纯电动客车能耗优化控制架构综述

【摘" 要】文章主要分析纯电动整车能耗研究现状，从整车动力性、安全性、舒适性能量需求角度分析各子系统能耗控制原理和发展趋势，在此基础上搭建整车能耗优化控制架构，为电动车节能设计提供依据。

【关键词】电动客车;动力匹配;能耗;Cop;扭矩斜率;热管理

中图分类号：U469.72" " 文献标识码：A" " 文章编号：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

作者简介

胡海华（1980—），男，硕士，高级工程师，主要从事新能源电池、电机、电控、热管理等系统的开发与应用研究。

里程焦虑是目前电动车的关键问题，节能设计是主机厂设计重点之一。一些国家单位和机构每年都会举办一些节能比赛，促进整车行业能耗水平的提高[1]。本文分析整车能耗的现状，从整车角度系统搭建纯电动整车能耗控制架构，分析各零部件在整车能耗体系中的作用，梳理各系统能耗优化方向，为今后纯电动的节能开发奠定基础。

1" 纯电动能耗研究现状

一般从整车角度通过减重、降低风阻、降低行驶阻力、动力系统优化匹配、简配等措施进行节能设计[2]，但物理优化有一定的限制，也可从零部件角度对整车能耗进行优化，如电动空调系统对整车能耗影响研究[3]，电动助力转向系统动力学和控制策略研究[4]，整车气密性能对能耗的影响研究[5]。考虑电动附件的整车参数匹配，以车辆经济性和安全性为指标对整车零部件进行匹配，使得二者均衡，但仅能体现带附件和不带附件的能耗差异，无法给出参数控制和优化的方向[6]。以车辆电耗最少为目标，建立整车热管理和动力系统之间功率分配数学模型并开展优化，在车辆不同工况特征下匹配合理动力性和舒适性能量权重，有效降低整车能耗[7]。从能量流特性梳理影响能耗的主要因素，将其分为整车阻力、动力系统、电池、负载、能量回收、充电等，并分别拆解对应的关键参数[8]，但其建立计算模型偏重驱动系统能耗分析，设计过程中实操性不强。根据车速与热泵空调系统能耗的灵敏度关系，开创性地发展了基于模型预测控制的生态制热策略，可有效降低空调附件的能耗。

综上，针对纯电动能耗的研究主要有两类：一是针对零部件自身性能和控制策略的研究，二是考虑或不考虑附件的整车匹配，往往有所侧重。从整车角度系统地对各子系统的能耗控制进行梳理和架构的研究较少。

2" 纯电动能耗架构

动力电池充放电过程中，输入/输出性能一直在变，同时动力电池对温度敏感[9]，为了维持理想充放电温度区间，需要消耗电网和自身的电能，使电动车辆的能耗更加不可控。纯电动高压能量流如图1所示，在电网充电中，一部分电能转化为化学热，一部分电能供给热管理系统，剩余的转化为电能储存;行驶过程中，电能在刨除热能和热管理消耗后，再分配给其他各个耗能系统。

从高压能量流的角度看，子系统能耗控制和能量管理是提高整车续航里程的关键。同时子系统的能耗需分别满足动力性、安全性和舒适性需求，如图2所示。驱动系统零部件的匹配与控制决定了动力性，转向系统、制动系统、低压系统零部件的匹配与控制决定了安全性，空调、暖风、电池等热管理系统零部件的匹配与控制决定了舒适性。当电量不足时，需要调整输出功率在三者之间的分配关系来保证续航里程。因此整车能耗围绕整车动力性、经济性、舒适性需求，通过提升零部件自身效率和优化控制策略来局部降低能耗，通过整车综合能量管理进行全局保障。因安全性能耗在整车能耗中占比不大，本文只针对动力性能耗、舒适性能耗和能量管理展开讨论。

3" 动力性能耗

动力系统在满足整车动力性需求过程中，电能分别经过电控损耗、电磁损耗、机械损耗后，才能转化为机械能[10]。因此动力系统的匹配与控制是控制动力性能耗的关键。

3.1" 动力匹配

动力系统的匹配是整车能耗优化的第1步，根据工况需求，使整车的运行工况点尽可能在电机电控系统的高效区域。开发过程中可根据电机电控匹配最佳的速比和轮胎半径，也可调整电机的电磁方案改变高效区域的位置[11]。如图3所示，在CCBC路况下，电机工况点分布在高效区域。

