純電城市公交智慧節(jié)能的算法與實(shí)踐驗(yàn)證

林元?jiǎng)t，張軍城，韋健林，劉德春，楊松銘，葉 挺

（浙江吉利新能源商用車(chē)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310051）

1 引言

2022年，公共領(lǐng)域用車(chē)的新能源化將是一大突破點(diǎn)，公共領(lǐng)域車(chē)輛的“油電轉(zhuǎn)換”不僅有利于“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成，還將對(duì)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到強(qiáng)勁的帶動(dòng)作用，按相關(guān)政策規(guī)劃：到2035年公共領(lǐng)域用車(chē)將全面實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2022年3月底，全國(guó)新能源汽車(chē)保有量達(dá)891.5萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的2.90%。一季度新注冊(cè)登記新能源汽車(chē)111萬(wàn)輛，占新注冊(cè)登記汽車(chē)總量的16.91%，與去年同期相比增加64.4萬(wàn)輛，增長(zhǎng)138.20%，呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

隨著新能源汽車(chē)的普及，新能源汽車(chē)的節(jié)能與能量回收技術(shù)成為一個(gè)熱門(mén)課題。目前相關(guān)的研究已有很多，但主要集中在車(chē)輛的制動(dòng)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(dòng)力分配策略、制動(dòng)扭矩控制策略、再生制動(dòng)控制策略等。對(duì)于車(chē)輛滑行過(guò)程的能量回收也有一定的研究，但由于研究對(duì)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?chē)節(jié)能，例如使用超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)滑行能量的回收、通過(guò)智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性滑行能力回收、通過(guò)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(guò)程的能量回收不利于車(chē)輛整體的節(jié)能。

相對(duì)而言，目前針對(duì)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(shí)起步加速階段的節(jié)能研究相對(duì)較少，對(duì)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(chē)為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速階段的扭矩控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整高速行駛階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩值，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)階段整車(chē)的智慧節(jié)能功能，并通過(guò)不同路段的實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了本策略的可行性。

2 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是一款吉利遠(yuǎn)程品牌的12m純電城市公交車(chē)，其外觀如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程品牌12m純電城市公交樣車(chē)

該車(chē)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)使用永磁同步電動(dòng)機(jī)，由電機(jī)直驅(qū)，電機(jī)最大功率為350kW，最大輸出扭矩為2800Nm，額定功率為215kW，所用動(dòng)力電池為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，電池總?cè)萘繛?22.87kWh，其他主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 純電城市公交樣車(chē)主要參數(shù)

3 智慧節(jié)能策略

驅(qū)動(dòng)工況是指加速踏板開(kāi)度不為0時(shí)，電機(jī)響應(yīng)加速踏板信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力的工況。驅(qū)動(dòng)工況可以分為需要較大加速度來(lái)提速的起步加速階段和幾乎沒(méi)有加速度的速度保持階段。城市公交車(chē)穿梭于繁華的城市路段，除了繁多的交通信號(hào)燈之外，相對(duì)于其他車(chē)輛而言還有較多的公交站點(diǎn)需要停靠，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(chē)需要較多的起步與加速，本文針對(duì)性地提出一種車(chē)輛起步加速階段的節(jié)能策略。在車(chē)輛起步加速階段，尤其是速度不超過(guò)15km/h（驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)500 r/min）的低速階段，此時(shí)電機(jī)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(jī)的系統(tǒng)效率。

從整車(chē)能量流分析，能量由動(dòng)力電池傳輸至電機(jī)，再經(jīng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)傳輸給驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)整車(chē)行駛。

在此過(guò)程中，車(chē)輛行駛速度可以表示為：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗功率可以表示為：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率可以表示為：

車(chē)輛行駛速度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(chē)輛行駛速度；s——對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)車(chē)輛行駛的路程；P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗功率；E——對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗；P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率；T——電機(jī)實(shí)際輸出的扭矩；ω——電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度；η——電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率，其是電機(jī)扭矩T與轉(zhuǎn)速n的函數(shù)；i——傳動(dòng)系統(tǒng)減速比；R——車(chē)輪滾動(dòng)半徑。

根據(jù)式（6）可知，車(chē)輛行駛路程s過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)所消耗的能量為E，由于傳動(dòng)系統(tǒng)減速比i與車(chē)輪滾動(dòng)半徑R均為定值，因此對(duì)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(guò)程中使用較小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩T以及對(duì)應(yīng)較大的電機(jī)系統(tǒng)效率η（T，n）。如圖2所示為電機(jī)效率圖，為實(shí)現(xiàn)上述目的，在低速階段對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)同一轉(zhuǎn)速下應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂齐姍C(jī)扭矩大小以達(dá)到高效區(qū)。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率圖

