純電動(dòng)公交車(chē)控制策略及模型仿真研究

摘要：純電動(dòng)化是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，電能的應(yīng)用在公共交通中越來(lái)越普遍，最典型的代表是純電動(dòng)公交車(chē)，純電動(dòng)公交車(chē)以其優(yōu)越的性能、良好的控制策略及相對(duì)舒適的駕乘環(huán)境為城市管理者所青睞。本文主要從純電動(dòng)公交車(chē)的整體控制策略、局部系統(tǒng)控制策略及相應(yīng)模型的仿真模擬進(jìn)行探討及研究，以期能對(duì)純電動(dòng)公交車(chē)的控制策略?xún)?yōu)化提出建議。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)化；公交車(chē)；控制策略；模型仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

純電動(dòng)公交車(chē)的普遍應(yīng)用推動(dòng)了我國(guó)電動(dòng)公交車(chē)全產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，目前已經(jīng)形成了從整車(chē)設(shè)計(jì)，到整車(chē)控制、子系統(tǒng)控制、動(dòng)力蓄電池和輔助系統(tǒng)等關(guān)鍵部位的研發(fā)生產(chǎn)，再到基礎(chǔ)配套設(shè)施的完整鏈條。在這個(gè)背景下，通過(guò)控制策略契合純電動(dòng)公交車(chē)運(yùn)行要素，將各運(yùn)行控制要素有效管理，對(duì)提升純電動(dòng)公交車(chē)的整體價(jià)值非常重要。純電動(dòng)公交車(chē)面向公共交通，有其特殊性。公交車(chē)日常運(yùn)行控制要素可以概括為安全、功能和性能三個(gè)方面。

（1）安全要素。主觀(guān)方面主要依托于駕駛員的意識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，可以識(shí)別異常并處置異常；客觀(guān)方面包括了車(chē)輛制動(dòng)、能源穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向控制、安全輔助、報(bào)警及預(yù)警等。

（2）功能要素。指電動(dòng)公交車(chē)可以正常運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，如能源支持、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

（3）性能要素。即電動(dòng)公交車(chē)提供舒適環(huán)境的配套系統(tǒng)，如溫度控制、廣播控制等。

在純電動(dòng)公交車(chē)的迭代升級(jí)中，車(chē)輛控制策略是重中之重，每一項(xiàng)車(chē)輛控制策略的細(xì)微優(yōu)化，都有著深遠(yuǎn)且重要的影響。純電動(dòng)公交車(chē)的控制策略都基于上述允許要素的控制需求制定，逐步精細(xì)優(yōu)化。

1 整車(chē)控制策略研究

純電動(dòng)公交車(chē)既是一個(gè)整體，有整體控制策略，又由各個(gè)不同的子系統(tǒng)參與。各子系統(tǒng)的控制策略既滿(mǎn)足本系統(tǒng)單方面的控制要求，又服務(wù)于整體控制策略的需求。整體控制和局部子系統(tǒng)控制有機(jī)結(jié)合，互相推動(dòng)，才能形成日益優(yōu)越的純電動(dòng)公交車(chē)運(yùn)行控制體系。純電動(dòng)公交車(chē)的整體控制策略如圖1 所示。

1.1 整體控制策略核心

純電動(dòng)公交車(chē)的運(yùn)行必須需要有一個(gè)整體統(tǒng)一、協(xié)調(diào)一致的控制策略，可以充分協(xié)調(diào)控制電動(dòng)公交各個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析獲取車(chē)輛狀態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)車(chē)輛能源分配，使得優(yōu)勢(shì)統(tǒng)一聚合獲得車(chē)輛最佳運(yùn)行狀態(tài)[1]。純電動(dòng)公交車(chē)整車(chē)控制框架如圖2 所示。

