纯电动公交车控制策略及模型仿真研究

摘要：纯电动化是汽车工业发展的重要趋势，电能的应用在公共交通中越来越普遍，最典型的代表是纯电动公交车，纯电动公交车以其优越的性能、良好的控制策略及相对舒适的驾乘环境为城市管理者所青睐。本文主要从纯电动公交车的整体控制策略、局部系统控制策略及相应模型的仿真模拟进行探讨及研究，以期能对纯电动公交车的控制策略优化提出建议。

关键词：纯电动化；公交车；控制策略；模型仿真

中图分类号： U462.2 文献标识码：A

0 引言

纯电动公交车的普遍应用推动了我国电动公交车全产业链的逐步完善，目前已经形成了从整车设计，到整车控制、子系统控制、动力蓄电池和辅助系统等关键部位的研发生产，再到基础配套设施的完整链条。在这个背景下，通过控制策略契合纯电动公交车运行要素，将各运行控制要素有效管理，对提升纯电动公交车的整体价值非常重要。纯电动公交车面向公共交通，有其特殊性。公交车日常运行控制要素可以概括为安全、功能和性能三个方面。

（1）安全要素。主观方面主要依托于驾驶员的意识及经验，可以识别异常并处置异常；客观方面包括了车辆制动、能源稳定、转向控制、安全辅助、报警及预警等。

（2）功能要素。指电动公交车可以正常运行的基础条件，如能源支持、电机驱动等。

（3）性能要素。即电动公交车提供舒适环境的配套系统，如温度控制、广播控制等。

在纯电动公交车的迭代升级中，车辆控制策略是重中之重，每一项车辆控制策略的细微优化，都有着深远且重要的影响。纯电动公交车的控制策略都基于上述允许要素的控制需求制定，逐步精细优化。

1 整车控制策略研究

纯电动公交车既是一个整体，有整体控制策略，又由各个不同的子系统参与。各子系统的控制策略既满足本系统单方面的控制要求，又服务于整体控制策略的需求。整体控制和局部子系统控制有机结合，互相推动，才能形成日益优越的纯电动公交车运行控制体系。纯电动公交车的整体控制策略如图1 所示。

1.1 整体控制策略核心

纯电动公交车的运行必须需要有一个整体统一、协调一致的控制策略，可以充分协调控制电动公交各个子系统，通过数据监测分析获取车辆状态，有效实现车辆能源分配，使得优势统一聚合获得车辆最佳运行状态[1]。纯电动公交车整车控制框架如图2 所示。

纯电动公交车的整体控制策略可以归纳为：实时采集车辆状态，考虑运行控制要素，动态调整控制策略，使整车运转效率达到最高，获得车辆经济型及驾驶性能的平衡。整体控制策略的核心是可以实时根据驾驶员的动作分析获取驾驶意图，综合当前车辆整体状态，快速计算得到对驱动力的期望，发出执行指令，获得驱动能源回馈，使车辆行驶状态快速准确满足驾驶员的驾驶目的[2]。在驾驶过程中，驾驶员也可以根据路况、车况等监测信息，切换控制模式，满足拥堵、爬行和驻坡等形式下的运行。

1.2 系统控制策略研究

1.2.1 电机驱动系统控制

纯电动公交车的电机驱动控制策略主要涉及转矩控制和速度控制。对于转矩控制，通常采用直接转矩控制（DTC）方法。这种方法通过直接控制电机转矩来优化控制性能，具有快速响应和良好鲁棒性等特点。DTC 方法通过采集电机电压和电流等参数，计算出电机的实际转矩，并与目标转矩进行比较，调整电机的输入电压和频率，使实际转矩接近目标转矩。

另外，电机驱动控制也需要考虑速度控制。速度控制通常采用比例积分（PI）控制器来实现。PI 控制器通过采集电机转速等参数，计算出电机的实际转速，并与目标转速进行比较，调整电机的输入电压和频率，使实际转速接近目标转速。

