE工况

试验用纯电动公交车整车技术参数如表1所列。

表1　试验用PEB整车参数

试验用纯电动公交车所采用的电机为YTD110型永磁同步电机，其基本参数如表2所列。

表2　YTD110永磁同步电机主要参数

纯电动公交车装载的磷酸铁锂动力电池组参数如表3所列。

表3　磷酸铁锂动力电池参数

表4　ECE工况中49～61 s加速段不同加速控制曲线能耗

在上述基础上，为了对ECE工况中加速段进行最优加速控制曲线设计并分析单位里程能耗变化，选取4个循环工况（图4）中单个循环工况的加速段进行最优设计，得出单个循环工况优化后的速度与时间关系如图5所示。

图5　ECE单个循环工况优化后速度与时间关系

图5中，1、2、3、4、5、6分别为ECE单个循环工况中6段加速区间，仿真得出其最优加速特征参数分别为：β1=0.67、β2=0.67、β3=0.70、β4=0.67、β5=0.60、β6=0.90。

由表5可知，在满足PEB动力性需求的基础上，优化后的ECE工况单位里程能耗比优化前减少了500 kJ/km，达到了降低能耗、增加续驶里程的目的。

表5　ECE工况优化前、后能耗对比

4　结束语

为解决PEB加速过程中功率高、能耗大的问题，对PEB加速控制曲线进行了设计。研究发现，不同控制策略下的加速曲线会影响PEB单位里程能耗的大小，选取最优加速特征参数能有效提高PEB续驶里程和降低加速过程的能耗。在此基础上，选取ECE工况进行仿真试验，得出ECE工况中加速段的最优加速特征参数。试验结果表明，在最优的加速控制优化曲线的作用下，PEB不仅能满足其在ECE工况条件下的动力电池和驱动电机的功率需求，而且能使单条公交线路每年节约电能量28 000 kW·h。

参考文献

1周孟喜.电动汽车驱动工况下的整车控制策略研.重庆：重庆大学，2012.

2余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2006.

3麻友良，严运兵.电动汽车概论.北京：机械工业出版社，2012.

4朱军.新能源汽车的动力性和能量经济性.上海：上海科学技术出版社，2013.

5陈勇，孙逢春.电动汽车续驶里程及其影响因素的研究.北京理工大学学报，2001，21（5）：578～582.

6李国良，初亮，鲁和安.电动汽车续驶里程的影响因素.吉林工业大学学报，2000，30（3）：20～23.

7董冰.基于锂离子动力电池的纯电动汽车能量管理系统控制策略与优化.吉林：吉林大学，2014.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年4月14日。

中图分类号：U469.7

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）07-0017-04

*基金项目：2014年度广东省公益研究与能力建设专项资金项目（2014B010106004）。

Design Method of Acceleration Control Curve of Pure Electric Transit Bus Based on the Minimum Energy Consumption Per Kilometer

Li Lifu，Xu Yuanqin
（South China University of Technology，Guangzhou 510640）

【Abstract】Improper acceleration control strategy always causes high power output and electric energy consumption of city electric bus，to solve this problem，we analyze the relationship between the acceleration control curve with the energy consumption and maximum power on the pure electric transit bus，and build vehicle simulation model in Matlab/Simulink，in which vehicle acceleration simulation test is carried out to verify the optimum acceleration control curve based on ECE driving conditions.The result of the simulation test shows that，compared with the common acceleration control curve，the pure electric transit bus can not only reduce energy consumption per kilometer，but also its power property can be ensured under the optimum acceleration control curve.

Key words:Pure electric transit bus，Acceleration process，Optimization design，Energy consumption per kilometer