基础技术发展可促进电控损耗和传动损耗优化。电控方面如碳化硅（SiC）等功率半导体的应用，使得电控效率的峰值能够达到99.99%，使得工况能耗降低3%～6%。传动方面通过驱动构型升级，如集成桥，能耗比一般的直驱降低3%～5%。

3.2" 驱动瞬时功率控制

驱动过程中瞬时功率的大小影响整车的全局能耗。一般设计合理的油门参数可以使整车经济性能得到一定的控制。图4a为纯电动的油门参数设计，即围绕电机外特性，让不同的油门开度对应不同扭矩百分比，再通过改变油门百分比扭矩曲线的疏密来调整整车的动力性和经济性，但瞬时功率大小对驾驶员风格依赖很大。瞬时功率限制最直接有效的是母线电流的限制。图4b为驱动电机的母线电流分布情况，电流大小决定了特定转速下电机最大扭矩，可以看出：限制电流对低速爬坡扭矩影响不大，对中高速加速性能有较大的影响，但直接降低了电机输出功率，从而降低了整车能耗，且不受驾驶员影响。

3.3" 驱动电机扭矩斜率

在驱动能耗控制值中扭矩斜率的设置比较关键。方法是：在电机的非高效区间，让扭矩变化较快，使工况点迅速转移到经济区;在高效区间，让扭矩变化较慢，使工况点缓慢转移到非高效区间。参数标定如式（1）所示。

Tgo=Tcur±kdynt（flt;feco1）

Tgo=Tcur±keco1t（feco1≤flt;feco2）

Tgo=Tcur±keco2t（feco2lt;f）（1）

式中：Tcur——驱动电机当前扭矩;Tgo——驱动电机目标扭矩;kdyn——低效区的扭矩上升/下降率;keco1——第1经济区扭矩上升/下降率;keco2——第2经济区扭矩上升/下降率;feco1、feco2——边界效率;f——驱动电机效率;t——时间;±——扭矩上升/下降状态。

当驱动电机能量回收时视同，当ABS介入时，Tgo=Tabs，此时尽量保持小的恒扭矩回收，以保证回收效率和安全性。

3.4" 能量回收

能量回收是在满足整车安全性的基础上，尽可能回收较多的电能。目前能量回收策略总体上分为4种：①基于车速的能量回收策略，制动力大小与踏板开度之间没有关系;②基于踏板开度的能量回收策略，当制动力需求大于某个值时，能量回收关闭;③基于理想制动力分配，安全性较好;④最优回馈能量制动力分配，充分考虑电机回收能力、效率和制动安全性能，但控制模型复杂。

制动系统构型对回收策略影响较大，对于客车目前只有两种：一种为并联方案（ABS构型），电机回收扭矩和机械扭矩之间没有耦合，回收扭矩最大化利用与制动安全之间为一对矛盾关系，采用第1种和第2种策略时，在低附着系数路面上容易导致ABS异常触发，采用第3种策略时，能量回收不能达到最大化;另一种为串联方案（EBS构型），电机扭矩和机械扭矩存在耦合关系，采用第3种回收策略可以实现在制动力合理分配的基础上让驱动电机的回收力矩最大化利用，采用第4种策略可以通过回收效率控制进一步提升整车经济性。从整车节能角度推荐采用EBS方案配套第3种回收策略。

3.5" 驱动能效优化架构

综上所述，驱动能效优化，就是在整车合理匹配的基础上，结合油门参数、电机限流、扭矩梯度制定油门参数，配合优越的能量回收策略全方位提升驱动系统的能效水平。

4" 舒适性能耗

整车舒适性分别针对人和零部件，针对人的主要包括空调、暖风、除霜，而针对零部件的主要包括电池、电机，耦合起来即为整车热管理。本节重点讨论空调和电池热管理系统能耗控制。

4.1" 整车空调

制冷剂物理特性决定空调系统的Cop值[12]，Cop值高说明空调系统节能，但受成本影响，整车厂不好控制。系统控制水平的好坏能影响空调的能耗，目前空调是基于目标温度的差值来调整压缩机、冷凝风机、蒸发风机的运转频率来控制出风温度。但对于乘客数量、环境温度、空气湿度变化引起的热负荷变化缺乏识别，考虑不到整车内外温差对乘客的影响，架构体系不够完善。图5为目标温度与空调功率的变化情况，说明目标温度的设置决定了系统能耗。不同驾驶员可调整目标温度，但难以设置理想目标温度。

