純電動環衛車整車控制策略

趙金寶

（河南工業貿易職業學院 汽車工程學院，河南 鄭州 450000）

電動環衛車作為一種節能環保的新能源汽車，不僅可以作為垃圾清運使用，還可以減輕環境污染問題，已經成為城市居民日常生活中的重要部分。整車控制策略作為其核心部件，它的優劣直接影響驅動系統的效率，并對整車的動力性、經濟性有很大的影響。

1 研究對象

1.1 整車參數

本文以一款壓縮式純電動垃圾車為研究對象，整車基本參數如表1所示。

表1 整車基本參數表

對純電動環衛車所要求的動力性指標有30 min最高車速：≥100 km/h；最大爬坡度：≥35%；0 km/h～50 km/h的加速時間：≤12 s。

1.2 動力系統構型及參數匹配

圖1為系統構型，系統采用的是雙電機，它們分別與變速箱和行星排耦合。行星架可以進行鎖止，行星排連接的是2擋變速器。當結合套處于位置Ⅰ，此時為1擋，動力由齒圈輸出；當結合套在Ⅱ位置，此時為空擋，動力不輸出；當結合套在Ⅲ位置，此時為2擋，動力由齒圈輸出。

圖1 純電動環衛車動力系統構型圖

作業電機通過行星機構的太陽輪進行動力輸出，通過氣壓離合器實現動力的通斷。當氣壓離合器結合時，行星架和太陽輪空轉，驅動電機驅動車輛行駛，作業電機驅動作業裝置作業；當氣壓離合器分離時，驅動電機和作業電機共同驅動車輛行駛。該系統可以同時滿足驅動和作業的使用需求。可實現停車作業、行駛作業、單獨行駛三種工況，可以降低系統功率及轉矩冗余，提高效率。

動力系統有六種工作模式如表2所示。

表2 動力系統工作模式表

基于純電動環衛車的動力性指標，進行參數匹配，包括雙電機、傳動比和動力電池的參數計算，表3為最終匹配結果，并在Simulink中搭建整車動力學模型。

表3 雙電機與變速箱主要參數表

2 整車控制策略

2.1 雙電機轉矩分配策略

基于動力系統特點，行駛驅動可以由驅動電機單獨驅動、驅動電機與作業電機共同驅動兩種模式。0 km/h～60 km/h時，雙電機共同驅動；60 km/h～100 km/h，驅動電機單獨驅動。

文中以系統效率最優為目標，根據雙電機各自的驅動效率Map圖，如圖2所示。在1擋和2擋狀態下分別對驅動電機輸出轉矩的分配進行全局離線尋優。電驅動系統的效率為雙電機、變速箱以及傳動機構組成的驅動系統效率。驅動系統的優化模型

圖2 電機效率Map圖

式中，η為驅動系統效率，Td為主減速器的輸入端轉矩，Nm；nd為主減速器輸入端轉速，r/min；T1、T2分別為驅動電機與作業電機的輸出轉矩，Nm；n1、n2分別為驅動電機與作業電機的輸出轉速，r/min；η1、η2分別為驅動電機、作業電機在各自轉速、輸出轉矩下的效率。

基于MATLAB進行仿真運算，得到兩個擋位的驅動系統效率表，如圖3所示。

圖3 變速箱1、2擋時系統效率表

2.2 系統效率最優換擋策略

對于0 km/h～100 km/h內所有工作點，驅動電機均參與驅動過程，因此，需要對其全部工作點制定換擋策略。根據驅動系統效率表，可以得出驅動電機工作點處系統的最高效率，對得到的結果進行列表，形成兩個擋位分界線，而后添加結合動力性能的降擋線，形成系統最優的換擋曲線。

根據全車速和驅動系統外特性，車速在60 km/h～100 km/h范圍內的所有工作點，采用驅動電機獨立驅動方式，在2擋時可以達到轉速要求；在0 km/h～60 km/h區域內采用雙電機驅動方式，由驅動系統外特性可以得出，在雙電機低速大轉矩區域，需要采用1擋；在雙電機可換擋區，1擋、2擋兩個擋位均能滿足車輛的行駛需求；在雙電機高轉速區，采用2擋，以上四個區域，如圖4(a)所示。

根據兩個擋位的驅動系統效率表，針對雙電機可換擋區域的任一工作點，選擇高效的擋位。所有工作點選擇擋位后，將兩個擋位的邊界連線，可得到雙參數經濟性換擋規律的升擋線，如圖4(b)所示。

圖4 工作區域及效率對比

2.3 雙電機變速箱協同驅動控制策略

對于0 km/h～60 km/h范圍內的所有工作點，對于任意車速和油門踏板開度，由換擋規律，可知應選擋位，進而可計算驅動系統輸出軸的需求轉矩。根據車速可以得到驅動系統輸出軸的轉速。依據驅動系統輸出軸轉速、擋位和需求轉矩，可以得到驅動電機的輸出轉矩。對于60 km/h～100 km/h范圍內的所有工作點，與上述步驟類似，對于任意車速和油門踏板開度，由換擋規律，可知應選的合適擋位，進而確定驅動電機的輸出轉矩。可得到轉速范圍內所有工作點的轉矩分配，即形成雙電機變速箱驅動系統協同控制策略。

3 仿真分析

中國重型商用車瞬態工況（China World Transient Vehicle Cycle, C-WTVC）分為0 s～900 s為市區工況，901 s～1 368 s為公路工況，1 369 s～1 800 s為高速工況。因純電動環衛車只在市區和公路工況中運行，所以本文選取的仿真工況為前1 368 s。

圖5為純電動環衛車在運行過程中，車輛總需求轉矩和驅動電機的轉矩變化及動力電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）變化情況。在整個循環工況下，SOC變化較為平緩，在某些時段內，有小幅度上升的趨勢。

圖5 運行過程中扭矩及SOC變化曲線

該動力系統構型有多種模式，行駛模式、作業模式以及行駛+作業模式，各種模式的驅動形式有：（1）驅動電機1擋單獨驅動；（2）驅動電機2擋單獨驅動；（3）驅動電機1擋+作業電機；（4）驅動電機1擋+作業電機聯合驅動；（5）驅動電機2擋+作業電機聯合驅動。

不同驅動形式下，純電動環衛車爬坡曲線如圖6(a)所示，驅動電機在變速箱1擋和作業電機耦合工作時，最大爬坡度超過35%。

圖6 動力性曲線圖

在驅動電機1擋和作業電機耦合工作時加速最快，純電動環衛車加速曲線如圖6(b)所示，0 km/h～50 km/h加速時間小于10 s。

驅動系統的經濟性測試，分別基于等速法與工況法（C-WTVC），仿真結果如表4所示。驅動電機和作業電機耦合工作，變速箱1擋時，最大爬坡度可超過35%，性能指標達到了要求。

表4 純電動環衛車仿真結果

表5為原策略與新制定策略相比，新制定控制策略車輛在0 km/h～50 km/h加速時間、工況電耗方面較均現有產品有所提升，在最高車速、爬坡能力方面與現有產品基本持平。

表5 車輛動力性經濟性對比

4 結論

本文以有多種工作模式的純電驅動環衛車為研究對象。制定了雙電機轉矩分配策略、效率最優換擋策略、雙電機變速箱協同控制策略，通過仿真分析證明驅動電機和作業電機可以工作在高效區，符合使用需求且動力性及經濟性較原策略分別提升了19.7%、9.8%。