林元则，张军城，韦健林，刘德春，杨松铭，叶 挺

（浙江吉利新能源商用车集团有限公司，浙江 杭州 310051）

1 引言

2022年，公共领域用车的新能源化将是一大突破点，公共领域车辆的“油电转换”不仅有利于“双碳”目标的达成，还将对新能源汽车产业的发展起到强劲的带动作用，按相关政策规划：到2035年公共领域用车将全面实现电动化。据公安部统计，截至2022年3月底，全国新能源汽车保有量达891.5万辆，占汽车总量的2.90%。一季度新注册登记新能源汽车111万辆，占新注册登记汽车总量的16.91%，与去年同期相比增加64.4万辆，增长138.20%，呈高速增长态势。

随着新能源汽车的普及，新能源汽车的节能与能量回收技术成为一个热门课题。目前相关的研究已有很多，但主要集中在车辆的制动能量回收策略领域，例如行驶工况和驾驶风格耦合、制动力分配策略、制动扭矩控制策略、再生制动控制策略等。对于车辆滑行过程的能量回收也有一定的研究，但由于研究对象及方法和策略的差异，研究结果有所不同。有研究表明：适当的滑行能量回收有助于行车节能，例如使用超级电容实现滑行能量的回收、通过智能网联技术实现预测性滑行能力回收、通过先加速后滑行的PnG驾驶策略等；但也有研究表明：部分情况下，滑行过程的能量回收不利于车辆整体的节能。

相对而言，目前针对纯电城市公交的节能研究，尤其是存在频繁加减速工况时起步加速阶段的节能研究相对较少，对纯电城市公交高速行驶工况的能量回收也缺乏研究。本文以纯电城市公交车为研究对象，通过优化驱动电机加速阶段的扭矩控制，动态调整高速行驶阶段驱动电机的扭矩值，实现了驱动阶段整车的智慧节能功能，并通过不同路段的实车试验验证了本策略的可行性。

2 研究对象

本文的研究对象是一款吉利远程品牌的12m纯电城市公交车，其外观如图1所示。

图1 远程品牌12m纯电城市公交样车

该车的动力驱动使用永磁同步电动机，由电机直驱，电机最大功率为350kW，最大输出扭矩为2800Nm，额定功率为215kW，所用动力电池为磷酸铁锂动力电池，电池总容量为422.87kWh，其他主要参数见表1。

表1 纯电城市公交样车主要参数

3 智慧节能策略

驱动工况是指加速踏板开度不为0时，电机响应加速踏板信号输出相应的驱动力的工况。驱动工况可以分为需要较大加速度来提速的起步加速阶段和几乎没有加速度的速度保持阶段。城市公交车穿梭于繁华的城市路段，除了繁多的交通信号灯之外，相对于其他车辆而言还有较多的公交站点需要停靠，因此其起步加速阶段所占的比例有大幅提升。

3.1 起步加速阶段的节能策略

考虑到城市公交车需要较多的起步与加速，本文针对性地提出一种车辆起步加速阶段的节能策略。在车辆起步加速阶段，尤其是速度不超过15km/h（驱动电机转速不超过500 r/min）的低速阶段，此时电机系统效率较低，大多处于90%以下，节能策略应当是在此阶段尽量提高电机的系统效率。

从整车能量流分析，能量由动力电池传输至电机，再经电机将电能转化为转动的机械能经由传动系统传输给驱动轮带动整车行驶。

在此过程中，车辆行驶速度可以表示为：

驱动电机的能耗功率可以表示为：

驱动电机的驱动功率可以表示为：

车辆行驶速度与驱动电机旋转角速度之间的关系可以表示为：

由上述式（1）～（4）可得：

即：

式（1）～（6）中：v——车辆行驶速度；s——对应时间段内车辆行驶的路程；P——驱动电机的能耗功率；E——对应时间段内驱动电机的能耗；P——驱动电机的驱动功率；T——电机实际输出的扭矩；ω——电机旋转的角速度；η——电机系统的驱动效率，其是电机扭矩T与转速n的函数；i——传动系统减速比；R——车轮滚动半径。

根据式（6）可知，车辆行驶路程s过程中驱动电机所消耗的能量为E，由于传动系统减速比i与车轮滚动半径R均为定值，因此对于固定的路程s，为使其所消耗的能量E最小，则需要在此过程中使用较小的驱动电机扭矩T以及对应较大的电机系统效率η（T，n）。如图2所示为电机效率图，为实现上述目的，在低速阶段对于驱动电机同一转速下应适当地控制电机扭矩大小以达到高效区。