考慮到車(chē)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(jī)扭矩。本文所研究的純電城市公交車(chē)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(wú)座乘客的安全與舒適的乘車(chē)體驗(yàn)，因此本文針對(duì)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(kāi)，車(chē)輛處于低速起步的加速階段，駕駛員踩踏加速踏板的開(kāi)度超過(guò)閾值時(shí)，通過(guò)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(duì)扭矩做一定的限制，以提高電機(jī)系統(tǒng)效率η（T，n），進(jìn)而實(shí)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(chē)標(biāo)定的最高車(chē)速為80km/h，在實(shí)際運(yùn)行路段，車(chē)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(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，使電機(jī)系統(tǒng)高效運(yùn)行，以達(dá)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(kāi)，車(chē)輛處于高速行駛階段時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)扭矩調(diào)整算法實(shí)時(shí)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩，以提高電機(jī)系統(tǒng)效率η（T，n），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

本文所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩動(dòng)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(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n所對(duì)應(yīng)的最高效的驅(qū)動(dòng)扭矩；T——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩；k——計(jì)算的比例系數(shù)；u——計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩動(dòng)態(tài)調(diào)整量；T——計(jì)算輸出的最優(yōu)扭矩。

如圖4所示，該算法首先通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的系統(tǒng)效率分布情況計(jì)算出對(duì)應(yīng)的最優(yōu)扭矩T，然后將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩T與上述最優(yōu)扭矩T做對(duì)比并計(jì)算得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩動(dòng)態(tài)調(diào)整量u，該動(dòng)態(tài)調(diào)整量u通過(guò)上下限范圍限制之后，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩T共同計(jì)算得出最優(yōu)扭矩T，該扭矩通過(guò)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(dòng)態(tài)扭矩控制算法示意圖

3.3 動(dòng)力電池充電策略

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

式（9）中：P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電的功率；η——電路系統(tǒng)充電效率；P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電功率；P——車(chē)載附件的能耗功率。

可以看出，為使驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠給動(dòng)力電池充電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電功率需超過(guò)車(chē)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(shí)應(yīng)滿足發(fā)電機(jī)為動(dòng)力電池的充電功率的最大值應(yīng)小于動(dòng)力電池充電的額定功率，即：

式（10）中：P——?jiǎng)恿﹄姵爻潆姷念~定功率；P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電的最大功率。

為避免對(duì)動(dòng)力電池造成過(guò)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(kāi)關(guān)標(biāo)志位，即當(dāng)動(dòng)力電池SOC值低于97%時(shí)該智慧節(jié)能算法開(kāi)始工作，條件滿足時(shí)電池可以被驅(qū)動(dòng)電機(jī)充電；當(dāng)動(dòng)力電池SOC值高于98%時(shí)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(kāi)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(diǎn)充放電頻繁切換對(duì)動(dòng)力電池造成的危害。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

4.1 試驗(yàn)描述

針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的智慧節(jié)能算法，本研究在純電城市公交車(chē)上進(jìn)行了3組試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始之前，先將對(duì)應(yīng)的控制算法通過(guò)相關(guān)工具燒制至車(chē)輛VCU中，然后在駕駛員操縱臺(tái)加裝了智慧節(jié)能功能開(kāi)關(guān)，以便通過(guò)開(kāi)關(guān)打開(kāi)或關(guān)閉智慧節(jié)能功能，進(jìn)而對(duì)比有無(wú)智慧節(jié)能功能時(shí)車(chē)輛的狀態(tài)。

第1組試驗(yàn)選擇常見(jiàn)的城市道路與城郊公路的組合，試驗(yàn)道路從廠區(qū)出發(fā)，沿途經(jīng)過(guò)城郊公路、城市道路、城市高架橋等常見(jiàn)路況，單程約23.4km，共計(jì)27個(gè)紅綠燈，試驗(yàn)線路如圖5所示。

圖5 第1組試驗(yàn)線路圖

試驗(yàn)開(kāi)始前，先將車(chē)輛動(dòng)力電池充滿。試驗(yàn)首日做關(guān)閉智慧節(jié)能功能的試驗(yàn)，試驗(yàn)當(dāng)天天氣陰，氣溫7～16℃，試驗(yàn)過(guò)程中最高車(chē)速為79km/h，行駛車(chē)速主要為30～70km/h；次日做開(kāi)啟智慧節(jié)能功能的試驗(yàn)，試驗(yàn)當(dāng)天天氣陰，氣溫7～14℃，試驗(yàn)過(guò)程中最高車(chē)速為72km/h，行駛車(chē)速主要為30～65km/h。本組兩次試驗(yàn)天氣條件基本相同，低溫一致高溫略有差異，但差異較小；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因?yàn)榻煌ㄒ蛩刈罡哕?chē)速略有差異，但是總體速度分布基本相同。兩次試驗(yàn)分別沿上述道路往返4次，行駛總里程約94km，在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員通過(guò)CANoe工具實(shí)時(shí)記錄整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)信息。

