基于纯电动客车能耗优化的控制策略研究

王钦普，梁满志，刘清波，郭欣，崔存松

（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

基于纯电动客车能耗优化的控制策略研究

王钦普，梁满志，刘清波，郭欣，崔存松

（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

从驱动控制策略入手，通过优化电机的扭矩梯度管理策略，以降低电机能耗；通过优化打气泵和助力转向的控制策略，也有效降低纯电动客车的能耗，增加续驶里程。

纯电动客车；能耗优化；续驶里程；控制策略

为了满足电动客车出行里程的要求，减少充电次数，在电池技术没有重大突破[1]、整车匹配合理的情况下，必须要从整车控制策略制定入手降低能耗，提高纯电动客车续驶里程[2]。本文基于10.5 m纯电动客车能耗试验，经过现场分析及调整控制策略，通过控制策略多方面的优化来降低电动客车的能耗，并得到试验验证。

该纯电动客车，使用磷酸铁锂电池，单体电池容量为3.2 V/20 Ah，总电量为172.03 kW·h；驱动系统采用大洋电机直驱方式，电机额定/峰值功率为100 kW/150 kW，额定/峰值扭矩为955 N·m/2 800 N·m，额定/最高转速为1 000 r/min/3 000 r/min。

1 电机扭矩管理的优化及效果

1.1 电机扭矩梯度管理策略优化

驱动过程中，电机扭矩在响应驾驶员操作时如果出现较多的不合理波动，不仅会引起电池电流的波动，而且影响驾驶舒适性，最终造成不必要的能量浪费[3]。优化前，根据油门开度情况、上层策略扭矩需求、ABS工作状态、电机实际扭矩值等条件计算出电机目标扭矩，然后以特定的扭矩梯度跟随目标扭矩发送需求扭矩给电机控制器。本文在此基础上对目标扭矩进行合理的增扭、降扭，制定一套优化的扭矩梯度管理策略，如式（1）和式（2）所示，在电机的非高效区，需求扭矩增减迅速，在电机的高效区，需求扭矩增减缓慢，从而达到既平稳增扭、降扭，又可以使电机快速进入高效区工作，进而使得需求扭矩平稳变化，在提高驾驶舒适性的同时，可以有效提高电机的效率降低能量消耗[4]。整车电机需求扭矩梯度控制策略如图1所示；根据车辆的动力需求对车辆的扭矩梯度算法进行建模，如图2所示。

式中：Tf为最终请求扭矩；Tl为上一次的请求扭矩；Ttm为扭矩梯度；Tn为目标扭矩；Tat为ABS介入时的扭矩梯度；Ttmap是扭矩梯度MAP表；A为ABS的工作状态信号，A=1是工作状态，A≠1是非工作状态。

图1 电机扭矩梯度管理模块

图2 扭矩梯度算法

1.2 优化后的效果

为了更好地反应真实情况，此研究基于中国典型城市工况的百公里电消耗[5]。为了提高计算精度，在Cycle Run任务下建立一个循环时间的工况，其行驶时间为1 314 s，行驶距离为5.83 km[6]，对优化前后分别进行相同工况测试对比。经过能耗优化前后的实际城市循环工况路试结果对比，发现优化后的车速跟随效果依然良好，说明策略优化合理。

为了验证效果，优化前后在相同的工况下各进行了2次试验。由于工况试验包含加速驱动阶段和制动能量回收阶段，为了更全面的分析电机的效率，试验过程中对电机的驱动扭矩和制动扭矩分别进行统计并绘制扭矩分布点，如图3所示。从图3中可以看出，控制策略优化后的电机扭矩分布点在非高效区明显减少，每组效率区间内扭矩分布点数所占比例值[7]统计如表1所示，证明了优化后的效率分布明显高于优化前。

图3 电机扭矩分布情况

根据式（3）对电机效率E进行计算，即使用电机的输出功率比输入功率，并统计每组效率区间内扭矩分布点数所占比例值[7]，如表1所示。试验数据证明了优化后的效率分布明显高于优化前。

式中：T为当前时刻电机的输出扭矩值；S为当前电机转速；V为电机控制器输入端电压；I为电机控制器输入端电流。

表1 电机效率测试值

表中a1、a2、a3、a4分别表示电机驱动效率大于94%、90%、85%、80%的扭矩点所占总扭矩点的比值；b1、b2、b3、b4分别表示电机制动回收效率大于94%、90%、85%、80%的扭矩点所占总扭矩点的比值。

