基于主軸轉(zhuǎn)速的并聯(lián)混合動(dòng)力環(huán)衛(wèi)車驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)探究

胡波

摘? 要：環(huán)衛(wèi)車是營造良好城市環(huán)境的重要組成部分。該文闡述了并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，探討了主軸轉(zhuǎn)速并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)支持下環(huán)衛(wèi)車的驅(qū)動(dòng)方案，旨在為相關(guān)工作人員提供理論性的參考意見，確保方案的可行性和實(shí)用性，為環(huán)衛(wèi)車的創(chuàng)新和發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)混合動(dòng)力? 環(huán)衛(wèi)車? 驅(qū)動(dòng)方案

中圖分類號(hào)：U46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（c）-0031-02

隨著資源的消耗和利用，環(huán)境日益惡化，因此開發(fā)綠色能源，降低汽車能耗是新時(shí)期發(fā)展的必然要求。混合動(dòng)力環(huán)衛(wèi)車相較傳統(tǒng)車輛能耗低、性能好，噪聲值能控制在允許范圍內(nèi)，而且對環(huán)境造成的污染較少，性能優(yōu)良。良好的驅(qū)動(dòng)方案是促進(jìn)環(huán)衛(wèi)車創(chuàng)新的前提，所以應(yīng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，確保環(huán)衛(wèi)車的實(shí)用性。

1? 并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)概述

并聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下的環(huán)衛(wèi)車輸出動(dòng)力的裝置分為電機(jī)組和發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱負(fù)責(zé)將動(dòng)力分配傳遞到液壓設(shè)備和車輪上，推動(dòng)各單元模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)作。這種混合動(dòng)力系統(tǒng)可存在于3種模式中，即為純電動(dòng)模式、純發(fā)動(dòng)機(jī)模式以及二者混合動(dòng)力模式。一般來講，混合動(dòng)力模式被應(yīng)用的頻率較多，所以發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)組選擇小功率即可適用。在運(yùn)行過程中，兩種動(dòng)力源分工明確，發(fā)動(dòng)機(jī)用于在平坦路面上正常行駛，電機(jī)組可以增強(qiáng)爬坡或加速狀態(tài)下的動(dòng)力，而且為確保車輛的持續(xù)運(yùn)行，還預(yù)留了純發(fā)動(dòng)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)電氣設(shè)備出現(xiàn)故障或者動(dòng)力源難以維持汽車正常活動(dòng)時(shí)，冗余模式啟動(dòng)能確保車輛運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性[1]。

2? 基于主軸轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)方案

驅(qū)動(dòng)方案要將節(jié)省能源作為設(shè)計(jì)的主要參考標(biāo)準(zhǔn)，保證驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性。該文結(jié)合傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)和混合驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢提出了一種簡單的主軸轉(zhuǎn)速并聯(lián)方法，利用轉(zhuǎn)矩復(fù)合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)動(dòng)力源，要求電機(jī)組的轉(zhuǎn)子要與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速達(dá)到協(xié)調(diào)一致，二者共同組建成扭矩驅(qū)動(dòng)型汽車，動(dòng)力源中心的轉(zhuǎn)子軸和曲軸作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主軸。將電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)離合器設(shè)置為C1，發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)離合器設(shè)置為C2，則實(shí)際的驅(qū)動(dòng)方法如下。

首先，啟動(dòng)環(huán)衛(wèi)車時(shí)要將C1閉合，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于電機(jī)轉(zhuǎn)速，則發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，利用電機(jī)的低轉(zhuǎn)速帶動(dòng)汽車運(yùn)行，若發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速小于或等于電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)將C2閉合，在0.2s的時(shí)間內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。

其次，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，要將其控制在最佳轉(zhuǎn)速區(qū)，而且相對穩(wěn)定，保證能源消耗成本的最低化。在爬坡或者加速階段，需要利用踏板控制電機(jī)提升功率水平，生成加速度帶動(dòng)汽車運(yùn)行。變速箱能切換檔位，所以可在提升車速的前提下保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳轉(zhuǎn)速環(huán)境內(nèi)工作。

再次，主軸的轉(zhuǎn)速過大，已經(jīng)超過最佳工作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需要盡量控制電機(jī)運(yùn)行，暫停輸出扭矩，將動(dòng)力源完全轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)衛(wèi)車運(yùn)行，電機(jī)負(fù)責(zé)電池組充電，如果電池的電量難以滿足使用需求，電機(jī)則要保持在發(fā)電狀態(tài)。

然后，當(dāng)汽車需要減速行駛時(shí)，不考慮主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量，電機(jī)在車輪的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存，當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速開始慢慢減小，低于最優(yōu)轉(zhuǎn)速區(qū)的最低點(diǎn)時(shí)，C2斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。

最后，當(dāng)環(huán)衛(wèi)車在小區(qū)內(nèi)部工作時(shí)，為降低噪音避免影響居民正常休息，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)切換成純電機(jī)，停駐后變速箱需要掛空擋，進(jìn)行垃圾壓縮，然后打開取力器，由電機(jī)負(fù)責(zé)液壓設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和供能。

3? 動(dòng)力單元特性及參數(shù)選擇

動(dòng)力單元由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)組兩部分組成，二者特性的研究及參數(shù)的確定是確保設(shè)計(jì)方案可行性的前提。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和應(yīng)用功率

