兼顧不同駕駛特性的純電動(dòng)客車能量控制策略優(yōu)化

汪 帆， 王坤俊， 王雙娥， 王 焯， 趙芮烽

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

發(fā)展純電動(dòng)客車是改善能源與環(huán)境問(wèn)題的重要途徑[1]，現(xiàn)階段，各廠商主要聚焦于先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)、高效傳動(dòng)系統(tǒng)、輕量化、低滾阻等與車輛本身相關(guān)的節(jié)能技術(shù)[2]，忽視了對(duì)駕駛員的駕駛特性習(xí)慣等與“人”相關(guān)的研究[3]。本文通過(guò)分析，從控制層面提出兼顧不同駕駛特性以降低車輛能耗的措施。

1 駕駛特性對(duì)能耗影響的測(cè)試分析

駕駛特性指的是駕駛員在對(duì)路況信息處理過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的自身感知、判斷及操作特性[4]。謹(jǐn)慎型駕駛員會(huì)表現(xiàn)出緩慢的加、減速，而激進(jìn)型駕駛員會(huì)表現(xiàn)出跟車距離近，經(jīng)常性加速超車、減速避障等行為。

1.1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

以某一輛12 m純電動(dòng)客車為測(cè)試對(duì)象，試驗(yàn)地點(diǎn)為某城市的郊區(qū)公交線路，單邊25 km，每天模擬公交工況試運(yùn)營(yíng)往返兩趟約100 km，以充電樁充電數(shù)據(jù)計(jì)算能耗。車輛為空載不開(kāi)空調(diào)運(yùn)行，5名駕駛員各駕駛6天，電耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 電耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) kW·h/100 km

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

選取其中能耗平均值最優(yōu)(駕駛特性為車輛起步緩和，行駛速度適中，輕度制動(dòng)為主的謹(jǐn)慎型駕駛員5)及最差(駕駛特性為車輛起步偏急，經(jīng)常加速超車及減速避障，平均制動(dòng)行程偏高的激進(jìn)型駕駛員3)的兩名駕駛員的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。為更加直觀對(duì)比駕駛特性造成的能耗差異，將駕駛員3的第3天數(shù)據(jù)(能耗最高)和駕駛員5的第6天數(shù)據(jù)(能耗最低)具體分析，采集到的車速制成單值圖，如圖1所示。

圖1所示兩樣本中激進(jìn)型駕駛員3車速均值為33.5 km/h，常用車速在30～50 km/h間，且高速區(qū)間很密集，最高車速大于60 km/h。謹(jǐn)慎性駕駛員5車速均值為28 km/h，接近于UITP(國(guó)際公共交通協(xié)會(huì))定義的郊區(qū)工況平均車速25 km/h[5]。

圖1 不同駕駛特性的車速單值對(duì)比

由于城市客車電機(jī)設(shè)計(jì)的高效區(qū)間車速適用于一般公交工況，激進(jìn)型駕駛特性平均車速偏高，導(dǎo)致電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率降低[6]；同時(shí)高速行駛需要大功率、大電流，導(dǎo)致車載能源(動(dòng)力電池、電容等)內(nèi)損增大，進(jìn)一步降低效率，而且壽命也降低。故從系統(tǒng)效率評(píng)判謹(jǐn)慎型駕駛員5的駕駛特性更好。

定義一次開(kāi)始啟動(dòng)至下一次停車這段過(guò)程為一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)片段[7]。根據(jù)試驗(yàn)記錄計(jì)算、整理出部分?jǐn)?shù)據(jù)，見(jiàn)表2。表2中的能量回收時(shí)間包括制動(dòng)階段和滑行階段。

表2 不同駕駛特性的部分指標(biāo)對(duì)比

從圖1和表2可知，駕駛員3在本組試驗(yàn)過(guò)程中花費(fèi)的時(shí)間比駕駛員5少，其駕駛速度較快，而其運(yùn)動(dòng)學(xué)片段卻更多，說(shuō)明其啟停次數(shù)多。在滑行時(shí)間比例相似的情況下，速度快、加減速所占的比例少，說(shuō)明駕駛員3急加速操作多；而制動(dòng)所占的比例多，說(shuō)明其制動(dòng)頻率大。

