基于最小單位里程能耗的純電動(dòng)公交車(chē)加速控制曲線設(shè)計(jì)方法*

李禮夫　許源沁（華南理工大學(xué)，廣州 510640）

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基于最小單位里程能耗的純電動(dòng)公交車(chē)加速控制曲線設(shè)計(jì)方法*

李禮夫許源沁
（華南理工大學(xué)，廣州 510640）

【摘要】針對(duì)城市電動(dòng)公交車(chē)加速控制策略不當(dāng)而導(dǎo)致其輸出功率大和電能量消耗高的問(wèn)題，以某款純電動(dòng)公交客車(chē)為對(duì)象，研究了加速控制曲線與其電能量消耗和最大需求功率之間的關(guān)系，并建立Matlab/Simulink整車(chē)仿真模型，通過(guò)模型對(duì)所獲得的最優(yōu)加速控制曲線進(jìn)行了基于ECE工況的整車(chē)加速仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)表明，與常用加速控制曲線相比，純電動(dòng)公交客車(chē)在該最優(yōu)加速控制曲線作用下，不僅可以降低其單位里程能耗，而且其動(dòng)力性也能得到保證。

主題詞：純電動(dòng)公交車(chē)加速控制優(yōu)化設(shè)計(jì)單位里程能耗

1　前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，純電動(dòng)公交車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)PEB）加速時(shí)間約占整個(gè)行駛時(shí)間的29.11%，汽車(chē)加速過(guò)程中所消耗的電能量比其在其它變速過(guò)程中所消耗的電能量要高［1］。因此，PEB在加速過(guò)程中的能耗對(duì)其在整個(gè)行駛過(guò)程中的能耗影響很大，而采用不同的加速控制曲線又是影響其在加速過(guò)程中電能耗的關(guān)鍵因素之一。然而，現(xiàn)有的電動(dòng)汽車(chē)加速控制策略忽略了加速過(guò)程中不同加速曲線對(duì)電能耗的影響，從而導(dǎo)致了其在加速過(guò)程中不僅電能量消耗大，而且瞬時(shí)需求功率大大超過(guò)其額定功率，致使其無(wú)法正常工作。為此，針對(duì)PEB的加速過(guò)程，提出了基于最小單位里程能耗的純電動(dòng)公交車(chē)加速控制曲線設(shè)計(jì)方法，以達(dá)到減少單位里程能耗的目的。

2　基于最小單位里程能耗的PEB加速控制曲線設(shè)計(jì)原理

圖1為PEB加速過(guò)程中不同加速曲線。圖1中，加速曲線------OFA為直線段，它為ECE工況的第i（i=1，2，…，n）加速段（ECE工況要求汽車(chē)加速曲線為等加速度的直線），設(shè)其O點(diǎn)為該段速度的起始點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為ts和速度ui（ts），A點(diǎn)為其速度的終止點(diǎn)，它的對(duì)應(yīng)時(shí)刻為te和速度ui（te）。由此可知，汽車(chē)由ui（ts）變速到ui（te）的加速曲線，除加速直線外，還可能有加速曲線OBA、 OCA、ODA和OEA。在加速過(guò)程中，加速曲線的瞬時(shí)速度ui（t，βi.j）可表示為：

圖1　某段加速過(guò)程中不同加速曲線

由式（1）可知，在不同 βi，j時(shí)的加速曲線的控制策略作用下，電動(dòng)汽車(chē)在相同時(shí)間內(nèi)的行駛里程不相同，即其能耗也不相等。

式中，r為輪胎半徑；m為整車(chē)質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車(chē)輛前部迎風(fēng)面積。

圖2　不同初速度下與的關(guān)系曲線

由圖2可看出，在不同初速度下，相同時(shí)間內(nèi)汽車(chē)加速到某一末速度時(shí)，不同的加速特征參數(shù)會(huì)影響其單位里程能耗。在初速度較低時(shí)，如為 0 km/h和7 km/h，是的遞增函數(shù)；初速較高時(shí)，如為15 km/h和30 km/h，在0＜＜0.3附近，隨增大而增大；在0.30＜＜0.5附近隨增大而減?。辉?.5＜＜2.5附近，隨增大而增大。從能量利用率角度來(lái)看，選取合適的加速特征參數(shù)可以降低電動(dòng)車(chē)單位里程能耗，進(jìn)而延長(zhǎng)其續(xù)駛里程。