該文主要研究對象為WP10型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過調(diào)查和統(tǒng)計(jì)可知：發(fā)動(dòng)機(jī)在800r/min時(shí)出現(xiàn)怠速情況，此時(shí)的耗油量在3.78L左右。一般應(yīng)用于公交車中，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速情況占用的時(shí)間占總循環(huán)時(shí)間的30%～40%左右。對于環(huán)衛(wèi)車而言，其工作內(nèi)容是處理生活環(huán)境中的垃圾，由于垃圾分區(qū)域集中，所以環(huán)衛(wèi)車運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)為?？繒r(shí)間長且頻率高，公交車也具有相似的特點(diǎn)，如果環(huán)衛(wèi)車每天的總工作時(shí)長為4h，怠速期間內(nèi)的油耗量在4.5～6L之間，當(dāng)需要提速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1250～1600r/min時(shí)，此時(shí)的耗油量最低而且轉(zhuǎn)矩最佳，要控制在范圍內(nèi)才能達(dá)到效果，若超過1600r/min對曲軸和活塞缸的內(nèi)壁都有損害，會(huì)嚴(yán)重縮短設(shè)備的使用壽命，增加成本[2]。需要注意的是變速箱工作模式固定，如果發(fā)動(dòng)機(jī)保持在1250～1600r/min轉(zhuǎn)速間則需要頻繁換擋，導(dǎo)致系統(tǒng)不夠平穩(wěn)安全，因此轉(zhuǎn)速的范圍進(jìn)可酌情擴(kuò)大到1100～1750r/min之間，為模式切換提供良好的過渡環(huán)境。

混合動(dòng)力做驅(qū)動(dòng)的環(huán)衛(wèi)車最大的優(yōu)勢在于需要的燃油量較少，利用率較高，能滿足現(xiàn)代社會(huì)人與自然和諧發(fā)展的理念需求，還能達(dá)到環(huán)保車原有的環(huán)境保護(hù)目的。在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率時(shí)滿足行駛作業(yè)的最低要求即可，也就是說在平坦的路面上能滿足車速要求，在爬坡或加速過程使用電機(jī)作為補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)能源皆可。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可以表現(xiàn)為公式：

P1=

公式中的各項(xiàng)參數(shù)為：整車整備質(zhì)量為17300kg;CD為風(fēng)阻系數(shù)，取值0.7;f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取值0.01～0.02;ηT為傳動(dòng)效率，為0.85;A為迎風(fēng)面積，為9.28m2;最高車速為umax，為90km/h。

3.2 電機(jī)特點(diǎn)和應(yīng)用功率

現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展改進(jìn)了調(diào)速方法，優(yōu)化了電機(jī)性能，成為了電動(dòng)類汽車的首選動(dòng)力系統(tǒng)，其優(yōu)勢主要為體積小、調(diào)速快且成本低。通過調(diào)查和資料查閱發(fā)現(xiàn)電機(jī)的特點(diǎn)為：轉(zhuǎn)速為零時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，克服負(fù)載力，推動(dòng)電機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸增強(qiáng)時(shí)，扭矩隨之增加然后在轉(zhuǎn)速的臨界點(diǎn)處達(dá)到最大值，而后轉(zhuǎn)速增強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩則持續(xù)下降，最后穩(wěn)定在一個(gè)固定值點(diǎn)，此點(diǎn)轉(zhuǎn)矩即為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電源頻率減小時(shí)，轉(zhuǎn)速大于初始轉(zhuǎn)速，能量便出現(xiàn)了回饋，所以環(huán)衛(wèi)車常先起步，然后加速，再減速，進(jìn)入到滑行階段，然后停車，這種行駛模式能在反饋中獲取更多能量，確保節(jié)能降耗，動(dòng)力充足。

轉(zhuǎn)矩公式為T=，公式中的各項(xiàng)參數(shù)為：K是一個(gè)常數(shù)，與電源頻率相關(guān)，屬于電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù);U為電源的電壓，也是定子繞組的相電壓;R為轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻值;X為電機(jī)保持不動(dòng)狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子每相繞組的感抗。轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)所之間并無直接聯(lián)系，但是轉(zhuǎn)差率公式是S=，其中n0指電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的同步轉(zhuǎn)速，所以可以通過調(diào)節(jié)n0來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和應(yīng)用。若使用的電機(jī)為變頻調(diào)速異步型，則表示可以通過控制n與n0之間的關(guān)系達(dá)到轉(zhuǎn)換發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)組的目的。當(dāng)n大于n0時(shí)，使用發(fā)電機(jī);當(dāng)n小于n0時(shí)，使用電機(jī)，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速[3]。在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，S=1，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩為Ts=，所以電源電壓與轉(zhuǎn)矩之間成正比關(guān)系，當(dāng)增加電阻時(shí)，轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之增大。當(dāng)n=0時(shí)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小值，因此電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要不小于起步阻力的扭矩值。為確保實(shí)用性，要盡量選擇變頻調(diào)速型電機(jī)，其參數(shù)能滿足工作最佳需求，與發(fā)電機(jī)更好的配合作業(yè)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。

4? 結(jié)語

總而言之，環(huán)衛(wèi)車節(jié)能降耗，使用成本有所降低，而且驅(qū)動(dòng)方案可行性較強(qiáng)，能適用于車輛驅(qū)動(dòng)，確保其安全性和穩(wěn)定性。為滿足人與自然和諧相處的發(fā)展理念，在未來的汽車驅(qū)動(dòng)研究中還將使用更多創(chuàng)新性技術(shù)，在增強(qiáng)動(dòng)力、提高性能的基礎(chǔ)上節(jié)能減排，保證行駛效率，為城市建設(shè)提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 張磊.基于AMESim-simulink的混合動(dòng)力載重汽車控制策略仿真研究[D].陜西理工學(xué)院，2016.

[2] 許靖.混合動(dòng)力扒渣車參數(shù)匹配與控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[3] 陳霞瓊.某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真優(yōu)化[D].湖南大學(xué)，2018.