2 其他控制策略的优化及效果

2.1 打气泵控制策略的优化及效果

目前市场上纯电动客车打气泵的控制逻辑较为简单，一是上电后工作，这种方式打气泵的工作时间长，影响能耗的同时也会缩短打气泵的寿命；二是通过气压传感器达到一定的气压值后延时一段时间后停止工作，该种方法不好识别气路是否排气和时间不好控制[8]，因为根据客车的气路特性，即打满气后排气阀会有排气动作，但排气的气压值和车辆有关，每辆车排气的阈值存在差异性[9]，如果不排气就停止打气动作，则会造成气路积水无法排出；如果设定的时间过长，又会影响打气泵对车辆能耗的损失。根据以上情况，本文制定一种特殊的打气泵控制策略，在有效降低能耗的同时，还可以防止打气泵的润滑油乳化。

优化前的策略为：整车气压低于0.65 MPa开始打气，高于7.6 MPa延时30 s停止打气。优化后的控制策略为：任何一路气压低于0.65 MPa开始打气，当收到干燥器排气信号后再持续输出打气15 s停止打气。控制信号源的来源：仪表负责时钟信号，双路气压值信号发送至整车CAN总线上，整车控制器负责干燥器排气信号的提取。特殊控制为每天首次打气，当收到排气信号后连续打气15 min，以便防止打气泵润滑油乳化。优化前后打气泵的工作时间占比分别为13%和8%，从控制打气时间上可以看出，优化后的策略可以明显降低打气泵的工作时间，从而可以降低打气泵对整车能量的消耗。2.2助力转向控制策略的优化及效果

目前纯电动客车的助力转向的控制逻辑是挂档或者松开手刹，助力转向就开始以额定功率开始工作[10]。该控制策略忽略了对其频率的控制。

本文对助力转向的控制增加了对其电源通过频率的控制，通过设定不同的控制指令，可控制助力转向的电源输出频率和输出电压，如表2所示。通过该控制方式，可以设定不同车速下助力转向泵的使用频率和电压值，一方面车辆处于高速时降低转向泵的工作频率和电压，降低了助力转向泵的电耗值，为了验证效果，优化前后各进行了2次试验，优化前后助力转向能耗功率的对比：试验一，0.72 kW下降为0.56 kW；试验二，0.71 kW下降为0.57 kW。另一方面，车辆在高速运行时，导致驾驶员打转向的力度需要增加，因此提高了转向的安全性。

表2 助力转向工作电压和频率真值表

2.3 试验结果验证

综合上述控制策略的优化，将优化前后的控制策略应用于所述车辆进行多工况的能耗测试，起始SOC皆为100%，其优化前后的测试结果如表3所示。

表3 典型城市工况下的试验结果

3 结束语

本文以10.5 m纯电动客车为研究对象，为提高驱动系统效率为目标，研究了纯电动客车运行效率所涉及的有关问题，具体包括电机需求扭矩梯度的管理策略及部分高压部件的控制策略的优化，并试验验证了所提出方法的有效性。

[1]刘永，冯赞.节能与新能源汽车的发展[J].客车技术与研究，2010，32（1）：4-7.

[2]徐志峰.分布式电驱动汽车操纵稳定性与能量效率优化控制研究[D].北京：北京理工大学，2016.

[3]汪贵平.纯电动汽车驱动与制动能量回收控制策略研究[D].西安：长安大学，2009.

[4]窦国伟，刘奋，程浩，等.纯电动轿车整车驱动控制策略开发实践[J].上海汽车，2010（5）：8-11.

[5]赵子亮，刘东秦，刘明辉，等.并联混合动力汽车控制策略与仿真分析研究[J].机械工程学报，2005（12）：13-18.

[6]王业琴.电动城市客车运行能效关键技术研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

[7]张琼，高松，王玉成，等.纯电动大客车动力系统参数匹配与仿真分析[J].山东理工大学学报：自然科学版，2016（1）：12-17.

[8]周飞鲲.纯电动汽车动力系统参数匹配及整车控制策略研究[D].长春：吉林大学，2013.

[9]张显胜，张宏潇.纯电动客车Cruise模型参数修正与经济性研究[J].客车技术与研究，2012，34（5）：5-6.

[10]王猛，孙泽昌.电动汽车驱制动能耗特性研究：中国汽车工程学会年会论文集[C].北京：北京理工大学出版社，2013.

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

王钦普（1964-），男，研究员；泰山学者；技术总监；主持国家新能源汽车产业创新工程项目和国家科技支撑计划项目的技术研发和实施工作。