图2 驱动电机系统效率图

考虑到车辆低速阶段的加速需求，因此只能在一定程度上限制低速阶段的电机扭矩。本文所研究的纯电城市公交车还需要保障在起步加速阶段的平稳以保障乘客尤其是无座乘客的安全与舒适的乘车体验，因此本文针对性地提出了起步加速阶段扭矩限制的节能策略，其流程如图3a所示，当判断到智慧节能功能打开，车辆处于低速起步的加速阶段，驾驶员踩踏加速踏板的开度超过阈值时，通过扭矩限制算法在不影响驾驶感受和加速需求的基础上对扭矩做一定的限制，以提高电机系统效率η（T，n），进而实现节能目的。

图3 智慧节能策略流程图

3.2 高速行驶阶段的节能策略

本文所研究的纯电城市公交车标定的最高车速为80km/h，在实际运行路段，车辆的行驶速度一般在30～70km/h，在该高速行驶阶段，本文主要通过动态调整驱动电机扭矩，使电机系统高效运行，以达到节能目的。其流程如图3b所示，当判断到智慧节能功能打开，车辆处于高速行驶阶段时，通过动态扭矩调整算法实时优化驱动电机的输出扭矩，以提高电机系统效率η（T，n），进而实现节能目的。

本文所述驱动电机的扭矩动态调整算法如图4所示，其可以表示为：

式（7）、（8）中：T——驱动电机的实时转速n所对应的最高效的驱动扭矩；T——驱动电机的实时扭矩；k——计算的比例系数；u——计算出的驱动电机扭矩动态调整量；T——计算输出的最优扭矩。

如图4所示，该算法首先通过驱动电机的实时转速n和驱动电机的系统效率分布情况计算出对应的最优扭矩T，然后将驱动电机的实时扭矩T与上述最优扭矩T做对比并计算得出驱动电机扭矩动态调整量u，该动态调整量u通过上下限范围限制之后，与驱动电机的实时扭矩T共同计算得出最优扭矩T，该扭矩通过上下限范围限制和变化速率限制之后，最终输出为该算法输出的期望扭矩T。

图4 动态扭矩控制算法示意图

3.3 动力电池充电策略

当智慧节能功能启动后，驱动电机变成发电机，当满足特定条件后，可以为动力电池充电，驱动电机为动力电池充电的功率满足下列关系：

式（9）中：P——驱动电机为动力电池充电的功率；η——电路系统充电效率；P——驱动电机的发电功率；P——车载附件的能耗功率。

可以看出，为使驱动电机能够给动力电池充电，驱动电机的发电功率需超过车载附件的耗电功率，且发电功率越大电池的充电功率越大，但同时应满足发电机为动力电池的充电功率的最大值应小于动力电池充电的额定功率，即：

式（10）中：P——动力电池充电的额定功率；P——驱动电机为动力电池充电的最大功率。

为避免对动力电池造成过充危害，本文所提出的智慧节能算法与电池SOC值之间建立了条件关系：

式（11）中：SW——智慧节能算法开关标志位，即当动力电池SOC值低于97%时该智慧节能算法开始工作，条件满足时电池可以被驱动电机充电；当动力电池SOC值高于98%时该智慧节能算法停止工作，电池正常耗电；在智慧节能功能开始工作与停止工作之间设置了1%的回滞区间，可在一定程度上避免在临界点充放电频繁切换对动力电池造成的危害。

4 试验验证分析

4.1 试验描述

针对本文所设计的智慧节能算法，本研究在纯电城市公交车上进行了3组试验。试验开始之前，先将对应的控制算法通过相关工具烧制至车辆VCU中，然后在驾驶员操纵台加装了智慧节能功能开关，以便通过开关打开或关闭智慧节能功能，进而对比有无智慧节能功能时车辆的状态。

第1组试验选择常见的城市道路与城郊公路的组合，试验道路从厂区出发，沿途经过城郊公路、城市道路、城市高架桥等常见路况，单程约23.4km，共计27个红绿灯，试验线路如图5所示。

图5 第1组试验线路图

试验开始前，先将车辆动力电池充满。试验首日做关闭智慧节能功能的试验，试验当天天气阴，气温7～16℃，试验过程中最高车速为79km/h，行驶车速主要为30～70km/h；次日做开启智慧节能功能的试验，试验当天天气阴，气温7～14℃，试验过程中最高车速为72km/h，行驶车速主要为30～65km/h。本组两次试验天气条件基本相同，低温一致高温略有差异，但差异较小；实验过程中因为交通因素最高车速略有差异，但是总体速度分布基本相同。两次试验分别沿上述道路往返4次，行驶总里程约94km，在试验过程中，试验人员通过CANoe工具实时记录整车CAN网络信息。

