純電城市公交智慧節(jié)能的算法與實踐驗證

林元則，張軍城，韋健林，劉德春，楊松銘，葉 挺

（浙江吉利新能源商用車集團有限公司，浙江 杭州 310051）

1 引言

2022年，公共領(lǐng)域用車的新能源化將是一大突破點，公共領(lǐng)域車輛的“油電轉(zhuǎn)換”不僅有利于“雙碳”目標(biāo)的達成，還將對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到強勁的帶動作用，按相關(guān)政策規(guī)劃：到2035年公共領(lǐng)域用車將全面實現(xiàn)電動化。據(jù)公安部統(tǒng)計，截至2022年3月底，全國新能源汽車保有量達891.5萬輛，占汽車總量的2.90%。一季度新注冊登記新能源汽車111萬輛，占新注冊登記汽車總量的16.91%，與去年同期相比增加64.4萬輛，增長138.20%，呈高速增長態(tài)勢。

隨著新能源汽車的普及，新能源汽車的節(jié)能與能量回收技術(shù)成為一個熱門課題。目前相關(guān)的研究已有很多，但主要集中在車輛的制動能量回收策略領(lǐng)域，例如行駛工況和駕駛風(fēng)格耦合、制動力分配策略、制動扭矩控制策略、再生制動控制策略等。對于車輛滑行過程的能量回收也有一定的研究，但由于研究對象及方法和策略的差異，研究結(jié)果有所不同。有研究表明：適當(dāng)?shù)幕心芰炕厥沼兄谛熊嚬?jié)能，例如使用超級電容實現(xiàn)滑行能量的回收、通過智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)預(yù)測性滑行能力回收、通過先加速后滑行的PnG駕駛策略等；但也有研究表明：部分情況下，滑行過程的能量回收不利于車輛整體的節(jié)能。

相對而言，目前針對純電城市公交的節(jié)能研究，尤其是存在頻繁加減速工況時起步加速階段的節(jié)能研究相對較少，對純電城市公交高速行駛工況的能量回收也缺乏研究。本文以純電城市公交車為研究對象，通過優(yōu)化驅(qū)動電機加速階段的扭矩控制，動態(tài)調(diào)整高速行駛階段驅(qū)動電機的扭矩值，實現(xiàn)了驅(qū)動階段整車的智慧節(jié)能功能，并通過不同路段的實車試驗驗證了本策略的可行性。

2 研究對象

本文的研究對象是一款吉利遠程品牌的12m純電城市公交車，其外觀如圖1所示。

圖1 遠程品牌12m純電城市公交樣車

該車的動力驅(qū)動使用永磁同步電動機，由電機直驅(qū)，電機最大功率為350kW，最大輸出扭矩為2800Nm，額定功率為215kW，所用動力電池為磷酸鐵鋰動力電池，電池總?cè)萘繛?22.87kWh，其他主要參數(shù)見表1。

表1 純電城市公交樣車主要參數(shù)

3 智慧節(jié)能策略

驅(qū)動工況是指加速踏板開度不為0時，電機響應(yīng)加速踏板信號輸出相應(yīng)的驅(qū)動力的工況。驅(qū)動工況可以分為需要較大加速度來提速的起步加速階段和幾乎沒有加速度的速度保持階段。城市公交車穿梭于繁華的城市路段，除了繁多的交通信號燈之外，相對于其他車輛而言還有較多的公交站點需要?？?，因此其起步加速階段所占的比例有大幅提升。

3.1 起步加速階段的節(jié)能策略

考慮到城市公交車需要較多的起步與加速，本文針對性地提出一種車輛起步加速階段的節(jié)能策略。在車輛起步加速階段，尤其是速度不超過15km/h（驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速不超過500 r/min）的低速階段，此時電機系統(tǒng)效率較低，大多處于90%以下，節(jié)能策略應(yīng)當(dāng)是在此階段盡量提高電機的系統(tǒng)效率。

從整車能量流分析，能量由動力電池傳輸至電機，再經(jīng)電機將電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動的機械能經(jīng)由傳動系統(tǒng)傳輸給驅(qū)動輪帶動整車行駛。

