基于純電動客車能耗優化的控制策略初探

萬俊

廣東泓勝科技股份有限公司 廣東省佛山市 528244

1 引言

推廣純電動客車的目的在于實現節能、降耗和加強環境保護，所以還應進一步降低純電動客車的能耗，以突顯電動車的優勢。但就目前來看，電動汽車的使用成本較高，導致了用戶望而卻步。因此，還應加強對純電動客車能耗優化的控制策略的研究，以便更好的進行車輛推廣應用。

2 純電動客車能耗分析

2.1 整車性能指標

某客車為取消柴油發動機，換裝電機的純電動車。按照GB18386試驗方法對該客車進行車型試驗，測試使用電量為整車總電量的90%，可以得到表1所示的整車性能指標數據。

2.2 客車能耗分解

為了解該純電動客車能耗情況，還要對整車能耗進行分解，確認在90%的放電深度條件下，哪些項目的能耗較大。通過分析可以發現，驅動能耗占整車能耗的50%，其次能耗較多的則為電機損耗、附件能耗和充放電損耗，分別占整車能耗的14%、13%和13%。而客車傳動損耗占7%，制動損耗占3%。因此綜合比較可以發現，需要尋求途徑降低客車驅動能耗、電機損耗、附件能耗和充放電損耗，以實現純電動客車的能耗優化控制。驅動能耗與客車重量、風阻系數等因素有關。而車重不僅會影響驅動能耗，還將對傳動能耗、制動損耗等各種能耗產生影響。影響客車電機能耗的因素包含發電效率、發電熱損耗等，同時也受能量傳遞因素的影響[1]。附件能耗主要來自于電動助力轉向油泵、電空調等設備，受充放電能耗受設備效率和電池容量等因素的影響。

3 純電動客車能耗優化的控制策略

3.1 整車的輕量化策略

結合純電動客車能耗分析結果可知，整車重量將對客車能耗產生重要影響。而實現整車的輕量化，可以起到實現能耗優化控制的目標。在客車整體造型和尺寸不改變的條件下，考慮到客車改造成本問題，不能對承載系統、制動系統和專項系統進行重新設計或匹配。在此基礎上，想要實現整車輕量化，可以考慮對車輛裝備質量進行輕量化優化。保持客車裝載質量不變，通過減小裝備質量可以使整車總質量得到減輕，從而達到降低整車能耗的問題。通過詳細分析可以發現，該純電動客車采用的動力電池為磷酸鐵鋰電池，給客車帶來了較大的負荷。利用多元復合鋰電池進行替換，可以使整車重量減輕500kg，達到降低0.024kW h/km的目的[2]。考慮車型原有結構，繼續降低裝備質量將導致整車承載的制動系統、轉向系統等系統得到重新校核和匹配，將導致改造成本增加，難以對整車裝備質量進行進一步降低，只能初步完成整車輕量化改造。

表1 整車性能指標數據

表2 純電動客車能耗優化控制前后的能耗數據對比結果

3.2 電機扭矩控制策略

針對電機損耗，還要采用優化控制策略對電機扭矩波動進行抑制，從而通過減少電池電流波動降低電機損耗。在客車行駛的過程中，驅動電機在對駕駛員的操作進行響應時，容易出現不合理的波動，繼而引發電池波動。結合油門開度情況和扭矩需求，同時對ABS工作狀態展開分析，可以確定電機目標扭矩。利用特定扭矩梯度，結合目標扭矩進行扭矩需求的發送，則能使電機控制器更好的實現扭矩控制，達到合理調節扭矩的目標。在ABS處于工作狀態的情況下，扭矩梯度與ABS介入時的扭矩梯度相等。在ABS處于非工作狀態時，扭矩梯度則需要按照MAP表確定[3]。在電機的非高效區域，需要迅速完成扭矩增減。在高效區，需要緩慢進行扭矩增減，從而使增扭和降扭過程保持平穩，提高駕駛舒適性，并通過提高電機效率減少電機損耗。從測試結果來看，采取該種優化控制策略，可以使電機損耗降低0.119kW h/km。

3.3 助力轉向優化控制

在附件能耗中，助力轉向的能耗較大。針對這一情況，還要實現助力轉向優化控制，以達到降低附件能耗的目的。該純電動客車采用掛擋和松開手剎后助力轉向以額定功率工作的控制邏輯，未能實現對助力轉向頻率的較好控制。結合問題，可以通過設定不同的控制指令對助力轉向的電源輸出頻率進行控制，從而通過調整助力轉向泵的使用頻率，滿足不同車速條件下客車轉向需求。比如在車速＜10km/h的條件下，發送控制指令0，可以將泵的頻率設定為50Hz，額定電壓則為380V。在車速≥60km/h的條件下，發送控制指令6，可以將泵的頻率設定為20Hz，額定電壓則為152V。采用該種策略，能夠使高速行駛車輛的助力轉向泵的工作頻率和電壓得到降低，從而達到減少裝置能耗的目標。此外，對于駕駛員來講，意味著需要在高速運行中增加打轉向的力度，因此可以使客車駕駛的安全性得到提高。

3.4 其他優化控制策略

除了采用以上策略，還可以通過提高電池充放電能量效率降低充放電損耗。比如采用多元復合鋰電池，就能使電池充放電能量效率提高1%。采用高效充電機，也能使充電機效率提高1%。在傳動方面，也可以采取改善潤滑等措施，達到提高傳動效率的目的。此外，也可以采用低滾阻輪胎降低滾阻系數，降低車輛驅動能耗。通過采用多種降耗措施，可以使純電動客車能耗得到優化。如表2所示，為采取多種措施后各項目在優化前后的能耗數據對比結果。從總體上來看，通過實現車輛輕量化和電機扭矩、助力轉向優化控制，使驅動能耗、電機損耗和附件能耗得到了有效降低。通過更換動力電池和提高充電機效率，使車輛充放電損耗得到了有效降低。此外，實現車輛輕量化和采取其他優化控制措施，也對其他項目能耗產生了影響，最終使整車總能耗降低了13.5%。

4 結語

通過研究可以發現，針對純電動客車，還要加強車輛能耗分析，掌握影響車輛能耗的各種因素，通過采取車輛輕量化、電機扭矩優化控制、助力轉向優化控制等各種降耗措施，降低整車的總體能耗，從而在加強純電動客車推廣應用的同時，為車輛運行帶來更多的經濟效益和社會效益。