純電動客車電動轉向泵控制策略的研究

袁曉偉， 賀亞鵬

(南京金龍客車制造有限公司， 南京 211200)

在電動汽車電池能量密度提高緩慢[1]的背景下，想要提高電動汽車的續(xù)駛里程，需要從整車節(jié)能優(yōu)化方面著手，在不影響整車性能的前提下，降低整車能耗。電動汽車，特別是電動客車，大部分車型所匹配的轉向系統(tǒng)皆為傳統(tǒng)機械液壓助力轉向系統(tǒng)[2]加電動轉向泵。由于電動轉向泵為高壓電器件，在整車能耗的占比中僅次于動力電機和電動空調，如果能通過控制策略優(yōu)化[3]降低轉向泵的能耗，是大有益處的。本文就從轉向泵的控制策略優(yōu)化入手來實現降低車輛能耗的目標。

1 電動客車現有控制策略

現有一輛10.5 m純電動城市客車(以下簡稱客車)，通過電動轉向泵將車載動力電池電能轉化為轉向液壓能，再經過循環(huán)球式轉向器轉化為機械能以實現車輛轉向?？蛙嚽皹驖M載載荷約為6.5 t，根據汽車設計[4]相關公式，前橋原地阻力矩約為7 000 N·m，匹配國內某120缸徑轉向器，輸出力矩為 7 000～8 000 N·m。經過計算可知，該轉向器和客車匹配良好。該轉向器最高工作油壓約為15 MPa，工作流量約為18 L/min。經了解，客車實車安裝的電動轉向泵排量為18 mL/r，額定轉速為1 000 r/min，最大輸出壓力為17 MPa，可以滿足轉向器的需求且略有富余。

原車轉向泵控制策略如下：插上車輛鑰匙開關，將鑰匙擰到“start”(啟動)位置并自動復位至ON擋，電動轉向泵開始啟動，并經過短時調速將轉速調整至1 000 r/min，之后一直保持1 000 r/min額定轉速工作，直到將鑰匙從ON擋擰到ACC或者空擋電動轉向泵才停止工作。此種控制策略存在如下問題：

1) 在車輛不需要轉向的情況下，造成不必要的耗電。在長時間等待紅綠燈、駕駛員臨時下車、遇到交通堵塞[5]以及其他不需要轉向的情況下，轉向泵仍然保持運行狀態(tài)。

2) 沒有根據車輛實際需求提供合適的流量和壓力。車輛在直線行駛、高速行駛時需要的轉向力小且轉向角度和轉向速度小，不需要轉向泵高速運行。此時轉向泵如仍保持高速運行，將導致不必要的能耗損失。

2 轉向泵的控制策略優(yōu)化及驗證

2.1 優(yōu)化方案A

針對客車原車轉向泵控制策略的問題1)，提出控制策略優(yōu)化方案A(簡稱策略A)：采集整車的車速、手剎狀態(tài)、擋位狀態(tài)這三個參數所處的狀態(tài)，如果車速為零且手剎工作且擋位為N擋，則設置轉向泵為停機狀態(tài)。此策略下，當車輛遇到長時間等待紅綠燈、駕駛員臨時下車、交通堵塞等不需要轉向的工況時，可以實現轉向泵停機，以減少轉向泵的耗電量。將策略A寫成“程序一”，通過整車控制器根據車輛狀態(tài)直接給轉向泵輔助控制器下達啟動和停機指令來實現轉向泵的啟停。

2.2 優(yōu)化方案B

針對客車轉向泵控制策略的問題2)，提出控制策略優(yōu)化方案B(以下簡稱策略B)：在車輛直線行駛時，讓轉向泵以較低轉速工作，降低能耗的同時不增加轉向泵切換高轉速的響應時間；在車輛轉彎行駛時，根據車輛當前車速調整轉向泵轉速。車速越高，轉向泵轉速越低。不僅可以降低轉向泵能耗，還與車速越高轉向手力越大的要求相符合。此方案較為復雜，需要進行以下實施工作。

為了采集車輛是否處于轉彎狀態(tài)，在客車轉向管柱中加裝轉角傳感器，它可以采集當前方向盤相對于中間位置的轉角。結合方向盤轉角和車速制定如下控制策略：

1) 當方向盤轉角θ在-15°～+15°(“+”為右轉，“-”為左轉)范圍內時，由于在方向盤轉角自由行程內[6]，可以認為車輛處于直線行駛狀態(tài)，可設置此時電動轉向泵轉速為低速700 r/min，寫成程序記為“程序二”。

2)當方向盤轉角θ≤-15°或≥+15°時，方向盤轉角隨時可能超出方向盤轉角自由行程，可以認為車輛處于轉彎行駛狀態(tài)，根據轉彎時行駛車速來設置轉向泵的不同轉速。車速在0～5 km/h范圍內，基本上為原地轉向，此時轉向力較大，故設定轉向泵轉速為額定轉速1 000 r/min；車速從5 km/h增加到35 km/h時，轉向泵轉速逐漸降低至700 r/min。由于電動轉向泵的高效區(qū)一般在650～1 100 r/min，為了讓轉向泵工作在高效區(qū)，故在車速繼續(xù)增加時，轉向泵轉速仍然維持在700 r/min。綜合考慮，將轉向泵轉速與車速的關系設定為圖1。將圖1中的控制邏輯寫成程序，記為“程序三”。

圖1 轉向泵轉速隨車速變化走勢

2.3 優(yōu)化方案效果測試

將以上“程序一”“程序二”“程序三”(3個程序合稱“轉角程序”)輸入到整車控制程序中，對整車進行轉向測試。讓車輛以不同車速在試車跑道上進行路試，讀取車速、方向盤轉角、轉向泵轉速、轉向泵輔助控制器母線輸入電流(以下簡稱電流)，截取其中相關數據如表1所示。