1.2.2 能源管理系统控制

纯电动公交能源管理系统通常依靠电池系统作为动力源，主要是控制电池能量的释放和存储过程，根据车辆行驶状态和驾驶员操作，实时调整电机的工作状态，对电池能量进行优先级分配和最小化控制。

能量存储主要是对电池组的管理。需要控制电池的充放电状态，避免过充和过放，保证电池组的健康和安全。同时，需要优化充电策略，让电池的使用效率最大化；能量回收系统通过制动能量回收技术，将制动过程中的能量转化为电能并存储在电池中，以提高能源利用效率。

在实际应用中，能源管理控制策略还需要根据具体路况和运营需求进行调整和优化。例如，在公交路线中，可以根据路线的特点和乘客的需求，优化车辆的停靠站点和发车时间，以提高车辆能源的利用率和乘客的出行效率。

1.2.3 车辆制动系统控制

纯电动公交车制动系统控制策略的核心目标是提高车辆的节能潜力，并确保制动安全性。一种常见的控制策略是协调型控制策略或串联型控制策略。在协调型控制策略中，优先激活动力制动力（驱动电机的阻力）来实现公交车的减速制动。控制单元ECU 会根据实时监测到的驱动电机的输出特性（如转速、转矩、功率和效率），动力电池的剩余电量以及制动强度需求等信息，进行综合决策，实时调整再生制动能量回收与气压制动的协调分配比例。这样可以在确保提供足够的整车总制动力以完成制动操作的同时，实现再生制动能量回收率的最大化。

1.2.4 车辆温度系统控制

纯电动公交车温度系统控制是为了保持纯电动公交车车内环境的舒适性并提高能量使用效率。温度控制策略主要涉及对电池温度的监控和调节，以确保电池的安全和有效运行[3]。

在车辆在行驶过程中，加強对仪表的关注，注意动力电池高温报警，避免急加速和急制动，减少大电流放电和回馈引起的电池高温。在温度控制策略中，还可以采取一些主动的调节措施来控制电池的温度，如液体冷却、热管技术、相变材料，这些措施可以根据实际情况进行选择和搭配，以达到最佳的温度控制效果。同时，温度控制策略还需要考虑电池的充电和放电效率、电池的寿命和安全性等因素。

除了电池温度的控制外，温度系统控制还同时管控影响车辆整体温度的各部件及系统，如电机、空调等，使得各系统及部件一直处于最优的工况之下，保证车辆用能和放能达到最佳平衡状态[4]。

1.2.5 方向转动系统控制

纯电动公交车的转向系统控制策略主要涉及对转向电机和转向盘的监控和调节，以确保车辆的稳定性和安全性。

在实际应用中，转向系统控制策略还需要根据具体路况和运营需求进行调整和优化。例如，在高速行驶过程中，需要保证转向系统的稳定性和准确性，以避免车辆失控；在低速行驶过程中，需要提高转向系统的灵敏度和精度，以方便驾驶员进行精确操控。此外，转向系统控制策略还需要考虑转向系统的能耗和可靠性等问题。例如，在保证转向系统正常工作的前提下，需要尽可能地降低能耗，以延长车辆的续航里程；同时，需要保证转向系统的可靠性，避免因转向系统故障而导致车辆失控或发生事故。

1.2.6 辅助系统控制

纯电动公交车的辅助系统主要包括照明系统、音响系统、空调系统等，辅助系统控制策略主要涉及对车辆的辅助设备进行监控和调节，以提高车辆的舒适性和安全性。在城市公交路线中，可以优化车辆的空调、灯光和车门等辅助设备的开关状态和工作模式，以提高乘客的舒适性和便利性；增加对车辆下坡制动的控制，以减少制动片磨损和降低能耗；在雨天行驶时，需要增加对车窗除雾和后视镜加热的控制，以提高车辆的安全性。

1.3 策略执行健康管理

纯电动公交车控制策略执行过程中的健康管理注重实时监测、阈值控制、故障诊断与定位、远程控制、声音和视觉报警以及记录与回放等方面，以确保车辆运行的安全健康。

（1）实时监测。系统应实时采集监测车辆的电气系统、电池状态、环境条件等关键参数，以确保车辆的安全运行。当仿真控制出现异常情况时，系统应立即触发报警机制，并通过声光电等方式提醒驾驶员和乘客。

