【摘" 要】文章主要分析純電動(dòng)整車能耗研究現(xiàn)狀，從整車動(dòng)力性、安全性、舒適性能量需求角度分析各子系統(tǒng)能耗控制原理和發(fā)展趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上搭建整車能耗優(yōu)化控制架構(gòu)，為電動(dòng)車節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)客車;動(dòng)力匹配;能耗;Cop;扭矩斜率;熱管理

中圖分類號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）06-0001-04

A Review of the Energy Consumption Optimization Control Architecture of Pure Electric Buses

HU Haihua1，QIAN Zhenghua2，ZHOU Menglai2

（1.Shandong Heavy Industry Group Co.，Ltd.，Jinan 250013，China;

2.Automobile Research Institute，Asiastar Bus Co.，Ltd.，Yangzhou 225000，China）

【Abstract】This paper analyzes the research status of pure electric vehicle consumption，analyzes the energy consumption control principle and development trend of each subsystem from the perspective of vehicle dynamics，safety and comfort energy demand，and builds an optimized vehicle consumption control architecture on this basis，so as to provide a basis for the energy-saving design of electric vehicles.

【Key words】electric buses;power matching;energy efficiency;Cop;torque slope;thermal management

作者簡(jiǎn)介

胡海華（1980—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事新能源電池、電機(jī)、電控、熱管理等系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究。

里程焦慮是目前電動(dòng)車的關(guān)鍵問題，節(jié)能設(shè)計(jì)是主機(jī)廠設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。一些國(guó)家單位和機(jī)構(gòu)每年都會(huì)舉辦一些節(jié)能比賽，促進(jìn)整車行業(yè)能耗水平的提高[1]。本文分析整車能耗的現(xiàn)狀，從整車角度系統(tǒng)搭建純電動(dòng)整車能耗控制架構(gòu)，分析各零部件在整車能耗體系中的作用，梳理各系統(tǒng)能耗優(yōu)化方向，為今后純電動(dòng)的節(jié)能開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1" 純電動(dòng)能耗研究現(xiàn)狀

一般從整車角度通過減重、降低風(fēng)阻、降低行駛阻力、動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化匹配、簡(jiǎn)配等措施進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)[2]，但物理優(yōu)化有一定的限制，也可從零部件角度對(duì)整車能耗進(jìn)行優(yōu)化，如電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)整車能耗影響研究[3]，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和控制策略研究[4]，整車氣密性能對(duì)能耗的影響研究[5]?？紤]電動(dòng)附件的整車參數(shù)匹配，以車輛經(jīng)濟(jì)性和安全性為指標(biāo)對(duì)整車零部件進(jìn)行匹配，使得二者均衡，但僅能體現(xiàn)帶附件和不帶附件的能耗差異，無法給出參數(shù)控制和優(yōu)化的方向[6]。以車輛電耗最少為目標(biāo)，建立整車熱管理和動(dòng)力系統(tǒng)之間功率分配數(shù)學(xué)模型并開展優(yōu)化，在車輛不同工況特征下匹配合理動(dòng)力性和舒適性能量權(quán)重，有效降低整車能耗[7]。從能量流特性梳理影響能耗的主要因素，將其分為整車阻力、動(dòng)力系統(tǒng)、電池、負(fù)載、能量回收、充電等，并分別拆解對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)[8]，但其建立計(jì)算模型偏重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗分析，設(shè)計(jì)過程中實(shí)操性不強(qiáng)。根據(jù)車速與熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗的靈敏度關(guān)系，開創(chuàng)性地發(fā)展了基于模型預(yù)測(cè)控制的生態(tài)制熱策略，可有效降低空調(diào)附件的能耗。

綜上，針對(duì)純電動(dòng)能耗的研究主要有兩類：一是針對(duì)零部件自身性能和控制策略的研究，二是考慮或不考慮附件的整車匹配，往往有所側(cè)重。從整車角度系統(tǒng)地對(duì)各子系統(tǒng)的能耗控制進(jìn)行梳理和架構(gòu)的研究較少。

2" 純電動(dòng)能耗架構(gòu)

動(dòng)力電池充放電過程中，輸入/輸出性能一直在變，同時(shí)動(dòng)力電池對(duì)溫度敏感[9]，為了維持理想充放電溫度區(qū)間，需要消耗電網(wǎng)和自身的電能，使電動(dòng)車輛的能耗更加不可控。純電動(dòng)高壓能量流如圖1所示，在電網(wǎng)充電中，一部分電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)熱，一部分電能供給熱管理系統(tǒng)，剩余的轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存;行駛過程中，電能在刨除熱能和熱管理消耗后，再分配給其他各個(gè)耗能系統(tǒng)。