第2组试验道路依然是城市道路与城郊公路的组合，试验道路从厂区出发，沿途经过城郊公路、城市道路、城市快速路等常见路况，并最终回到厂区，线路全程约45.7km，共计62个红绿灯，试验线路如图6所示。

图6 第2组试验线路图

第2组试验与第1组试验基本相似，试验首日做关闭智慧节能功能的试验，当天天气小雨，气温6～11℃，试验过程中最高车速为77km/h，行驶车速主要为40～70km/h；次日做开启智慧节能功能的试验，当天天气小雨，气温6～9℃，试验过程中最高车速为77km/h，行驶车速主要为40～70km/h。本组两次试验天气条件基本相同，低温一致高温略有差异，但差异较小；试验过程中车速分布基本一致。

第3组试验道路选择厂区周边一条公交路线，并由专业驾驶员模拟公交驾驶情况驾车行驶，此线路城市道路所占比例大幅提升并按公交站点停车，线路单程全长约17.4km，共计27个公交站点，试验线路如图7所示。

图7 第3组试验公交线路图

第3组两次试验在同一天进行，试验当天天气小雨，气温4～8℃。实验当天先将车辆动力电池充满，关闭智慧节能功能并在此公交线路上行驶一次往返，然后再次将车辆动力电池充满，开启智慧节能功能并在此公交线路上行驶一次往返。两次试验往返行驶各约35km，试验过程中最高车速约为65km/h，行驶车速主要分布在28～60km/h。

4.2 节能数据分析

试验结束后，读取CANoe记录的驱动电机数据，在本文3组试验中CANoe记录驱动电机数据的频率为100Hz，即每秒记录100组驱动电机的实时数据。然后使用驱动电机的转速与扭矩通过插值的方法计算各个数据时刻驱动电机的系统效率，并将同一组试验记录的数据绘制到驱动电机系统效率图中，如图8所示，其中图8a、8b、8c分别对应第1～3组试验。

从图8中可以看出：在同一组试验中，对于驱动电机同一转速下，开启智慧节能功能后其系统效率分布更集中于高效区域。分别统计3组试验中驱动工况下的电机系统效率分布数据占比情况如图9所示，图9中分别统计了驱动工况下电机系统效率高于96%、介于95%～96%、介于94%～95%以及低于94%的数据情况。统计方法为首先统计出驱动工况的总数量，然后统计出对应高效区域工况的数量，最后计算后者所占前者的比例。

图8 电机系统效率分布图

从图9中可以看出开启智慧节能功能后其在电机高效区所占的比例均高于关闭智慧节能功能的比例。通过各组试验对比来看，当车速相对较高（第2组试验）时，驱动电机高效区所占的比例最大，当车辆启停较多（第3组试验）时，驱动电机高效区所占的比例最小。

图9 电机系统效率占比统计对照图

最后，统计3组对比试验的能耗情况见表2。从表2中可以看出，在同一组试验内，车辆行驶路况一致、行驶里程相同的情况下，开启智慧节能功能后其所消耗的能量均小于关闭智慧节能功能的能耗，换算成百公里平均能耗后计算其节能率分别为：8.28%、6.30%、9.86%。其中节能率计算方式如下：

式（12）中：η——智慧节能算法的节能率；E——关闭智慧节能功能的百公里平均能耗；E——开启智慧节能功能的百公里平均能耗。

分析表2数据可以看出，当车速相对较高且启停较少（第2组试验）时，本算法的节能率最小。相反的，当车辆启停较多且车速相对较低（第3组试验）时，本算法的节能率最大，这主要是本算法针对公交车启停较多的行驶工况，优化了起步加速阶段的扭矩控制方法，实验说明该算法节能效果明显。

5 结语

本文针对纯电城市公交车的运行工况，提出了一种基于驱动电机扭矩动态实时调整的智慧节能算法，该算法可以实时根据驱动电机的运行工况对驱动扭矩做适当调整，使驱动电机在各工况下尽可能运行在电机系统效率较高的范围内。在该算法的基础上，本文使用吉利远程品牌的纯电城市公交车在不同路况下完成了3组试验，实验结果表明该智慧节能算法有效，以百公里平均能耗计算其节能率分别为8.28%、6.30%、9.86%。本文内容对新能源汽车尤其是纯电城市公交车的节能研究具有参考意义。

表2纯电城市公交车节能对比试验数据表