（2）阈值控制。系统应设定各种参数的阈值，当参数超过或低于阈值时，系统应立即报警。例如，当电池温度过高或过低时，系统应立即报警并采取相应措施。

（3）故障诊断与定位。系统应对车辆的故障进行诊断和定位，帮助驾驶员和维修人员快速找到故障原因并采取相应措施。

（4）远程控制。通过与远程控制中心的连接，系统可以接收远程控制指令，例如启动或关闭车辆、调整车辆状态等。同时，系统也可以将车辆状态和报警信息发送到远程控制中心，以便远程监控和诊断。

（5）声音和视觉报警。当出现异常情况时，系统应通过声音和视觉方式向驾驶员和乘客发出报警信息，以便及时采取相应措施。

（6）记录与回放。系统应对车辆的运行状态和报警信息进行记录，以便驾驶员和维修人员查看和分析。记录的信息应包括时间戳、参数值及报警类型等。

2 策略模型仿真模拟

在传统的车辆研发过程中，需要进行大量的实地测试和实验，这需要耗费大量的人力、物力和财力。通过控制策略的模型建立与仿真，可以在一定程度上减少实地测试的次数，从而降低研发成本。纯电动公交车控制策略模型仿真是一个复杂的过程，涉及到多个方面的研究和模拟，通过策略模型的搭建与模拟仿真，在计算机上进行仿真测试，可以大大缩短纯电动车的研发周期，可以帮助提高纯电动车的控制效率，从而优化其性能。控制策略仿真模拟流程如图3 所示。

首先需要确定研究的目标，例如对纯电动车的驱动控制策略、加速转矩控制策略及制动能量回馈控制策略等进行研究。建立纯电动公交车的动力学模型，包括车辆的纵向、横向和横摆动力学模型。这些模型可以基于运动学、动力学以及经验公式进行建立。设定仿真环境中的参数，如道路条件、交通状况和车辆参数等。对于纯电动公交车，还需要考虑电池的电量、电机的扭矩和功率等特殊参数。

其次，编写适用于纯电动公交车的控制算法，如PID 控制、模糊控制和最优控制等，这些算法可以用来控制车辆的速度、加速度及横摆角等。然后将编写好的控制算法在仿真环境中进行测试，观察车辆的动力学响应。如果响应不满足要求，需要对控制算法进行调整和优化。再通过仿真测试的结果，对纯电动公交车的性能进行优化。这可能涉及到对车辆参数的调整、对控制算法的改进等。

最后，需要对控制仿真方案的实施进行验证，确保在实际应用中，该方案能够有效地提高纯电动公交车的性能，并保证安全性。

3 结束语

控制策略是纯电动公交车运行的关键技术之一，对于提高车辆性能、降低能耗、保证安全等方面具有重要意义。本文对纯电动公交车的控制策略进行了初步研究，并提出了模型仿真模拟分析的思路及方法，取得了一定的成果，但仍然存在一些不足之处，例如在实际应用中需要考虑更多因素，如路况、乘客需求等。

总之，纯电动公交车作为一种新型的逐步普及的交通工具，具有广阔的应用前景，通过深入研究其控制策略及模型仿真，可以为未来城市交通的发展提供有力支持。

【参考文献】

[1] 姜海斌. 纯电动车整车控制策略及控制器的研究[D]. 上海： 上海交通大学，2010.

[2] 雷银， 袁飞. 增程式燃料电池轿车动力总成控制策略的研究——基于分布式动力驱动平台[J]. 中小企业管理与科技（ 中旬刊），2015（07）：232.

[3] 金瑩莹， 韩橙， 宋宏利. 动密封环密封和强度性能的研究与分析[J]. 内燃机与配件，2023（16）：20-22.

[4] 李栋军. 纯电动汽车电驱电控热管理系统及余热回收系统研究[D]. 重庆：重庆大学，2021.

作者简介：

秦贞坤，本科，工程师，研究方向为汽车运用。