從高壓能量流的角度看，子系統(tǒng)能耗控制和能量管理是提高整車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵。同時(shí)子系統(tǒng)的能耗需分別滿足動(dòng)力性、安全性和舒適性需求，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零部件的匹配與控制決定了動(dòng)力性，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)零部件的匹配與控制決定了安全性，空調(diào)、暖風(fēng)、電池等熱管理系統(tǒng)零部件的匹配與控制決定了舒適性。當(dāng)電量不足時(shí)，需要調(diào)整輸出功率在三者之間的分配關(guān)系來保證續(xù)航里程。因此整車能耗圍繞整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性需求，通過提升零部件自身效率和優(yōu)化控制策略來局部降低能耗，通過整車綜合能量管理進(jìn)行全局保障。因安全性能耗在整車能耗中占比不大，本文只針對(duì)動(dòng)力性能耗、舒適性能耗和能量管理展開討論。

3" 動(dòng)力性能耗

動(dòng)力系統(tǒng)在滿足整車動(dòng)力性需求過程中，電能分別經(jīng)過電控?fù)p耗、電磁損耗、機(jī)械損耗后，才能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能[10]。因此動(dòng)力系統(tǒng)的匹配與控制是控制動(dòng)力性能耗的關(guān)鍵。

3.1" 動(dòng)力匹配

動(dòng)力系統(tǒng)的匹配是整車能耗優(yōu)化的第1步，根據(jù)工況需求，使整車的運(yùn)行工況點(diǎn)盡可能在電機(jī)電控系統(tǒng)的高效區(qū)域。開發(fā)過程中可根據(jù)電機(jī)電控匹配最佳的速比和輪胎半徑，也可調(diào)整電機(jī)的電磁方案改變高效區(qū)域的位置[11]。如圖3所示，在CCBC路況下，電機(jī)工況點(diǎn)分布在高效區(qū)域。

基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展可促進(jìn)電控?fù)p耗和傳動(dòng)損耗優(yōu)化。電控方面如碳化硅（SiC）等功率半導(dǎo)體的應(yīng)用，使得電控效率的峰值能夠達(dá)到99.99%，使得工況能耗降低3%～6%。傳動(dòng)方面通過驅(qū)動(dòng)構(gòu)型升級(jí)，如集成橋，能耗比一般的直驅(qū)降低3%～5%。

3.2" 驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)功率控制

驅(qū)動(dòng)過程中瞬時(shí)功率的大小影響整車的全局能耗。一般設(shè)計(jì)合理的油門參數(shù)可以使整車經(jīng)濟(jì)性能得到一定的控制。圖4a為純電動(dòng)的油門參數(shù)設(shè)計(jì)，即圍繞電機(jī)外特性，讓不同的油門開度對(duì)應(yīng)不同扭矩百分比，再通過改變油門百分比扭矩曲線的疏密來調(diào)整整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，但瞬時(shí)功率大小對(duì)駕駛員風(fēng)格依賴很大。瞬時(shí)功率限制最直接有效的是母線電流的限制。圖4b為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的母線電流分布情況，電流大小決定了特定轉(zhuǎn)速下電機(jī)最大扭矩，可以看出：限制電流對(duì)低速爬坡扭矩影響不大，對(duì)中高速加速性能有較大的影響，但直接降低了電機(jī)輸出功率，從而降低了整車能耗，且不受駕駛員影響。

3.3" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩斜率

在驅(qū)動(dòng)能耗控制值中扭矩斜率的設(shè)置比較關(guān)鍵。方法是：在電機(jī)的非高效區(qū)間，讓扭矩變化較快，使工況點(diǎn)迅速轉(zhuǎn)移到經(jīng)濟(jì)區(qū);在高效區(qū)間，讓扭矩變化較慢，使工況點(diǎn)緩慢轉(zhuǎn)移到非高效區(qū)間。參數(shù)標(biāo)定如式（1）所示。