在此過程中，車輛行駛速度可以表示為：

驅(qū)動電機的能耗功率可以表示為：

驅(qū)動電機的驅(qū)動功率可以表示為：

車輛行駛速度與驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系可以表示為：

由上述式（1）～（4）可得：

即：

式（1）～（6）中：v——車輛行駛速度；s——對應(yīng)時間段內(nèi)車輛行駛的路程；P——驅(qū)動電機的能耗功率；E——對應(yīng)時間段內(nèi)驅(qū)動電機的能耗；P——驅(qū)動電機的驅(qū)動功率；T——電機實際輸出的扭矩；ω——電機旋轉(zhuǎn)的角速度；η——電機系統(tǒng)的驅(qū)動效率，其是電機扭矩T與轉(zhuǎn)速n的函數(shù)；i——傳動系統(tǒng)減速比；R——車輪滾動半徑。

根據(jù)式（6）可知，車輛行駛路程s過程中驅(qū)動電機所消耗的能量為E，由于傳動系統(tǒng)減速比i與車輪滾動半徑R均為定值，因此對于固定的路程s，為使其所消耗的能量E最小，則需要在此過程中使用較小的驅(qū)動電機扭矩T以及對應(yīng)較大的電機系統(tǒng)效率η（T，n）。如圖2所示為電機效率圖，為實現(xiàn)上述目的，在低速階段對于驅(qū)動電機同一轉(zhuǎn)速下應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂齐姍C扭矩大小以達到高效區(qū)。

圖2 驅(qū)動電機系統(tǒng)效率圖

考慮到車輛低速階段的加速需求，因此只能在一定程度上限制低速階段的電機扭矩。本文所研究的純電城市公交車還需要保障在起步加速階段的平穩(wěn)以保障乘客尤其是無座乘客的安全與舒適的乘車體驗，因此本文針對性地提出了起步加速階段扭矩限制的節(jié)能策略，其流程如圖3a所示，當(dāng)判斷到智慧節(jié)能功能打開，車輛處于低速起步的加速階段，駕駛員踩踏加速踏板的開度超過閾值時，通過扭矩限制算法在不影響駕駛感受和加速需求的基礎(chǔ)上對扭矩做一定的限制，以提高電機系統(tǒng)效率η（T，n），進而實現(xiàn)節(jié)能目的。

圖3 智慧節(jié)能策略流程圖

3.2 高速行駛階段的節(jié)能策略

本文所研究的純電城市公交車標(biāo)定的最高車速為80km/h，在實際運行路段，車輛的行駛速度一般在30～70km/h，在該高速行駛階段，本文主要通過動態(tài)調(diào)整驅(qū)動電機扭矩，使電機系統(tǒng)高效運行，以達到節(jié)能目的。其流程如圖3b所示，當(dāng)判斷到智慧節(jié)能功能打開，車輛處于高速行駛階段時，通過動態(tài)扭矩調(diào)整算法實時優(yōu)化驅(qū)動電機的輸出扭矩，以提高電機系統(tǒng)效率η（T，n），進而實現(xiàn)節(jié)能目的。

本文所述驅(qū)動電機的扭矩動態(tài)調(diào)整算法如圖4所示，其可以表示為：

式（7）、（8）中：T——驅(qū)動電機的實時轉(zhuǎn)速n所對應(yīng)的最高效的驅(qū)動扭矩；T——驅(qū)動電機的實時扭矩；k——計算的比例系數(shù)；u——計算出的驅(qū)動電機扭矩動態(tài)調(diào)整量；T——計算輸出的最優(yōu)扭矩。

如圖4所示，該算法首先通過驅(qū)動電機的實時轉(zhuǎn)速n和驅(qū)動電機的系統(tǒng)效率分布情況計算出對應(yīng)的最優(yōu)扭矩T，然后將驅(qū)動電機的實時扭矩T與上述最優(yōu)扭矩T做對比并計算得出驅(qū)動電機扭矩動態(tài)調(diào)整量u，該動態(tài)調(diào)整量u通過上下限范圍限制之后，與驅(qū)動電機的實時扭矩T共同計算得出最優(yōu)扭矩T，該扭矩通過上下限范圍限制和變化速率限制之后，最終輸出為該算法輸出的期望扭矩T。

圖4 動態(tài)扭矩控制算法示意圖

3.3 動力電池充電策略

當(dāng)智慧節(jié)能功能啟動后，驅(qū)動電機變成發(fā)電機，當(dāng)滿足特定條件后，可以為動力電池充電，驅(qū)動電機為動力電池充電的功率滿足下列關(guān)系：