進(jìn)一步對(duì)比兩種不同駕駛特性下制動(dòng)踏板開(kāi)度，如圖2所示。結(jié)合圖2與表2，駕駛員5在處理制動(dòng)的過(guò)程中，制動(dòng)踏板深度較淺，且制動(dòng)時(shí)間所占比例少，駕駛員3制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)且緊急制動(dòng)次數(shù)多。

圖2 制動(dòng)踏板開(kāi)度統(tǒng)計(jì)對(duì)比

目前純電動(dòng)客車制動(dòng)控制邏輯正常為制定踏板深度前30%為電制動(dòng)，后70%為電制動(dòng)與氣制動(dòng)共同作用[8]。因此，激進(jìn)型駕駛特性的駕駛員由于經(jīng)常采用急制動(dòng)，導(dǎo)致氣制動(dòng)較多，大部分制動(dòng)能量以熱能形式流失；而謹(jǐn)慎型駕駛特性的駕駛員則經(jīng)常采用輕度制動(dòng)，因而電制動(dòng)較多，制動(dòng)能量以熱能形式流失的情況較少。

2 控制策略改進(jìn)措施

通過(guò)培訓(xùn)，大部分純電動(dòng)客車駕駛員都養(yǎng)成謹(jǐn)慎型的駕駛習(xí)慣，但還有一部分駕駛員的激進(jìn)型駕駛特性難以改變。因此需要在控制策略上加以綜合考慮，實(shí)現(xiàn)在激進(jìn)型的駕駛習(xí)慣下運(yùn)營(yíng)也有較好的經(jīng)濟(jì)性。

1) 改進(jìn)起步加速控制策略?，F(xiàn)階段純電動(dòng)客車在起步時(shí)，其控制策略一般為目標(biāo)牽引扭矩給定模塊根據(jù)踏板及電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)給定駕駛員期望目標(biāo)牽引扭矩。這會(huì)導(dǎo)致在激進(jìn)型駕駛特性起步時(shí)，急加速低轉(zhuǎn)速下的電機(jī)扭矩很大，即電機(jī)所需的電流很大，從而使得電機(jī)定子銅損顯著增加，電機(jī)效率降低[9]。為兼顧此問(wèn)題，控制策略上，在保證起步加速度滿足需求的前提下，降低踏板實(shí)際深度的響應(yīng)靈敏度，使電機(jī)目標(biāo)扭矩響應(yīng)曲線盡量沿著電機(jī)的高效率區(qū)間運(yùn)行，從而提高電機(jī)效率[10]。

2) 改進(jìn)車速控制策略?，F(xiàn)有控制策略的車速與加速踏板深度呈正比關(guān)系，激進(jìn)型駕駛員習(xí)慣于高加速踏板開(kāi)度來(lái)維持車速，而當(dāng)車速升高后，電機(jī)進(jìn)入弱磁區(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，效率降低，車輛能耗隨車速提高而增加。為兼顧此問(wèn)題，在整車控制策略中重新標(biāo)定車速與加速踏板對(duì)應(yīng)關(guān)系，降低常用加速踏板開(kāi)度對(duì)應(yīng)的車速值，從而減少能耗損失。

3) 改進(jìn)制動(dòng)控制策略。目前，制動(dòng)的控制策略為制動(dòng)踏板特定深度前有一定比例的電制動(dòng)，超過(guò)特定深度后為電制動(dòng)加氣制動(dòng)，其中氣制動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，能量利用率低。由于激進(jìn)型駕駛特性習(xí)慣性地深踩制動(dòng)踏板，因此導(dǎo)致氣制動(dòng)比例過(guò)多造成運(yùn)營(yíng)能耗升高。為兼顧此問(wèn)題，從制動(dòng)控制策略上進(jìn)一步提高氣制動(dòng)介入的踏板深度，并適當(dāng)加大高速狀態(tài)下電制動(dòng)強(qiáng)度，且當(dāng)車輛高速滑行時(shí)，設(shè)計(jì)適當(dāng)強(qiáng)度的滑行電制動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)展整車節(jié)能技術(shù)，是促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和優(yōu)化升級(jí)的關(guān)鍵舉措，實(shí)踐證明，不同駕駛員的駕駛特性對(duì)整車能耗有很大影響。充分認(rèn)識(shí)和掌握駕駛員的駕駛特性，發(fā)展兼顧不同駕駛特性的整車控制策略，對(duì)于整車節(jié)能降耗十分重要。