Tgo=Tcur±kdynt（flt;feco1）

Tgo=Tcur±keco1t（feco1≤flt;feco2）

Tgo=Tcur±keco2t（feco2lt;f）（1）

式中：Tcur——驅(qū)動(dòng)電機(jī)當(dāng)前扭矩;Tgo——驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)扭矩;kdyn——低效區(qū)的扭矩上升/下降率;keco1——第1經(jīng)濟(jì)區(qū)扭矩上升/下降率;keco2——第2經(jīng)濟(jì)區(qū)扭矩上升/下降率;feco1、feco2——邊界效率;f——驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率;t——時(shí)間;±——扭矩上升/下降狀態(tài)。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)能量回收時(shí)視同，當(dāng)ABS介入時(shí)，Tgo=Tabs，此時(shí)盡量保持小的恒扭矩回收，以保證回收效率和安全性。

3.4" 能量回收

能量回收是在滿足整車安全性的基礎(chǔ)上，盡可能回收較多的電能。目前能量回收策略總體上分為4種：①基于車速的能量回收策略，制動(dòng)力大小與踏板開度之間沒有關(guān)系;②基于踏板開度的能量回收策略，當(dāng)制動(dòng)力需求大于某個(gè)值時(shí)，能量回收關(guān)閉;③基于理想制動(dòng)力分配，安全性較好;④最優(yōu)回饋能量制動(dòng)力分配，充分考慮電機(jī)回收能力、效率和制動(dòng)安全性能，但控制模型復(fù)雜。

制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型對(duì)回收策略影響較大，對(duì)于客車目前只有兩種：一種為并聯(lián)方案（ABS構(gòu)型），電機(jī)回收扭矩和機(jī)械扭矩之間沒有耦合，回收扭矩最大化利用與制動(dòng)安全之間為一對(duì)矛盾關(guān)系，采用第1種和第2種策略時(shí)，在低附著系數(shù)路面上容易導(dǎo)致ABS異常觸發(fā)，采用第3種策略時(shí)，能量回收不能達(dá)到最大化;另一種為串聯(lián)方案（EBS構(gòu)型），電機(jī)扭矩和機(jī)械扭矩存在耦合關(guān)系，采用第3種回收策略可以實(shí)現(xiàn)在制動(dòng)力合理分配的基礎(chǔ)上讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的回收力矩最大化利用，采用第4種策略可以通過回收效率控制進(jìn)一步提升整車經(jīng)濟(jì)性。從整車節(jié)能角度推薦采用EBS方案配套第3種回收策略。

3.5" 驅(qū)動(dòng)能效優(yōu)化架構(gòu)

綜上所述，驅(qū)動(dòng)能效優(yōu)化，就是在整車合理匹配的基礎(chǔ)上，結(jié)合油門參數(shù)、電機(jī)限流、扭矩梯度制定油門參數(shù)，配合優(yōu)越的能量回收策略全方位提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能效水平。

4" 舒適性能耗

整車舒適性分別針對(duì)人和零部件，針對(duì)人的主要包括空調(diào)、暖風(fēng)、除霜，而針對(duì)零部件的主要包括電池、電機(jī)，耦合起來即為整車熱管理。本節(jié)重點(diǎn)討論空調(diào)和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能耗控制。

4.1" 整車空調(diào)

制冷劑物理特性決定空調(diào)系統(tǒng)的Cop值[12]，Cop值高說明空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，但受成本影響，整車廠不好控制。系統(tǒng)控制水平的好壞能影響空調(diào)的能耗，目前空調(diào)是基于目標(biāo)溫度的差值來調(diào)整壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率來控制出風(fēng)溫度。但對(duì)于乘客數(shù)量、環(huán)境溫度、空氣濕度變化引起的熱負(fù)荷變化缺乏識(shí)別，考慮不到整車內(nèi)外溫差對(duì)乘客的影響，架構(gòu)體系不夠完善。圖5為目標(biāo)溫度與空調(diào)功率的變化情況，說明目標(biāo)溫度的設(shè)置決定了系統(tǒng)能耗。不同駕駛員可調(diào)整目標(biāo)溫度，但難以設(shè)置理想目標(biāo)溫度。

可設(shè)定車內(nèi)外溫差、乘客數(shù)量、系統(tǒng)壓力引起熱負(fù)荷變化，同時(shí)基于人體的舒適性需求，構(gòu)建氣候適應(yīng)性模型，使車內(nèi)目標(biāo)溫度與車外溫度呈線性關(guān)系，如式（2）所示。

