袁曉偉， 賀亞鵬

(南京金龍客車制造有限公司， 南京 211200)

在電動(dòng)汽車電池能量密度提高緩慢[1]的背景下，想要提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，需要從整車節(jié)能優(yōu)化方面著手，在不影響整車性能的前提下，降低整車能耗。電動(dòng)汽車，特別是電動(dòng)客車，大部分車型所匹配的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)皆為傳統(tǒng)機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]加電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵。由于電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵為高壓電器件，在整車能耗的占比中僅次于動(dòng)力電機(jī)和電動(dòng)空調(diào)，如果能通過(guò)控制策略優(yōu)化[3]降低轉(zhuǎn)向泵的能耗，是大有益處的。本文就從轉(zhuǎn)向泵的控制策略優(yōu)化入手來(lái)實(shí)現(xiàn)降低車輛能耗的目標(biāo)。

1 電動(dòng)客車現(xiàn)有控制策略

現(xiàn)有一輛10.5 m純電動(dòng)城市客車(以下簡(jiǎn)稱客車)，通過(guò)電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵將車載動(dòng)力電池電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向液壓能，再經(jīng)過(guò)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向?？蛙嚽皹驖M載載荷約為6.5 t，根據(jù)汽車設(shè)計(jì)[4]相關(guān)公式，前橋原地阻力矩約為7 000 N·m，匹配國(guó)內(nèi)某120缸徑轉(zhuǎn)向器，輸出力矩為 7 000～8 000 N·m。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，該轉(zhuǎn)向器和客車匹配良好。該轉(zhuǎn)向器最高工作油壓約為15 MPa，工作流量約為18 L/min。經(jīng)了解，客車實(shí)車安裝的電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵排量為18 mL/r，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，最大輸出壓力為17 MPa，可以滿足轉(zhuǎn)向器的需求且略有富余。

原車轉(zhuǎn)向泵控制策略如下：插上車輛鑰匙開(kāi)關(guān)，將鑰匙擰到“start”(啟動(dòng))位置并自動(dòng)復(fù)位至ON擋，電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵開(kāi)始啟動(dòng)，并經(jīng)過(guò)短時(shí)調(diào)速將轉(zhuǎn)速調(diào)整至1 000 r/min，之后一直保持1 000 r/min額定轉(zhuǎn)速工作，直到將鑰匙從ON擋擰到ACC或者空擋電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵才停止工作。此種控制策略存在如下問(wèn)題：

1) 在車輛不需要轉(zhuǎn)向的情況下，造成不必要的耗電。在長(zhǎng)時(shí)間等待紅綠燈、駕駛員臨時(shí)下車、遇到交通堵塞[5]以及其他不需要轉(zhuǎn)向的情況下，轉(zhuǎn)向泵仍然保持運(yùn)行狀態(tài)。

2) 沒(méi)有根據(jù)車輛實(shí)際需求提供合適的流量和壓力。車輛在直線行駛、高速行駛時(shí)需要的轉(zhuǎn)向力小且轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向速度小，不需要轉(zhuǎn)向泵高速運(yùn)行。此時(shí)轉(zhuǎn)向泵如仍保持高速運(yùn)行，將導(dǎo)致不必要的能耗損失。

2 轉(zhuǎn)向泵的控制策略優(yōu)化及驗(yàn)證

2.1 優(yōu)化方案A

針對(duì)客車原車轉(zhuǎn)向泵控制策略的問(wèn)題1)，提出控制策略優(yōu)化方案A(簡(jiǎn)稱策略A)：采集整車的車速、手剎狀態(tài)、擋位狀態(tài)這三個(gè)參數(shù)所處的狀態(tài)，如果車速為零且手剎工作且擋位為N擋，則設(shè)置轉(zhuǎn)向泵為停機(jī)狀態(tài)。此策略下，當(dāng)車輛遇到長(zhǎng)時(shí)間等待紅綠燈、駕駛員臨時(shí)下車、交通堵塞等不需要轉(zhuǎn)向的工況時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵停機(jī)，以減少轉(zhuǎn)向泵的耗電量。將策略A寫(xiě)成“程序一”，通過(guò)整車控制器根據(jù)車輛狀態(tài)直接給轉(zhuǎn)向泵輔助控制器下達(dá)啟動(dòng)和停機(jī)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵的啟停。

