纯电动环卫车整车控制策略

赵金宝

（河南工业贸易职业学院 汽车工程学院，河南 郑州 450000）

电动环卫车作为一种节能环保的新能源汽车，不仅可以作为垃圾清运使用，还可以减轻环境污染问题，已经成为城市居民日常生活中的重要部分。整车控制策略作为其核心部件，它的优劣直接影响驱动系统的效率，并对整车的动力性、经济性有很大的影响。

1 研究对象

1.1 整车参数

本文以一款压缩式纯电动垃圾车为研究对象，整车基本参数如表1所示。

表1 整车基本参数表

对纯电动环卫车所要求的动力性指标有30 min最高车速：≥100 km/h；最大爬坡度：≥35%；0 km/h～50 km/h的加速时间：≤12 s。

1.2 动力系统构型及参数匹配

图1为系统构型，系统采用的是双电机，它们分别与变速箱和行星排耦合。行星架可以进行锁止，行星排连接的是2挡变速器。当结合套处于位置Ⅰ，此时为1挡，动力由齿圈输出；当结合套在Ⅱ位置，此时为空挡，动力不输出；当结合套在Ⅲ位置，此时为2挡，动力由齿圈输出。

图1 纯电动环卫车动力系统构型图

作业电机通过行星机构的太阳轮进行动力输出，通过气压离合器实现动力的通断。当气压离合器结合时，行星架和太阳轮空转，驱动电机驱动车辆行驶，作业电机驱动作业装置作业；当气压离合器分离时，驱动电机和作业电机共同驱动车辆行驶。该系统可以同时满足驱动和作业的使用需求。可实现停车作业、行驶作业、单独行驶三种工况，可以降低系统功率及转矩冗余，提高效率。

动力系统有六种工作模式如表2所示。

表2 动力系统工作模式表

基于纯电动环卫车的动力性指标，进行参数匹配，包括双电机、传动比和动力电池的参数计算，表3为最终匹配结果，并在Simulink中搭建整车动力学模型。

表3 双电机与变速箱主要参数表

2 整车控制策略

2.1 双电机转矩分配策略

基于动力系统特点，行驶驱动可以由驱动电机单独驱动、驱动电机与作业电机共同驱动两种模式。0 km/h～60 km/h时，双电机共同驱动；60 km/h～100 km/h，驱动电机单独驱动。

文中以系统效率最优为目标，根据双电机各自的驱动效率Map图，如图2所示。在1挡和2挡状态下分别对驱动电机输出转矩的分配进行全局离线寻优。电驱动系统的效率为双电机、变速箱以及传动机构组成的驱动系统效率。驱动系统的优化模型

图2 电机效率Map图

式中，η为驱动系统效率，Td为主减速器的输入端转矩，Nm；nd为主减速器输入端转速，r/min；T1、T2分别为驱动电机与作业电机的输出转矩，Nm；n1、n2分别为驱动电机与作业电机的输出转速，r/min；η1、η2分别为驱动电机、作业电机在各自转速、输出转矩下的效率。

基于MATLAB进行仿真运算，得到两个挡位的驱动系统效率表，如图3所示。

图3 变速箱1、2挡时系统效率表

2.2 系统效率最优换挡策略

对于0 km/h～100 km/h内所有工作点，驱动电机均参与驱动过程，因此，需要对其全部工作点制定换挡策略。根据驱动系统效率表，可以得出驱动电机工作点处系统的最高效率，对得到的结果进行列表，形成两个挡位分界线，而后添加结合动力性能的降挡线，形成系统最优的换挡曲线。

根据全车速和驱动系统外特性，车速在60 km/h～100 km/h范围内的所有工作点，采用驱动电机独立驱动方式，在2挡时可以达到转速要求；在0 km/h～60 km/h区域内采用双电机驱动方式，由驱动系统外特性可以得出，在双电机低速大转矩区域，需要采用1挡；在双电机可换挡区，1挡、2挡两个挡位均能满足车辆的行驶需求；在双电机高转速区，采用2挡，以上四个区域，如图4(a)所示。

根据两个挡位的驱动系统效率表，针对双电机可换挡区域的任一工作点，选择高效的挡位。所有工作点选择挡位后，将两个挡位的边界连线，可得到双参数经济性换挡规律的升挡线，如图4(b)所示。

图4 工作区域及效率对比

2.3 双电机变速箱协同驱动控制策略

对于0 km/h～60 km/h范围内的所有工作点，对于任意车速和油门踏板开度，由换挡规律，可知应选挡位，进而可计算驱动系统输出轴的需求转矩。根据车速可以得到驱动系统输出轴的转速。依据驱动系统输出轴转速、挡位和需求转矩，可以得到驱动电机的输出转矩。对于60 km/h～100 km/h范围内的所有工作点，与上述步骤类似，对于任意车速和油门踏板开度，由换挡规律，可知应选的合适挡位，进而确定驱动电机的输出转矩。可得到转速范围内所有工作点的转矩分配，即形成双电机变速箱驱动系统协同控制策略。

3 仿真分析

中国重型商用车瞬态工况（China World Transient Vehicle Cycle, C-WTVC）分为0 s～900 s为市区工况，901 s～1 368 s为公路工况，1 369 s～1 800 s为高速工况。因纯电动环卫车只在市区和公路工况中运行，所以本文选取的仿真工况为前1 368 s。

图5为纯电动环卫车在运行过程中，车辆总需求转矩和驱动电机的转矩变化及动力电池荷电状态（State Of Charge, SOC）变化情况。在整个循环工况下，SOC变化较为平缓，在某些时段内，有小幅度上升的趋势。

图5 运行过程中扭矩及SOC变化曲线

该动力系统构型有多种模式，行驶模式、作业模式以及行驶+作业模式，各种模式的驱动形式有：（1）驱动电机1挡单独驱动；（2）驱动电机2挡单独驱动；（3）驱动电机1挡+作业电机；（4）驱动电机1挡+作业电机联合驱动；（5）驱动电机2挡+作业电机联合驱动。

不同驱动形式下，纯电动环卫车爬坡曲线如图6(a)所示，驱动电机在变速箱1挡和作业电机耦合工作时，最大爬坡度超过35%。

图6 动力性曲线图

在驱动电机1挡和作业电机耦合工作时加速最快，纯电动环卫车加速曲线如图6(b)所示，0 km/h～50 km/h加速时间小于10 s。

驱动系统的经济性测试，分别基于等速法与工况法（C-WTVC），仿真结果如表4所示。驱动电机和作业电机耦合工作，变速箱1挡时，最大爬坡度可超过35%，性能指标达到了要求。

表4 纯电动环卫车仿真结果

表5为原策略与新制定策略相比，新制定控制策略车辆在0 km/h～50 km/h加速时间、工况电耗方面较均现有产品有所提升，在最高车速、爬坡能力方面与现有产品基本持平。

表5 车辆动力性经济性对比

4 结论

本文以有多种工作模式的纯电驱动环卫车为研究对象。制定了双电机转矩分配策略、效率最优换挡策略、双电机变速箱协同控制策略，通过仿真分析证明驱动电机和作业电机可以工作在高效区，符合使用需求且动力性及经济性较原策略分别提升了19.7%、9.8%。