Ts（t）=as（n（t））+bs·T0（t）（2）

式中：n（t）——成員數(shù)量;as——成員數(shù)量的函數(shù);T0——室外溫度;Ts——目標(biāo)溫度?？照{(diào)系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖6所示，系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器、軸荷傳感器、壓力傳感器采集的參數(shù)計(jì)算目標(biāo)溫度，實(shí)時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的工作頻率，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.2" 電池?zé)峁芾?/p>

動(dòng)力電池有其理想的溫度放電區(qū)間，化學(xué)反應(yīng)溫度決定了其瞬時(shí)放電功率，同時(shí)動(dòng)力電池的工作溫度對(duì)電池壽命有決定性的影響[13]。因此需配置電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來保障動(dòng)力電池輸出能力和壽命，運(yùn)行過程中消耗自身電能，從而影響整車?yán)m(xù)航里程。

動(dòng)力電池匹配是保障整車電耗最重要的一環(huán)。首先電池與電機(jī)電壓平臺(tái)的匹配，因低電壓時(shí)電機(jī)高效區(qū)域往效率MAP的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)移，高電壓時(shí)電機(jī)高效區(qū)域往效率MAP的高轉(zhuǎn)速偏移。在客車領(lǐng)域中，公交電壓平臺(tái)一般在540V左右，公路或者旅團(tuán)電壓平臺(tái)一般在600V左右。其次是動(dòng)力電池的內(nèi)阻選擇，較低的內(nèi)阻可以減少熱管理系統(tǒng)的負(fù)荷。在整車開發(fā)過程中，注意選擇內(nèi)阻較低的電池方案;同時(shí)因并聯(lián)電池組比串聯(lián)組的內(nèi)阻低，同等電壓條件下，選擇并聯(lián)方案的動(dòng)力電池，電池?zé)嶝?fù)荷可以降低15%～30%。

電熱管理系統(tǒng)的控制也是節(jié)約能耗的關(guān)鍵。主流控制方法為：動(dòng)力電池根據(jù)電池單體的最大溫度和平均溫度，發(fā)送加熱和制冷需求，讓電池溫度維持在良好的溫度區(qū)間。該模式簡(jiǎn)單有效，但僅考慮電池溫度，未考慮整車負(fù)荷，不利于整車能耗控制。因此需對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，根據(jù)整車工況估算熱管理系統(tǒng)負(fù)荷，精準(zhǔn)控制電池溫度進(jìn)行區(qū)間，更要杜絕加熱制冷來回切換導(dǎo)致電能浪費(fèi)。電池?zé)峁芾砜刂萍軜?gòu)如圖7所示，采集環(huán)境溫度、電池溫度、整車負(fù)載電流參數(shù)，實(shí)時(shí)估計(jì)動(dòng)力電池的熱負(fù)荷，再對(duì)壓縮機(jī)、PTC等零部件進(jìn)行控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.3" 熱管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

動(dòng)力電池的工作溫度和人體舒適溫度較接近，因此集成式整車熱管理系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢(shì)。不僅提升整車布置效率，而且建立了不同系統(tǒng)熱耦合關(guān)系，有效降低了整車能耗。同時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損失功率轉(zhuǎn)化成的熱量可通過交換器交換出來給熱泵系統(tǒng)提供能量[14]，進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率。如特斯拉熱管理系統(tǒng)，通過八通閥調(diào)整整車處于不同的熱管理工作模式，有效提升整車?yán)m(xù)航里程。

5" 能量管理

當(dāng)動(dòng)力電池SOC或SOH較低時(shí)，動(dòng)力電池的輸出功率不能滿足整車各附件的功率總需求，此時(shí)能量管理是延長(zhǎng)整車?yán)m(xù)航里程的一個(gè)關(guān)鍵。可將電池供能狀態(tài)區(qū)分為正常狀態(tài)、1級(jí)欠功狀態(tài)、2級(jí)欠功狀態(tài)，1級(jí)欠功狀態(tài)較復(fù)雜，正常狀態(tài)和2級(jí)欠功狀態(tài)較簡(jiǎn)單。本文重點(diǎn)討論1級(jí)欠功狀態(tài)的能量管理策略，因必須開啟轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、低壓負(fù)載，故1級(jí)欠工狀態(tài)只需討論驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)或暖風(fēng)的取舍關(guān)系，詳見表1。

5.1" 電機(jī)優(yōu)先模式

動(dòng)力電池的輸出優(yōu)先滿足電機(jī)和安全性附件的需求功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與空調(diào)的功率分配策略如下。