純電動(dòng)公交車(chē)的整體控制策略可以歸納為：實(shí)時(shí)采集車(chē)輛狀態(tài)，考慮運(yùn)行控制要素，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，使整車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)效率達(dá)到最高，獲得車(chē)輛經(jīng)濟(jì)型及駕駛性能的平衡。整體控制策略的核心是可以實(shí)時(shí)根據(jù)駕駛員的動(dòng)作分析獲取駕駛意圖，綜合當(dāng)前車(chē)輛整體狀態(tài)，快速計(jì)算得到對(duì)驅(qū)動(dòng)力的期望，發(fā)出執(zhí)行指令，獲得驅(qū)動(dòng)能源回饋，使車(chē)輛行駛狀態(tài)快速準(zhǔn)確滿(mǎn)足駕駛員的駕駛目的[2]。在駕駛過(guò)程中，駕駛員也可以根據(jù)路況、車(chē)況等監(jiān)測(cè)信息，切換控制模式，滿(mǎn)足擁堵、爬行和駐坡等形式下的運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)控制策略研究

1.2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制

純電動(dòng)公交車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略主要涉及轉(zhuǎn)矩控制和速度控制。對(duì)于轉(zhuǎn)矩控制，通常采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方法。這種方法通過(guò)直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)優(yōu)化控制性能，具有快速響應(yīng)和良好魯棒性等特點(diǎn)。DTC 方法通過(guò)采集電機(jī)電壓和電流等參數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，并與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，調(diào)整電機(jī)的輸入電壓和頻率，使實(shí)際轉(zhuǎn)矩接近目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

另外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制也需要考慮速度控制。速度控制通常采用比例積分（PI）控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。PI 控制器通過(guò)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，調(diào)整電機(jī)的輸入電壓和頻率，使實(shí)際轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

1.2.2 能源管理系統(tǒng)控制

純電動(dòng)公交能源管理系統(tǒng)通常依靠電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源，主要是控制電池能量的釋放和存儲(chǔ)過(guò)程，根據(jù)車(chē)輛行駛狀態(tài)和駕駛員操作，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的工作狀態(tài)，對(duì)電池能量進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分配和最小化控制。

能量存儲(chǔ)主要是對(duì)電池組的管理。需要控制電池的充放電狀態(tài)，避免過(guò)充和過(guò)放，保證電池組的健康和安全。同時(shí)，需要優(yōu)化充電策略，讓電池的使用效率最大化；能量回收系統(tǒng)通過(guò)制動(dòng)能量回收技術(shù)，將制動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)在電池中，以提高能源利用效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，能源管理控制策略還需要根據(jù)具體路況和運(yùn)營(yíng)需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。例如，在公交路線(xiàn)中，可以根據(jù)路線(xiàn)的特點(diǎn)和乘客的需求，優(yōu)化車(chē)輛的停靠站點(diǎn)和發(fā)車(chē)時(shí)間，以提高車(chē)輛能源的利用率和乘客的出行效率。

1.2.3 車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)控制

純電動(dòng)公交車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)控制策略的核心目標(biāo)是提高車(chē)輛的節(jié)能潛力，并確保制動(dòng)安全性。一種常見(jiàn)的控制策略是協(xié)調(diào)型控制策略或串聯(lián)型控制策略。在協(xié)調(diào)型控制策略中，優(yōu)先激活動(dòng)力制動(dòng)力（驅(qū)動(dòng)電機(jī)的阻力）來(lái)實(shí)現(xiàn)公交車(chē)的減速制動(dòng)。控制單元ECU 會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出特性（如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率），動(dòng)力電池的剩余電量以及制動(dòng)強(qiáng)度需求等信息，進(jìn)行綜合決策，實(shí)時(shí)調(diào)整再生制動(dòng)能量回收與氣壓制動(dòng)的協(xié)調(diào)分配比例。這樣可以在確保提供足夠的整車(chē)總制動(dòng)力以完成制動(dòng)操作的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回收率的最大化。