2.2 優(yōu)化方案B

針對(duì)客車轉(zhuǎn)向泵控制策略的問(wèn)題2)，提出控制策略優(yōu)化方案B(以下簡(jiǎn)稱策略B)：在車輛直線行駛時(shí)，讓轉(zhuǎn)向泵以較低轉(zhuǎn)速工作，降低能耗的同時(shí)不增加轉(zhuǎn)向泵切換高轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間；在車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，根據(jù)車輛當(dāng)前車速調(diào)整轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速。車速越高，轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速越低。不僅可以降低轉(zhuǎn)向泵能耗，還與車速越高轉(zhuǎn)向手力越大的要求相符合。此方案較為復(fù)雜，需要進(jìn)行以下實(shí)施工作。

為了采集車輛是否處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，在客車轉(zhuǎn)向管柱中加裝轉(zhuǎn)角傳感器，它可以采集當(dāng)前方向盤(pán)相對(duì)于中間位置的轉(zhuǎn)角。結(jié)合方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車速制定如下控制策略：

1) 當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角θ在-15°～+15°(“+”為右轉(zhuǎn)，“-”為左轉(zhuǎn))范圍內(nèi)時(shí)，由于在方向盤(pán)轉(zhuǎn)角自由行程內(nèi)[6]，可以認(rèn)為車輛處于直線行駛狀態(tài)，可設(shè)置此時(shí)電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速為低速700 r/min，寫(xiě)成程序記為“程序二”。

2)當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角θ≤-15°或≥+15°時(shí)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)可能超出方向盤(pán)轉(zhuǎn)角自由行程，可以認(rèn)為車輛處于轉(zhuǎn)彎行駛狀態(tài)，根據(jù)轉(zhuǎn)彎時(shí)行駛車速來(lái)設(shè)置轉(zhuǎn)向泵的不同轉(zhuǎn)速。車速在0～5 km/h范圍內(nèi)，基本上為原地轉(zhuǎn)向，此時(shí)轉(zhuǎn)向力較大，故設(shè)定轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min；車速?gòu)? km/h增加到35 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速逐漸降低至700 r/min。由于電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵的高效區(qū)一般在650～1 100 r/min，為了讓轉(zhuǎn)向泵工作在高效區(qū)，故在車速繼續(xù)增加時(shí)，轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速仍然維持在700 r/min。綜合考慮，將轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系設(shè)定為圖1。將圖1中的控制邏輯寫(xiě)成程序，記為“程序三”。

圖1 轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速隨車速變化走勢(shì)

2.3 優(yōu)化方案效果測(cè)試

將以上“程序一”“程序二”“程序三”(3個(gè)程序合稱“轉(zhuǎn)角程序”)輸入到整車控制程序中，對(duì)整車進(jìn)行轉(zhuǎn)向測(cè)試。讓車輛以不同車速在試車跑道上進(jìn)行路試，讀取車速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向泵輔助控制器母線輸入電流(以下簡(jiǎn)稱電流)，截取其中相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 跑道測(cè)試部分記錄(變轉(zhuǎn)速)

跑道測(cè)試完畢后,駕駛員拉手剎并將擋位置為N擋，車鑰匙保持在ON擋，此時(shí)轉(zhuǎn)向泵停機(jī)了，說(shuō)明“程序一”正常起作用了。

另外，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)置數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

1) 車速在0～50 km/h范圍內(nèi)(對(duì)應(yīng)表中第一欄)，車輛直線行駛，駕駛員沒(méi)有感覺(jué)到不適，說(shuō)明“程序二”不會(huì)影響駕駛員操作方向盤(pán)。

2)車速5～30 km/h范圍內(nèi)，車輛轉(zhuǎn)彎行駛，駕駛員沒(méi)有感覺(jué)到不適，說(shuō)明“程序三”不會(huì)影響駕駛員操作方向盤(pán)。

3) 同一車速下，轉(zhuǎn)向泵實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)略低于轉(zhuǎn)向泵的設(shè)定轉(zhuǎn)速。

為了研究不打轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速由1 000 r/min降低至700 r/min對(duì)轉(zhuǎn)向泵能耗的影響，針對(duì)該車又做了原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)：清除上述“轉(zhuǎn)角程序”，將轉(zhuǎn)向泵工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為恒定值1 000 r/min(記為“程序U”)，以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，記錄數(shù)據(jù)后清除“程序U”，將轉(zhuǎn)向泵工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為恒定值700 r/min(記為“程序V”)，以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，并記錄轉(zhuǎn)向泵實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向泵電流和方向盤(pán)手感。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原地轉(zhuǎn)向程序U/程序V的測(cè)試記錄

通過(guò)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)：

1) 不打轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速由1 000 r/min降為700 r/min，電流明顯降低，降幅約為36.4%。說(shuō)明“程序二”可以明顯降低轉(zhuǎn)向泵怠速能耗。

