基于最小單位里程能耗的純電動公交車加速控制曲線設計方法*

李禮夫　許源沁（華南理工大學，廣州 510640）

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基于最小單位里程能耗的純電動公交車加速控制曲線設計方法*

李禮夫許源沁
（華南理工大學，廣州 510640）

【摘要】針對城市電動公交車加速控制策略不當而導致其輸出功率大和電能量消耗高的問題，以某款純電動公交客車為對象，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系，并建立Matlab/Simulink整車仿真模型，通過模型對所獲得的最優加速控制曲線進行了基于ECE工況的整車加速仿真試驗。仿真試驗表明，與常用加速控制曲線相比，純電動公交客車在該最優加速控制曲線作用下，不僅可以降低其單位里程能耗，而且其動力性也能得到保證。

主題詞：純電動公交車加速控制優化設計單位里程能耗

1　前言

據統計，純電動公交車（簡稱PEB）加速時間約占整個行駛時間的29.11%，汽車加速過程中所消耗的電能量比其在其它變速過程中所消耗的電能量要高［1］。因此，PEB在加速過程中的能耗對其在整個行駛過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程中電能耗的關鍵因素之一。然而，現有的電動汽車加速控制策略忽略了加速過程中不同加速曲線對電能耗的影響，從而導致了其在加速過程中不僅電能量消耗大，而且瞬時需求功率大大超過其額定功率，致使其無法正常工作。為此，針對PEB的加速過程，提出了基于最小單位里程能耗的純電動公交車加速控制曲線設計方法，以達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加速控制曲線設計原理

圖1為PEB加速過程中不同加速曲線。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工況要求汽車加速曲線為等加速度的直線），設其O點為該段速度的起始點，對應的時刻為ts和速度ui（ts），A點為其速度的終止點，它的對應時刻為te和速度ui（te）。由此可知，汽車由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。在加速過程中，加速曲線的瞬時速度ui（t，βi.j）可表示為：

圖1　某段加速過程中不同加速曲線

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

式中，r為輪胎半徑；m為整車質量；f為滾動阻力系數；δ為旋轉質量換算系數；CD為空氣阻力系數；A為車輛前部迎風面積。

圖2　不同初速度下與的關系曲線

由圖2可看出，在不同初速度下，相同時間內汽車加速到某一末速度時，不同的加速特征參數會影響其單位里程能耗。在初速度較低時，如為 0 km/h和7 km/h，是的遞增函數；初速較高時，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附近隨增大而減小；在0.5＜＜2.5附近，隨增大而增大。從能量利用率角度來看，選取合適的加速特征參數可以降低電動車單位里程能耗，進而延長其續駛里程。

圖3　與的關系曲線

式中，J為目標函數。

按上述思路，對PEB行駛工況中的n個加速段分別進行基于最小單位里程能耗的加速控制曲線設計，并以此為控制策略對PEB行駛工況中的各加速段進行加速控制，實現降低電動汽車單位里程消耗，提高電動汽車續駛里程的目的。

3　PEB最優加速控制仿真試驗與分析

為驗證基于最小單位里程能耗的純電動公交車加速控制曲線設計方法的可行性，以某款純電動公交車為試驗車輛，以ECE工況為試驗工況，運用基于最小單位里程能耗的純電動公交車加速控制曲線設計方法對其行駛過程進行控制試驗，圖4為ECE工況。

圖4　ECE工況

試驗用純電動公交車整車技術參數如表1所列。

表1　試驗用PEB整車參數

試驗用純電動公交車所采用的電機為YTD110型永磁同步電機，其基本參數如表2所列。

表2　YTD110永磁同步電機主要參數

純電動公交車裝載的磷酸鐵鋰動力電池組參數如表3所列。

表3　磷酸鐵鋰動力電池參數

表4　ECE工況中49～61 s加速段不同加速控制曲線能耗

在上述基礎上，為了對ECE工況中加速段進行最優加速控制曲線設計并分析單位里程能耗變化，選取4個循環工況（圖4）中單個循環工況的加速段進行最優設計，得出單個循環工況優化后的速度與時間關系如圖5所示。

圖5　ECE單個循環工況優化后速度與時間關系

圖5中，1、2、3、4、5、6分別為ECE單個循環工況中6段加速區間，仿真得出其最優加速特征參數分別為：β1=0.67、β2=0.67、β3=0.70、β4=0.67、β5=0.60、β6=0.90。

由表5可知，在滿足PEB動力性需求的基礎上，優化后的ECE工況單位里程能耗比優化前減少了500 kJ/km，達到了降低能耗、增加續駛里程的目的。

表5　ECE工況優化前、后能耗對比

4　結束語

為解決PEB加速過程中功率高、能耗大的問題，對PEB加速控制曲線進行了設計。研究發現，不同控制策略下的加速曲線會影響PEB單位里程能耗的大小，選取最優加速特征參數能有效提高PEB續駛里程和降低加速過程的能耗。在此基礎上，選取ECE工況進行仿真試驗，得出ECE工況中加速段的最優加速特征參數。試驗結果表明，在最優的加速控制優化曲線的作用下，PEB不僅能滿足其在ECE工況條件下的動力電池和驅動電機的功率需求，而且能使單條公交線路每年節約電能量28 000 kW·h。

參考文獻

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7董冰.基于鋰離子動力電池的純電動汽車能量管理系統控制策略與優化.吉林：吉林大學，2014.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年4月14日。

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0017-04

*基金項目：2014年度廣東省公益研究與能力建設專項資金項目（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