可设定车内外温差、乘客数量、系统压力引起热负荷变化，同时基于人体的舒适性需求，构建气候适应性模型，使车内目标温度与车外温度呈线性关系，如式（2）所示。

Ts（t）=as（n（t））+bs·T0（t）（2）

式中：n（t）——成员数量;as——成员数量的函数;T0——室外温度;Ts——目标温度。空调系统控制架构如图6所示，系统根据温度传感器、轴荷传感器、压力传感器采集的参数计算目标温度，实时调整压缩机、冷凝风机、蒸发风机的工作频率，达到节能的目的。

4.2" 电池热管理

动力电池有其理想的温度放电区间，化学反应温度决定了其瞬时放电功率，同时动力电池的工作温度对电池寿命有决定性的影响[13]。因此需配置电池热管理系统来保障动力电池输出能力和寿命，运行过程中消耗自身电能，从而影响整车续航里程。

动力电池匹配是保障整车电耗最重要的一环。首先电池与电机电压平台的匹配，因低电压时电机高效区域往效率MAP的低转速转移，高电压时电机高效区域往效率MAP的高转速偏移。在客车领域中，公交电压平台一般在540V左右，公路或者旅团电压平台一般在600V左右。其次是动力电池的内阻选择，较低的内阻可以减少热管理系统的负荷。在整车开发过程中，注意选择内阻较低的电池方案;同时因并联电池组比串联组的内阻低，同等电压条件下，选择并联方案的动力电池，电池热负荷可以降低15%～30%。

电热管理系统的控制也是节约能耗的关键。主流控制方法为：动力电池根据电池单体的最大温度和平均温度，发送加热和制冷需求，让电池温度维持在良好的温度区间。该模式简单有效，但仅考虑电池温度，未考虑整车负荷，不利于整车能耗控制。因此需对热管理系统进行重构，根据整车工况估算热管理系统负荷，精准控制电池温度进行区间，更要杜绝加热制冷来回切换导致电能浪费。电池热管理控制架构如图7所示，采集环境温度、电池温度、整车负载电流参数，实时估计动力电池的热负荷，再对压缩机、PTC等零部件进行控制，达到节能的目的。

4.3" 热管理系统发展趋势

动力电池的工作温度和人体舒适温度较接近，因此集成式整车热管理系统是发展的必然趋势。不仅提升整车布置效率，而且建立了不同系统热耦合关系，有效降低了整车能耗。同时驱动系统损失功率转化成的热量可通过交换器交换出来给热泵系统提供能量[14]，进一步提升系统效率。如特斯拉热管理系统，通过八通阀调整整车处于不同的热管理工作模式，有效提升整车续航里程。

5" 能量管理

当动力电池SOC或SOH较低时，动力电池的输出功率不能满足整车各附件的功率总需求，此时能量管理是延长整车续航里程的一个关键。可将电池供能状态区分为正常状态、1级欠功状态、2级欠功状态，1级欠功状态较复杂，正常状态和2级欠功状态较简单。本文重点讨论1级欠功状态的能量管理策略，因必须开启转向、制动、低压负载，故1级欠工状态只需讨论驱动系统、空调或暖风的取舍关系，详见表1。

5.1" 电机优先模式

动力电池的输出优先满足电机和安全性附件的需求功率，驱动电机与空调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——电机可用功率;Ps——转向油泵、打气泵、DC/DC功率;Pa——空调或者暖风功率;Pdis——电池放电功率。