1.2.4 車(chē)輛溫度系統(tǒng)控制

純電動(dòng)公交車(chē)溫度系統(tǒng)控制是為了保持純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)內(nèi)環(huán)境的舒適性并提高能量使用效率。溫度控制策略主要涉及對(duì)電池溫度的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以確保電池的安全和有效運(yùn)行[3]。

在車(chē)輛在行駛過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)儀表的關(guān)注，注意動(dòng)力電池高溫報(bào)警，避免急加速和急制動(dòng)，減少大電流放電和回饋引起的電池高溫。在溫度控制策略中，還可以采取一些主動(dòng)的調(diào)節(jié)措施來(lái)控制電池的溫度，如液體冷卻、熱管技術(shù)、相變材料，這些措施可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇和搭配，以達(dá)到最佳的溫度控制效果。同時(shí)，溫度控制策略還需要考慮電池的充電和放電效率、電池的壽命和安全性等因素。

除了電池溫度的控制外，溫度系統(tǒng)控制還同時(shí)管控影響車(chē)輛整體溫度的各部件及系統(tǒng)，如電機(jī)、空調(diào)等，使得各系統(tǒng)及部件一直處于最優(yōu)的工況之下，保證車(chē)輛用能和放能達(dá)到最佳平衡狀態(tài)[4]。

1.2.5 方向轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)控制

純電動(dòng)公交車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略主要涉及對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)和轉(zhuǎn)向盤(pán)的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以確保車(chē)輛的穩(wěn)定性和安全性。

在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略還需要根據(jù)具體路況和運(yùn)營(yíng)需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。例如，在高速行駛過(guò)程中，需要保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，以避免車(chē)輛失控；在低速行駛過(guò)程中，需要提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈敏度和精度，以方便駕駛員進(jìn)行精確操控。此外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略還需要考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗和可靠性等問(wèn)題。例如，在保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作的前提下，需要盡可能地降低能耗，以延長(zhǎng)車(chē)輛的續(xù)航里程；同時(shí)，需要保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，避免因轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障而導(dǎo)致車(chē)輛失控或發(fā)生事故。

1.2.6 輔助系統(tǒng)控制

純電動(dòng)公交車(chē)的輔助系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，輔助系統(tǒng)控制策略主要涉及對(duì)車(chē)輛的輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以提高車(chē)輛的舒適性和安全性。在城市公交路線(xiàn)中，可以?xún)?yōu)化車(chē)輛的空調(diào)、燈光和車(chē)門(mén)等輔助設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和工作模式，以提高乘客的舒適性和便利性；增加對(duì)車(chē)輛下坡制動(dòng)的控制，以減少制動(dòng)片磨損和降低能耗；在雨天行駛時(shí)，需要增加對(duì)車(chē)窗除霧和后視鏡加熱的控制，以提高車(chē)輛的安全性。

1.3 策略執(zhí)行健康管理

純電動(dòng)公交車(chē)控制策略執(zhí)行過(guò)程中的健康管理注重實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、閾值控制、故障診斷與定位、遠(yuǎn)程控制、聲音和視覺(jué)報(bào)警以及記錄與回放等方面，以確保車(chē)輛運(yùn)行的安全健康。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)車(chē)輛的電氣系統(tǒng)、電池狀態(tài)、環(huán)境條件等關(guān)鍵參數(shù)，以確保車(chē)輛的安全運(yùn)行。當(dāng)仿真控制出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)立即觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，并通過(guò)聲光電等方式提醒駕駛員和乘客。

（2）閾值控制。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)定各種參數(shù)的閾值，當(dāng)參數(shù)超過(guò)或低于閾值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)立即報(bào)警。例如，當(dāng)電池溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)立即報(bào)警并采取相應(yīng)措施。

（3）故障診斷與定位。系統(tǒng)應(yīng)對(duì)車(chē)輛的故障進(jìn)行診斷和定位，幫助駕駛員和維修人員快速找到故障原因并采取相應(yīng)措施。