表1 跑道測試部分記錄(變轉速)

跑道測試完畢后,駕駛員拉手剎并將擋位置為N擋，車鑰匙保持在ON擋，此時轉向泵停機了，說明“程序一”正常起作用了。

另外，對比試驗數據和設置數據可以發(fā)現：

1) 車速在0～50 km/h范圍內(對應表中第一欄)，車輛直線行駛，駕駛員沒有感覺到不適，說明“程序二”不會影響駕駛員操作方向盤。

2)車速5～30 km/h范圍內，車輛轉彎行駛，駕駛員沒有感覺到不適，說明“程序三”不會影響駕駛員操作方向盤。

3) 同一車速下，轉向泵實際轉速會略低于轉向泵的設定轉速。

為了研究不打轉向時，轉向泵轉速由1 000 r/min降低至700 r/min對轉向泵能耗的影響，針對該車又做了原地轉向試驗：清除上述“轉角程序”，將轉向泵工作轉速設定為恒定值1 000 r/min(記為“程序U”)，以不同速度轉動方向盤，記錄數據后清除“程序U”，將轉向泵工作轉速設定為恒定值700 r/min(記為“程序V”)，以不同速度轉動方向盤，并記錄轉向泵實際轉速、轉向泵電流和方向盤手感。試驗結果見表2。

表2 原地轉向程序U/程序V的測試記錄

通過表2試驗數據分析可以發(fā)現：

1) 不打轉向時，轉向泵轉速由1 000 r/min降為700 r/min，電流明顯降低，降幅約為36.4%。說明“程序二”可以明顯降低轉向泵怠速能耗。

2) 轉速1 000 r/min時，隨著方向盤轉向速度提高，轉向泵電流會略微增加且轉向泵轉速會略微降低。說明快速打轉向會略微增加轉向泵能耗。

3) 轉向泵轉速設定為700 r/min時，轉向沉重，說明700 r/min轉速下轉向泵的最大電流無法滿足原地轉向性能要求。同時此設定轉速下方向盤轉動越快，轉向泵電流越小，轉向越沉。說明轉向手力抵消了一部分轉向力，減輕了轉向泵的負荷。

4) 轉向泵轉速設定為1 000 r/min和700 r/min，原地轉向時轉向泵的電流接近且均明顯大于車輛轉彎時轉向泵的電流。

為了研究在不同車速下轉彎行駛時，轉向泵設定轉速對轉向泵工作性能的影響，針對該車增加如下試驗：清除“程序V”，輸入“程序U”，分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h車速通過表1中相應車速通過的彎道，試驗結果見表3。

表3 跑道測試記錄

對比表3和表1中相同車速數據，可以看出：

1) 轉向泵在變頻控制和恒轉速控制下，其電流差異很小。

2) 車輛在轉彎時，適當降低轉向泵轉速并不影響轉向泵工作性能，也不影響駕駛員操作方向盤。

綜上可知：將上述“轉角程序”應用于整車上，不影響車輛正常行駛和駕駛員駕駛體驗，可以減除車輛在臨時停車等工況下轉向泵能耗，可以降低車輛直線行駛不打轉向工況下轉向泵的怠速能耗。至于對轉向時轉向泵能耗的影響還有待進一步試驗。

2.4 優(yōu)化方案的進一步優(yōu)化

根據表1、表2、表3的測試結果發(fā)現，車輛在原地轉向時，轉向泵電流明顯大于車輛行駛轉向時的電流，而原地轉向阻力[7]也是明顯大于車輛行駛轉向時的阻力。同時，在車輛行駛時，轉向泵電流和轉向阻力呈現明顯的正相關。由此可以設想，是否可以把轉向泵電流與轉向阻力相關聯(lián)，設定轉向阻力大則轉向泵電流大，從而以更大的轉向泵轉速滿足整車轉向需求。這樣不僅程序簡單明了，而且省去了角度傳感器零部件，降低了整車成本。

對此，針對客車另寫一款通過轉向泵輔助控制器母線輸入電流來控制轉向泵轉速的程序替代“程序二”和“程序三”，以下簡稱該程序為“程序四”?！俺绦蛩摹本唧w方案見表4。

表4 轉向泵的電流控制策略

清除原整車控制器中的上述“轉角程序”，將“程序一”和“程序四”(兩個程序合稱“電流程序”)刷入整車控制程序，并進行跑道測試，轉向性能正常，駕駛員沒有感覺到不適。因此用“電流程序”替代“轉角程序”在操作上是可行的。

2.5 節(jié)能測試

為了驗證轉向泵優(yōu)化策略節(jié)能效果，針對客車做了路試試驗，用功率分析儀[8]測試了無優(yōu)化、“轉角程序”優(yōu)化和“電流程序”優(yōu)化3種轉向泵控制策略下的轉向泵能耗情況，每種控制策略測試2次，試驗結果見表5。

表5 轉向泵節(jié)能測試結果

根據表5試驗結果可以看出，“轉角程序”可以節(jié)省轉向泵電耗約19%?！半娏鞒绦颉笨梢怨?jié)省轉向泵電耗約40%。由于“電流程序”比“轉角程序”節(jié)能效果好，還節(jié)省了轉角傳感器且程序簡單，因此“電流程序”方案更優(yōu)。

3 結束語

本文以10.5 m純電動城市城市客車為研究對象，分析出該車現有轉向泵控制策略存在的問題，提出了有效的解決方案，并將該策略寫成相應的控制程序。最后分別進行驗證試驗。