兼顾不同驾驶特性的纯电动客车能量控制策略优化

2021-12-25王坤俊王双娥赵芮烽

客车技术与研究 2021年6期

汪帆，王坤俊，王双娥，王焯，赵芮烽

(中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412007)

发展纯电动客车是改善能源与环境问题的重要途径[1]，现阶段，各厂商主要聚焦于先进动力系统、高效传动系统、轻量化、低滚阻等与车辆本身相关的节能技术[2]，忽视了对驾驶员的驾驶特性习惯等与“人”相关的研究[3]。本文通过分析，从控制层面提出兼顾不同驾驶特性以降低车辆能耗的措施。

1 驾驶特性对能耗影响的测试分析

驾驶特性指的是驾驶员在对路况信息处理过程中所表现出来的自身感知、判断及操作特性[4]。谨慎型驾驶员会表现出缓慢的加、减速，而激进型驾驶员会表现出跟车距离近，经常性加速超车、减速避障等行为。

1.1 试验方案及结果

以某一辆12 m纯电动客车为测试对象，试验地点为某城市的郊区公交线路，单边25 km，每天模拟公交工况试运营往返两趟约100 km，以充电桩充电数据计算能耗。车辆为空载不开空调运行，5名驾驶员各驾驶6天，电耗试验数据统计见表1。

表1 电耗试验数据统计 kW·h/100 km

1.2 试验结果及分析

选取其中能耗平均值最优(驾驶特性为车辆起步缓和，行驶速度适中，轻度制动为主的谨慎型驾驶员5)及最差(驾驶特性为车辆起步偏急，经常加速超车及减速避障，平均制动行程偏高的激进型驾驶员3)的两名驾驶员的试验结果进行分析。为更加直观对比驾驶特性造成的能耗差异，将驾驶员3的第3天数据(能耗最高)和驾驶员5的第6天数据(能耗最低)具体分析，采集到的车速制成单值图，如图1所示。

图1所示两样本中激进型驾驶员3车速均值为33.5 km/h，常用车速在30～50 km/h间，且高速区间很密集，最高车速大于60 km/h。谨慎性驾驶员5车速均值为28 km/h，接近于UITP(国际公共交通协会)定义的郊区工况平均车速25 km/h[5]。

图1 不同驾驶特性的车速单值对比

由于城市客车电机设计的高效区间车速适用于一般公交工况，激进型驾驶特性平均车速偏高，导致电驱动系统的工作效率降低[6]；同时高速行驶需要大功率、大电流，导致车载能源(动力电池、电容等)内损增大，进一步降低效率，而且寿命也降低。故从系统效率评判谨慎型驾驶员5的驾驶特性更好。

定义一次开始启动至下一次停车这段过程为一个运动学片段[7]。根据试验记录计算、整理出部分数据，见表2。表2中的能量回收时间包括制动阶段和滑行阶段。

表2 不同驾驶特性的部分指标对比

从图1和表2可知，驾驶员3在本组试验过程中花费的时间比驾驶员5少，其驾驶速度较快，而其运动学片段却更多，说明其启停次数多。在滑行时间比例相似的情况下，速度快、加减速所占的比例少，说明驾驶员3急加速操作多；而制动所占的比例多，说明其制动频率大。

进一步对比两种不同驾驶特性下制动踏板开度，如图2所示。结合图2与表2，驾驶员5在处理制动的过程中，制动踏板深度较浅，且制动时间所占比例少，驾驶员3制动时间长且紧急制动次数多。

图2 制动踏板开度统计对比

目前纯电动客车制动控制逻辑正常为制定踏板深度前30%为电制动，后70%为电制动与气制动共同作用[8]。因此，激进型驾驶特性的驾驶员由于经常采用急制动，导致气制动较多，大部分制动能量以热能形式流失；而谨慎型驾驶特性的驾驶员则经常采用轻度制动，因而电制动较多，制动能量以热能形式流失的情况较少。

2 控制策略改进措施

通过培训，大部分纯电动客车驾驶员都养成谨慎型的驾驶习惯，但还有一部分驾驶员的激进型驾驶特性难以改变。因此需要在控制策略上加以综合考虑，实现在激进型的驾驶习惯下运营也有较好的经济性。

1) 改进起步加速控制策略。现阶段纯电动客车在起步时，其控制策略一般为目标牵引扭矩给定模块根据踏板及电机当前状态给定驾驶员期望目标牵引扭矩。这会导致在激进型驾驶特性起步时，急加速低转速下的电机扭矩很大，即电机所需的电流很大，从而使得电机定子铜损显著增加，电机效率降低[9]。为兼顾此问题，控制策略上，在保证起步加速度满足需求的前提下，降低踏板实际深度的响应灵敏度，使电机目标扭矩响应曲线尽量沿着电机的高效率区间运行，从而提高电机效率[10]。

2) 改进车速控制策略。现有控制策略的车速与加速踏板深度呈正比关系，激进型驾驶员习惯于高加速踏板开度来维持车速，而当车速升高后，电机进入弱磁区，电机转矩下降，效率降低，车辆能耗随车速提高而增加。为兼顾此问题，在整车控制策略中重新标定车速与加速踏板对应关系，降低常用加速踏板开度对应的车速值，从而减少能耗损失。

3) 改进制动控制策略。目前，制动的控制策略为制动踏板特定深度前有一定比例的电制动，超过特定深度后为电制动加气制动，其中气制动转化为热能消耗掉，能量利用率低。由于激进型驾驶特性习惯性地深踩制动踏板，因此导致气制动比例过多造成运营能耗升高。为兼顾此问题，从制动控制策略上进一步提高气制动介入的踏板深度，并适当加大高速状态下电制动强度，且当车辆高速滑行时，设计适当强度的滑行电制动。