Ps=Psreq（3）

Pm=Pmreq，Pdisgt;Pmreq+Psreq

Pdis-Psreq，Pdis≤Pmreq+Psreq（4）

Pa=Pdis-Pm-Psreq（5）

式中：Pm——電機(jī)可用功率;Ps——轉(zhuǎn)向油泵、打氣泵、DC/DC功率;Pa——空調(diào)或者暖風(fēng)功率;Pdis——電池放電功率。

5.2" 協(xié)調(diào)控制

優(yōu)先滿足空調(diào)和附件的功率需求，安全性附件按式（3）計(jì)算，電機(jī)與空調(diào)的功率分配需滿足車輛因不能協(xié)調(diào)控制而減速。

1）當(dāng)Pdis-KaPareq-Psreq≥Pmreq，Ka為空調(diào)需求功率滿足比，則可對(duì)電機(jī)與空調(diào)做如下分配。

Pm=Pmreq（6）

Pa=Pdis-Pm-Psreq（7）

2）當(dāng)Pv≤Pdis-KaPareq-Psreqlt;Pmreq，Pv為平均車速需求功率，則電機(jī)與空調(diào)功率分配如下。

Pa=KaPareq（8）

Pm=Pdis-Pa-Psreq（9）

3）當(dāng)KaPareq+Pvgt;Pdis-Psreqgt;Pv，則可對(duì)電機(jī)與空調(diào)功率分配如下。

Pm=min（Pv，Pmreq）（10）

Pa=Pdis-Pm-Psreq（11）

4）當(dāng)Pv gt;Pdis-Psreqgt;0，則可對(duì)電機(jī)與空調(diào)做如下功率分配。

Pm=min（Pmreq（Pdis-Psreq））（12）

Pa=Pdis-Pm-Psreq（13）

6" 整車能耗優(yōu)化控制架構(gòu)

整車能耗優(yōu)化控制架構(gòu)見圖8。頂層能耗控制是在充電或行車過程中，通過動(dòng)力性、舒適性和安全性的優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)調(diào)整各子系統(tǒng)的能耗，保障整車?yán)m(xù)航里程。底層能耗控制通過動(dòng)力系統(tǒng)、空調(diào)、電池?zé)峁芾淼茸酉到y(tǒng)的精準(zhǔn)化匹配、控制與架構(gòu)優(yōu)化來保障。如動(dòng)力性能耗，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)合理匹配的基礎(chǔ)上，將油門參數(shù)適配合適扭矩梯度、電流限制和能量回收策略使得驅(qū)動(dòng)能耗降低。舒適性能耗中，整車空調(diào)通過估算人體適宜溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)整目標(biāo)溫度，增加傳感器分析乘客數(shù)量來識(shí)別熱負(fù)荷，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制;電池?zé)峁芾碓黾觿?dòng)力電池輸出負(fù)荷的動(dòng)態(tài)過程來預(yù)測(cè)熱管理負(fù)荷。發(fā)展趨勢(shì)是系統(tǒng)集成化，如動(dòng)力系統(tǒng)集成和整車熱管理系統(tǒng)集成，可以使得整車能耗進(jìn)一步降低。

7" 結(jié)論

本文旨在系統(tǒng)降低純電動(dòng)客車的運(yùn)營(yíng)能耗，按照整車性能需求，劃分為動(dòng)力性子系統(tǒng)、安全性子系統(tǒng)、舒適性子系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了滿足動(dòng)力性、舒適性系統(tǒng)零部件的特點(diǎn)和優(yōu)化方法，在此基礎(chǔ)上搭建整車能耗優(yōu)化控制架構(gòu)。

結(jié)論如下：①整車能耗由各子系統(tǒng)的能耗組成，合理優(yōu)化各子系統(tǒng)的能耗是降低整車能耗的前提條件;②完善動(dòng)力系統(tǒng)、空調(diào)、電池?zé)峁芾淼认到y(tǒng)零部件的電氣控制架構(gòu)，才能在現(xiàn)有的能耗水平下進(jìn)一步提升;③根據(jù)動(dòng)力電池的輸出特性，權(quán)衡各子系統(tǒng)的工作優(yōu)先級(jí)，合理制定整車的功率分配策略，是延長(zhǎng)整車?yán)m(xù)航里程的重要保證。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-04-29