（4）遠(yuǎn)程控制。通過(guò)與遠(yuǎn)程控制中心的連接，系統(tǒng)可以接收遠(yuǎn)程控制指令，例如啟動(dòng)或關(guān)閉車(chē)輛、調(diào)整車(chē)輛狀態(tài)等。同時(shí)，系統(tǒng)也可以將車(chē)輛狀態(tài)和報(bào)警信息發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷。

（5）聲音和視覺(jué)報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)聲音和視覺(jué)方式向駕駛員和乘客發(fā)出報(bào)警信息，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施。

（6）記錄與回放。系統(tǒng)應(yīng)對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息進(jìn)行記錄，以便駕駛員和維修人員查看和分析。記錄的信息應(yīng)包括時(shí)間戳、參數(shù)值及報(bào)警類(lèi)型等。

2 策略模型仿真模擬

在傳統(tǒng)的車(chē)輛研發(fā)過(guò)程中，需要進(jìn)行大量的實(shí)地測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，這需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。通過(guò)控制策略的模型建立與仿真，可以在一定程度上減少實(shí)地測(cè)試的次數(shù)，從而降低研發(fā)成本。純電動(dòng)公交車(chē)控制策略模型仿真是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到多個(gè)方面的研究和模擬，通過(guò)策略模型的搭建與模擬仿真，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真測(cè)試，可以大大縮短純電動(dòng)車(chē)的研發(fā)周期，可以幫助提高純電動(dòng)車(chē)的控制效率，從而優(yōu)化其性能。控制策略仿真模擬流程如圖3 所示。

首先需要確定研究的目標(biāo)，例如對(duì)純電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)控制策略、加速轉(zhuǎn)矩控制策略及制動(dòng)能量回饋控制策略等進(jìn)行研究。建立純電動(dòng)公交車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型，包括車(chē)輛的縱向、橫向和橫擺動(dòng)力學(xué)模型。這些模型可以基于運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行建立。設(shè)定仿真環(huán)境中的參數(shù)，如道路條件、交通狀況和車(chē)輛參數(shù)等。對(duì)于純電動(dòng)公交車(chē)，還需要考慮電池的電量、電機(jī)的扭矩和功率等特殊參數(shù)。

其次，編寫(xiě)適用于純電動(dòng)公交車(chē)的控制算法，如PID 控制、模糊控制和最優(yōu)控制等，這些算法可以用來(lái)控制車(chē)輛的速度、加速度及橫擺角等。然后將編寫(xiě)好的控制算法在仿真環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，觀(guān)察車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。如果響應(yīng)不滿(mǎn)足要求，需要對(duì)控制算法進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。再通過(guò)仿真測(cè)試的結(jié)果，對(duì)純電動(dòng)公交車(chē)的性能進(jìn)行優(yōu)化。這可能涉及到對(duì)車(chē)輛參數(shù)的調(diào)整、對(duì)控制算法的改進(jìn)等。

最后，需要對(duì)控制仿真方案的實(shí)施進(jìn)行驗(yàn)證，確保在實(shí)際應(yīng)用中，該方案能夠有效地提高純電動(dòng)公交車(chē)的性能，并保證安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

控制策略是純電動(dòng)公交車(chē)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)于提高車(chē)輛性能、降低能耗、保證安全等方面具有重要意義。本文對(duì)純電動(dòng)公交車(chē)的控制策略進(jìn)行了初步研究，并提出了模型仿真模擬分析的思路及方法，取得了一定的成果，但仍然存在一些不足之處，例如在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮更多因素，如路況、乘客需求等。

總之，純電動(dòng)公交車(chē)作為一種新型的逐步普及的交通工具，具有廣闊的應(yīng)用前景，通過(guò)深入研究其控制策略及模型仿真，可以為未來(lái)城市交通的發(fā)展提供有力支持。

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作者簡(jiǎn)介：

秦貞坤，本科，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)運(yùn)用。