2) 轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)向速度提高，轉(zhuǎn)向泵電流會(huì)略微增加且轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速會(huì)略微降低。說(shuō)明快速打轉(zhuǎn)向會(huì)略微增加轉(zhuǎn)向泵能耗。

3) 轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為700 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)向沉重，說(shuō)明700 r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)向泵的最大電流無(wú)法滿足原地轉(zhuǎn)向性能要求。同時(shí)此設(shè)定轉(zhuǎn)速下方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，轉(zhuǎn)向泵電流越小，轉(zhuǎn)向越沉。說(shuō)明轉(zhuǎn)向手力抵消了一部分轉(zhuǎn)向力，減輕了轉(zhuǎn)向泵的負(fù)荷。

4) 轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000 r/min和700 r/min，原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向泵的電流接近且均明顯大于車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向泵的電流。

為了研究在不同車速下轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向泵設(shè)定轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)向泵工作性能的影響，針對(duì)該車增加如下試驗(yàn)：清除“程序V”，輸入“程序U”，分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h車速通過(guò)表1中相應(yīng)車速通過(guò)的彎道，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 跑道測(cè)試記錄

對(duì)比表3和表1中相同車速數(shù)據(jù)，可以看出：

1) 轉(zhuǎn)向泵在變頻控制和恒轉(zhuǎn)速控制下，其電流差異很小。

2) 車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速并不影響轉(zhuǎn)向泵工作性能，也不影響駕駛員操作方向盤(pán)。

綜上可知：將上述“轉(zhuǎn)角程序”應(yīng)用于整車上，不影響車輛正常行駛和駕駛員駕駛體驗(yàn)，可以減除車輛在臨時(shí)停車等工況下轉(zhuǎn)向泵能耗，可以降低車輛直線行駛不打轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)向泵的怠速能耗。至于對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向泵能耗的影響還有待進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.4 優(yōu)化方案的進(jìn)一步優(yōu)化

根據(jù)表1、表2、表3的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車輛在原地轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向泵電流明顯大于車輛行駛轉(zhuǎn)向時(shí)的電流，而原地轉(zhuǎn)向阻力[7]也是明顯大于車輛行駛轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力。同時(shí)，在車輛行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向泵電流和轉(zhuǎn)向阻力呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。由此可以設(shè)想，是否可以把轉(zhuǎn)向泵電流與轉(zhuǎn)向阻力相關(guān)聯(lián)，設(shè)定轉(zhuǎn)向阻力大則轉(zhuǎn)向泵電流大，從而以更大的轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速滿足整車轉(zhuǎn)向需求。這樣不僅程序簡(jiǎn)單明了，而且省去了角度傳感器零部件，降低了整車成本。

對(duì)此，針對(duì)客車另寫(xiě)一款通過(guò)轉(zhuǎn)向泵輔助控制器母線輸入電流來(lái)控制轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速的程序替代“程序二”和“程序三”，以下簡(jiǎn)稱該程序?yàn)椤俺绦蛩摹??！俺绦蛩摹本唧w方案見(jiàn)表4。

表4 轉(zhuǎn)向泵的電流控制策略

清除原整車控制器中的上述“轉(zhuǎn)角程序”，將“程序一”和“程序四”(兩個(gè)程序合稱“電流程序”)刷入整車控制程序，并進(jìn)行跑道測(cè)試，轉(zhuǎn)向性能正常，駕駛員沒(méi)有感覺(jué)到不適。因此用“電流程序”替代“轉(zhuǎn)角程序”在操作上是可行的。

2.5 節(jié)能測(cè)試

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)向泵優(yōu)化策略節(jié)能效果，針對(duì)客車做了路試試驗(yàn)，用功率分析儀[8]測(cè)試了無(wú)優(yōu)化、“轉(zhuǎn)角程序”優(yōu)化和“電流程序”優(yōu)化3種轉(zhuǎn)向泵控制策略下的轉(zhuǎn)向泵能耗情況，每種控制策略測(cè)試2次，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 轉(zhuǎn)向泵節(jié)能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，“轉(zhuǎn)角程序”可以節(jié)省轉(zhuǎn)向泵電耗約19%?！半娏鞒绦颉笨梢怨?jié)省轉(zhuǎn)向泵電耗約40%。由于“電流程序”比“轉(zhuǎn)角程序”節(jié)能效果好，還節(jié)省了轉(zhuǎn)角傳感器且程序簡(jiǎn)單，因此“電流程序”方案更優(yōu)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以10.5 m純電動(dòng)城市城市客車為研究對(duì)象，分析出該車現(xiàn)有轉(zhuǎn)向泵控制策略存在的問(wèn)題，提出了有效的解決方案，并將該策略寫(xiě)成相應(yīng)的控制程序。最后分別進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。