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

圖6 第2組試驗(yàn)線路圖

第2組試驗(yàn)與第1組試驗(yàn)基本相似，試驗(yàn)首日做關(guān)閉智慧節(jié)能功能的試驗(yàn)，當(dāng)天天氣小雨，氣溫6～11℃，試驗(yàn)過(guò)程中最高車(chē)速為77km/h，行駛車(chē)速主要為40～70km/h；次日做開(kāi)啟智慧節(jié)能功能的試驗(yàn)，當(dāng)天天氣小雨，氣溫6～9℃，試驗(yàn)過(guò)程中最高車(chē)速為77km/h，行駛車(chē)速主要為40～70km/h。本組兩次試驗(yàn)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(yàn)過(guò)程中車(chē)速分布基本一致。

第3組試驗(yàn)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(chē)行駛，此線路城市道路所占比例大幅提升并按公交站點(diǎn)停車(chē)，線路單程全長(zhǎng)約17.4km，共計(jì)27個(gè)公交站點(diǎn)，試驗(yàn)線路如圖7所示。

圖7 第3組試驗(yàn)公交線路圖

第3組兩次試驗(yàn)在同一天進(jìn)行，試驗(yàn)當(dāng)天天氣小雨，氣溫4～8℃。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天先將車(chē)輛動(dòng)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(chē)輛動(dòng)力電池充滿，開(kāi)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(yàn)往返行駛各約35km，試驗(yàn)過(guò)程中最高車(chē)速約為65km/h，行駛車(chē)速主要分布在28～60km/h。

4.2 節(jié)能數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)結(jié)束后，讀取CANoe記錄的驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)，在本文3組試驗(yàn)中CANoe記錄驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)的頻率為100Hz，即每秒記錄100組驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。然后使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩通過(guò)插值的方法計(jì)算各個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的系統(tǒng)效率，并將同一組試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)繪制到驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率圖中，如圖8所示，其中圖8a、8b、8c分別對(duì)應(yīng)第1～3組試驗(yàn)。

從圖8中可以看出：在同一組試驗(yàn)中，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)同一轉(zhuǎn)速下，開(kāi)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(jì)3組試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)工況下的電機(jī)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(jì)了驅(qū)動(dòng)工況下電機(jī)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(jì)方法為首先統(tǒng)計(jì)出驅(qū)動(dòng)工況的總數(shù)量，然后統(tǒng)計(jì)出對(duì)應(yīng)高效區(qū)域工況的數(shù)量，最后計(jì)算后者所占前者的比例。

圖8 電機(jī)系統(tǒng)效率分布圖

從圖9中可以看出開(kāi)啟智慧節(jié)能功能后其在電機(jī)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(guò)各組試驗(yàn)對(duì)比來(lái)看，當(dāng)車(chē)速相對(duì)較高（第2組試驗(yàn)）時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)所占的比例最大，當(dāng)車(chē)輛啟停較多（第3組試驗(yàn)）時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)所占的比例最小。

圖9 電機(jī)系統(tǒng)效率占比統(tǒng)計(jì)對(duì)照?qǐng)D

最后，統(tǒng)計(jì)3組對(duì)比試驗(yàn)的能耗情況見(jiàn)表2。從表2中可以看出，在同一組試驗(yàn)內(nèi)，車(chē)輛行駛路況一致、行駛里程相同的情況下，開(kāi)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(jì)算其節(jié)能率分別為：8.28%、6.30%、9.86%。其中節(jié)能率計(jì)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(kāi)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(chē)速相對(duì)較高且啟停較少（第2組試驗(yàn)）時(shí)，本算法的節(jié)能率最小。相反的，當(dāng)車(chē)輛啟停較多且車(chē)速相對(duì)較低（第3組試驗(yàn)）時(shí)，本算法的節(jié)能率最大，這主要是本算法針對(duì)公交車(chē)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(shí)驗(yàn)說(shuō)明該算法節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)純電城市公交車(chē)的運(yùn)行工況，提出了一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整的智慧節(jié)能算法，該算法可以實(shí)時(shí)根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行工況對(duì)驅(qū)動(dòng)扭矩做適當(dāng)調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在各工況下盡可能運(yùn)行在電機(jī)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(yuǎn)程品牌的純電城市公交車(chē)在不同路況下完成了3組試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該智慧節(jié)能算法有效，以百公里平均能耗計(jì)算其節(jié)能率分別為8.28%、6.30%、9.86%。本文內(nèi)容對(duì)新能源汽車(chē)尤其是純電城市公交車(chē)的節(jié)能研究具有參考意義。

表2純電城市公交車(chē)節(jié)能對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表