式（9）中：P——驅(qū)動電機為動力電池充電的功率；η——電路系統(tǒng)充電效率；P——驅(qū)動電機的發(fā)電功率；P——車載附件的能耗功率。

可以看出，為使驅(qū)動電機能夠給動力電池充電，驅(qū)動電機的發(fā)電功率需超過車載附件的耗電功率，且發(fā)電功率越大電池的充電功率越大，但同時應(yīng)滿足發(fā)電機為動力電池的充電功率的最大值應(yīng)小于動力電池充電的額定功率，即：

式（10）中：P——動力電池充電的額定功率；P——驅(qū)動電機為動力電池充電的最大功率。

為避免對動力電池造成過充危害，本文所提出的智慧節(jié)能算法與電池SOC值之間建立了條件關(guān)系：

式（11）中：SW——智慧節(jié)能算法開關(guān)標(biāo)志位，即當(dāng)動力電池SOC值低于97%時該智慧節(jié)能算法開始工作，條件滿足時電池可以被驅(qū)動電機充電；當(dāng)動力電池SOC值高于98%時該智慧節(jié)能算法停止工作，電池正常耗電；在智慧節(jié)能功能開始工作與停止工作之間設(shè)置了1%的回滯區(qū)間，可在一定程度上避免在臨界點充放電頻繁切換對動力電池造成的危害。

4 試驗驗證分析

4.1 試驗描述

針對本文所設(shè)計的智慧節(jié)能算法，本研究在純電城市公交車上進行了3組試驗。試驗開始之前，先將對應(yīng)的控制算法通過相關(guān)工具燒制至車輛VCU中，然后在駕駛員操縱臺加裝了智慧節(jié)能功能開關(guān)，以便通過開關(guān)打開或關(guān)閉智慧節(jié)能功能，進而對比有無智慧節(jié)能功能時車輛的狀態(tài)。

第1組試驗選擇常見的城市道路與城郊公路的組合，試驗道路從廠區(qū)出發(fā)，沿途經(jīng)過城郊公路、城市道路、城市高架橋等常見路況，單程約23.4km，共計27個紅綠燈，試驗線路如圖5所示。

圖5 第1組試驗線路圖

試驗開始前，先將車輛動力電池充滿。試驗首日做關(guān)閉智慧節(jié)能功能的試驗，試驗當(dāng)天天氣陰，氣溫7～16℃，試驗過程中最高車速為79km/h，行駛車速主要為30～70km/h；次日做開啟智慧節(jié)能功能的試驗，試驗當(dāng)天天氣陰，氣溫7～14℃，試驗過程中最高車速為72km/h，行駛車速主要為30～65km/h。本組兩次試驗天氣條件基本相同，低溫一致高溫略有差異，但差異較小；實驗過程中因為交通因素最高車速略有差異，但是總體速度分布基本相同。兩次試驗分別沿上述道路往返4次，行駛總里程約94km，在試驗過程中，試驗人員通過CANoe工具實時記錄整車CAN網(wǎng)絡(luò)信息。

第2組試驗道路依然是城市道路與城郊公路的組合，試驗道路從廠區(qū)出發(fā)，沿途經(jīng)過城郊公路、城市道路、城市快速路等常見路況，并最終回到廠區(qū)，線路全程約45.7km，共計62個紅綠燈，試驗線路如圖6所示。

圖6 第2組試驗線路圖

第2組試驗與第1組試驗基本相似，試驗首日做關(guān)閉智慧節(jié)能功能的試驗，當(dāng)天天氣小雨，氣溫6～11℃，試驗過程中最高車速為77km/h，行駛車速主要為40～70km/h；次日做開啟智慧節(jié)能功能的試驗，當(dāng)天天氣小雨，氣溫6～9℃，試驗過程中最高車速為77km/h，行駛車速主要為40～70km/h。本組兩次試驗天氣條件基本相同，低溫一致高溫略有差異，但差異較小；試驗過程中車速分布基本一致。

第3組試驗道路選擇廠區(qū)周邊一條公交路線，并由專業(yè)駕駛員模擬公交駕駛情況駕車行駛，此線路城市道路所占比例大幅提升并按公交站點停車，線路單程全長約17.4km，共計27個公交站點，試驗線路如圖7所示。