5.2" 协调控制

优先满足空调和附件的功率需求，安全性附件按式（3）计算，电机与空调的功率分配需满足车辆因不能协调控制而减速。

1）当Pdis-KaPareq-Psreq≥Pmreq，Ka为空调需求功率满足比，则可对电机与空调做如下分配。

Pm=Pmreq（6）

Pa=Pdis-Pm-Psreq（7）

2）当Pv≤Pdis-KaPareq-Psreqlt;Pmreq，Pv为平均车速需求功率，则电机与空调功率分配如下。

Pa=KaPareq（8）

Pm=Pdis-Pa-Psreq（9）

3）当KaPareq+Pvgt;Pdis-Psreqgt;Pv，则可对电机与空调功率分配如下。

Pm=min（Pv，Pmreq）（10）

Pa=Pdis-Pm-Psreq（11）

4）当Pv gt;Pdis-Psreqgt;0，则可对电机与空调做如下功率分配。

Pm=min（Pmreq（Pdis-Psreq））（12）

Pa=Pdis-Pm-Psreq（13）

6" 整车能耗优化控制架构

整车能耗优化控制架构见图8。顶层能耗控制是在充电或行车过程中，通过动力性、舒适性和安全性的优先级，实时调整各子系统的能耗，保障整车续航里程。底层能耗控制通过动力系统、空调、电池热管理等子系统的精准化匹配、控制与架构优化来保障。如动力性能耗，在驱动系统合理匹配的基础上，将油门参数适配合适扭矩梯度、电流限制和能量回收策略使得驱动能耗降低。舒适性能耗中，整车空调通过估算人体适宜温度，动态调整目标温度，增加传感器分析乘客数量来识别热负荷，从而达到精准控制;电池热管理增加动力电池输出负荷的动态过程来预测热管理负荷。发展趋势是系统集成化，如动力系统集成和整车热管理系统集成，可以使得整车能耗进一步降低。

7" 结论

本文旨在系统降低纯电动客车的运营能耗，按照整车性能需求，划分为动力性子系统、安全性子系统、舒适性子系统，重点分析了满足动力性、舒适性系统零部件的特点和优化方法，在此基础上搭建整车能耗优化控制架构。

结论如下：①整车能耗由各子系统的能耗组成，合理优化各子系统的能耗是降低整车能耗的前提条件;②完善动力系统、空调、电池热管理等系统零部件的电气控制架构，才能在现有的能耗水平下进一步提升;③根据动力电池的输出特性，权衡各子系统的工作优先级，合理制定整车的功率分配策略，是延长整车续航里程的重要保证。

参考文献：

[1] 赵永刚，尚志城，张超，等. 基于2023EB-PAC的新能源公交车性能评价与结果解析[J]. 客车技术与研究，2023，45（5）：34-38.

[2] 余才光，高上览，汤伟诚，等. 纯电动汽车电耗分析及未来电耗分析[J]. 制造业自动化，2024，46（1）：191-198.

[3] 任亚超，耿杰，孙珍维. 基于一维仿真技术的纯电动汽车热管理能耗影响的研究[J]. 制冷技术，2023，43（6）：46-52.

[4] 袁晓伟，贺亚鹏. 纯电动客车电动转向泵控制策略的研究[J]. 客车技术与研究，2021，43（3）：15-17，38.

[5] 李鹏，赵世宜. 客车气密性提升及其对车内噪声和能耗影响的研究[J]. 汽车适用技术，2020（10）：150-153.

[6] 费为伟，唐金龙，王峰. 纯电动客车高压附件匹配设计及仿真[J]. 汽车实用技术，2020，45（22）：1-2，6.

[7] 杜光乾. 考虑空调功率分配的纯电动城市客车能量管理策略研究[D]. 北京：清华大学，2019.

[8] 季孟渊，左印波，焦治国. 基于汽车能量流理论的纯电动汽车行驶工况能耗极值分析[J]. 汽车使用技术，2023，48（23）：19-25.

[9] 张光磊，钟颖强. 电动汽车锂离子动力电池热特性与散热优化研究[J]. 汽车测试报告，2023（13）：143-145.

[10] 张雷. 纯电动客车驱动电机冷却系统匹配及控制策略研究[D]. 长春：吉林大学，2018.

[11] 侯继宁.电动汽车用高转矩密度轴向磁场永磁电机关键技术研究[D]. 南京：南京理工大学，2021.

[12] 杨丽娟. 转速开环恒压频比的交流调速系统的分析与仿真研究[J]. 电子测试，2018（1）：40-41.

[13] 许强强. 宽温区电动汽车热泵循环基础理论及运行策略研究[D]. 广州：华南理工大学，2022.

[14] 朱波，赵媛媛，姚明尧，等. 基于电机余热回收的电动汽车热管理性能分析[J]. 陕西科技大学学报，2021，39（6）：129-133，140.

（编辑" 凌" 波）

收稿日期：2024-04-29