圖3　與的關(guān)系曲線

式中，J為目標(biāo)函數(shù)。

按上述思路，對(duì)PEB行駛工況中的n個(gè)加速段分別進(jìn)行基于最小單位里程能耗的加速控制曲線設(shè)計(jì)，并以此為控制策略對(duì)PEB行駛工況中的各加速段進(jìn)行加速控制，實(shí)現(xiàn)降低電動(dòng)汽車(chē)單位里程消耗，提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的目的。

3　PEB最優(yōu)加速控制仿真試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證基于最小單位里程能耗的純電動(dòng)公交車(chē)加速控制曲線設(shè)計(jì)方法的可行性，以某款純電動(dòng)公交車(chē)為試驗(yàn)車(chē)輛，以ECE工況為試驗(yàn)工況，運(yùn)用基于最小單位里程能耗的純電動(dòng)公交車(chē)加速控制曲線設(shè)計(jì)方法對(duì)其行駛過(guò)程進(jìn)行控制試驗(yàn)，圖4為ECE工況。

圖4　ECE工況

試驗(yàn)用純電動(dòng)公交車(chē)整車(chē)技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1　試驗(yàn)用PEB整車(chē)參數(shù)

試驗(yàn)用純電動(dòng)公交車(chē)所采用的電機(jī)為YTD110型永磁同步電機(jī)，其基本參數(shù)如表2所列。

表2　YTD110永磁同步電機(jī)主要參數(shù)

純電動(dòng)公交車(chē)裝載的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組參數(shù)如表3所列。

表3　磷酸鐵鋰動(dòng)力電池參數(shù)

表4　ECE工況中49～61 s加速段不同加速控制曲線能耗

在上述基礎(chǔ)上，為了對(duì)ECE工況中加速段進(jìn)行最優(yōu)加速控制曲線設(shè)計(jì)并分析單位里程能耗變化，選取4個(gè)循環(huán)工況（圖4）中單個(gè)循環(huán)工況的加速段進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，得出單個(gè)循環(huán)工況優(yōu)化后的速度與時(shí)間關(guān)系如圖5所示。

圖5　ECE單個(gè)循環(huán)工況優(yōu)化后速度與時(shí)間關(guān)系

圖5中，1、2、3、4、5、6分別為ECE單個(gè)循環(huán)工況中6段加速區(qū)間，仿真得出其最優(yōu)加速特征參數(shù)分別為：β1=0.67、β2=0.67、β3=0.70、β4=0.67、β5=0.60、β6=0.90。

由表5可知，在滿(mǎn)足PEB動(dòng)力性需求的基礎(chǔ)上，優(yōu)化后的ECE工況單位里程能耗比優(yōu)化前減少了500 kJ/km，達(dá)到了降低能耗、增加續(xù)駛里程的目的。

表5　ECE工況優(yōu)化前、后能耗對(duì)比

4　結(jié)束語(yǔ)

為解決PEB加速過(guò)程中功率高、能耗大的問(wèn)題，對(duì)PEB加速控制曲線進(jìn)行了設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，不同控制策略下的加速曲線會(huì)影響PEB單位里程能耗的大小，選取最優(yōu)加速特征參數(shù)能有效提高PEB續(xù)駛里程和降低加速過(guò)程的能耗。在此基礎(chǔ)上，選取ECE工況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出ECE工況中加速段的最優(yōu)加速特征參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在最優(yōu)的加速控制優(yōu)化曲線的作用下，PEB不僅能滿(mǎn)足其在ECE工況條件下的動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求，而且能使單條公交線路每年節(jié)約電能量28 000 kW·h。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年4月14日。

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）07-0017-04

*基金項(xiàng)目：2014年度廣東省公益研究與能力建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2014B010106004）。

Design Method of Acceleration Control Curve of Pure Electric Transit Bus Based on the Minimum Energy Consumption Per Kilometer

Li Lifu，Xu Yuanqin
（South China University of Technology，Guangzhou 510640）

【Abstract】Improper acceleration control strategy always causes high power output and electric energy consumption of city electric bus，to solve this problem，we analyze the relationship between the acceleration control curve with the energy consumption and maximum power on the pure electric transit bus，and build vehicle simulation model in Matlab/Simulink，in which vehicle acceleration simulation test is carried out to verify the optimum acceleration control curve based on ECE driving conditions.The result of the simulation test shows that，compared with the common acceleration control curve，the pure electric transit bus can not only reduce energy consumption per kilometer，but also its power property can be ensured under the optimum acceleration control curve.

Key words:Pure electric transit bus，Acceleration process，Optimization design，Energy consumption per kilometer