圖7 第3組試驗公交線路圖

第3組兩次試驗在同一天進行，試驗當(dāng)天天氣小雨，氣溫4～8℃。實驗當(dāng)天先將車輛動力電池充滿，關(guān)閉智慧節(jié)能功能并在此公交線路上行駛一次往返，然后再次將車輛動力電池充滿，開啟智慧節(jié)能功能并在此公交線路上行駛一次往返。兩次試驗往返行駛各約35km，試驗過程中最高車速約為65km/h，行駛車速主要分布在28～60km/h。

4.2 節(jié)能數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)束后，讀取CANoe記錄的驅(qū)動電機數(shù)據(jù)，在本文3組試驗中CANoe記錄驅(qū)動電機數(shù)據(jù)的頻率為100Hz，即每秒記錄100組驅(qū)動電機的實時數(shù)據(jù)。然后使用驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速與扭矩通過插值的方法計算各個數(shù)據(jù)時刻驅(qū)動電機的系統(tǒng)效率，并將同一組試驗記錄的數(shù)據(jù)繪制到驅(qū)動電機系統(tǒng)效率圖中，如圖8所示，其中圖8a、8b、8c分別對應(yīng)第1～3組試驗。

從圖8中可以看出：在同一組試驗中，對于驅(qū)動電機同一轉(zhuǎn)速下，開啟智慧節(jié)能功能后其系統(tǒng)效率分布更集中于高效區(qū)域。分別統(tǒng)計3組試驗中驅(qū)動工況下的電機系統(tǒng)效率分布數(shù)據(jù)占比情況如圖9所示，圖9中分別統(tǒng)計了驅(qū)動工況下電機系統(tǒng)效率高于96%、介于95%～96%、介于94%～95%以及低于94%的數(shù)據(jù)情況。統(tǒng)計方法為首先統(tǒng)計出驅(qū)動工況的總數(shù)量，然后統(tǒng)計出對應(yīng)高效區(qū)域工況的數(shù)量，最后計算后者所占前者的比例。

圖8 電機系統(tǒng)效率分布圖

從圖9中可以看出開啟智慧節(jié)能功能后其在電機高效區(qū)所占的比例均高于關(guān)閉智慧節(jié)能功能的比例。通過各組試驗對比來看，當(dāng)車速相對較高（第2組試驗）時，驅(qū)動電機高效區(qū)所占的比例最大，當(dāng)車輛啟停較多（第3組試驗）時，驅(qū)動電機高效區(qū)所占的比例最小。

圖9 電機系統(tǒng)效率占比統(tǒng)計對照圖

最后，統(tǒng)計3組對比試驗的能耗情況見表2。從表2中可以看出，在同一組試驗內(nèi)，車輛行駛路況一致、行駛里程相同的情況下，開啟智慧節(jié)能功能后其所消耗的能量均小于關(guān)閉智慧節(jié)能功能的能耗，換算成百公里平均能耗后計算其節(jié)能率分別為：8.28%、6.30%、9.86%。其中節(jié)能率計算方式如下：

式（12）中：η——智慧節(jié)能算法的節(jié)能率；E——關(guān)閉智慧節(jié)能功能的百公里平均能耗；E——開啟智慧節(jié)能功能的百公里平均能耗。

分析表2數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)車速相對較高且啟停較少（第2組試驗）時，本算法的節(jié)能率最小。相反的，當(dāng)車輛啟停較多且車速相對較低（第3組試驗）時，本算法的節(jié)能率最大，這主要是本算法針對公交車啟停較多的行駛工況，優(yōu)化了起步加速階段的扭矩控制方法，實驗說明該算法節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)語

本文針對純電城市公交車的運行工況，提出了一種基于驅(qū)動電機扭矩動態(tài)實時調(diào)整的智慧節(jié)能算法，該算法可以實時根據(jù)驅(qū)動電機的運行工況對驅(qū)動扭矩做適當(dāng)調(diào)整，使驅(qū)動電機在各工況下盡可能運行在電機系統(tǒng)效率較高的范圍內(nèi)。在該算法的基礎(chǔ)上，本文使用吉利遠程品牌的純電城市公交車在不同路況下完成了3組試驗，實驗結(jié)果表明該智慧節(jié)能算法有效，以百公里平均能耗計算其節(jié)能率分別為8.28%、6.30%、9.86%。本文內(nèi)容對新能源汽車尤其是純電城市公交車的節(jié)能研究具有參考意義。

表2純電城市公交車節(jié)能對比試驗數(shù)據(jù)表