帶有CNG 增程器的電動(dòng)垃圾清運(yùn)車的開發(fā)

周慧琴 常麗達(dá)

概要：德國曼商用車公司和IAV 公司合作開發(fā)了一款電動(dòng)垃圾清運(yùn)車。該車擁有純電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和增程器模塊。增程器模塊基于使用壓縮天然氣(CNG)的內(nèi)燃機(jī)和通常用于驅(qū)動(dòng)乘用車的發(fā)電機(jī)。通過使用增程器模塊，將大大增加電動(dòng)卡車的續(xù)駛里程。

德國曼商用車公司和IAV公司在名為“Assured”項(xiàng)目的框架下合作開發(fā)了一款帶有CNG(壓縮天然氣)增程器的純電動(dòng)垃圾清運(yùn)車。其中，曼公司負(fù)責(zé)整車開發(fā)，IAV公司負(fù)責(zé)增程器模塊的開發(fā)。Assured 項(xiàng)目受到“歐盟地平線2020 計(jì)劃”的資金支持。

增程器模塊基于以壓縮天然氣(CNG)為燃料的內(nèi)燃機(jī)而開發(fā)，并配置一臺(tái)通常用于為電動(dòng)轎車提供驅(qū)動(dòng)力的發(fā)電機(jī)。通過使用增程器模塊，電動(dòng)垃圾清運(yùn)車的續(xù)航里程大大增加，而且在城市中心運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何排放。圖1為該電動(dòng)垃圾清運(yùn)車的測(cè)試樣車。

圖1 CNG 增程式電動(dòng)垃圾清運(yùn)車

1 整車布置方案

電動(dòng)垃圾清運(yùn)車的原型車是MAN TGM 6×2/4 底盤，車輛總質(zhì)量26 t，軸距4 125 mm，有效載荷約10 t，由峰值輸出250 kW 的電驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。車輛搭載的700 V 蓄電池可存儲(chǔ)約150 kWh 的能量。蓄電池可以通過CCS 2 型(充電功率最高150 kW DC)充電接口或通過增程器模塊進(jìn)行充電。

圖2 為該樣車的底盤布置示意圖。8 個(gè)高壓(HV)蓄電池中的6 個(gè)懸掛在專門為蓄電池安裝而開發(fā)的梯形框架內(nèi)，其他2個(gè)蓄電池安裝在梯形框架以外(和帶副氣箱的增程器模塊一起)。考慮到電磁兼容性，高壓(LV)和低壓(LV)電纜在車輛的右側(cè)和左側(cè)盡可能分開，并集中在單獨(dú)的分配器中。MicroAutoBox 集成在低壓分配器中。研發(fā)團(tuán)隊(duì)為此專門開發(fā)了用于行車控制以及能源和熱管理的軟件。通過使用熱泵減少了駕駛室供暖所需的能量，從而增加了續(xù)駛里程。

圖2 樣車底盤部件和子系統(tǒng)布置圖

2 能量和熱管理系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。3 個(gè)耦合的冷卻回路可以通過適當(dāng)?shù)拈y位相互交換冷卻劑，從而交換熱流，即：帶有高壓(LV)蓄電池的低溫(LT)冷卻回路，帶電驅(qū)動(dòng)器的高溫(HT)冷卻回路-輪軸和輔助單元(DC/ DC 轉(zhuǎn)換器和空氣壓縮機(jī))以及駕駛室供暖回路。高溫(HT)回路通過主冷卻器將熱量散發(fā)到周圍區(qū)域，或者在需要時(shí)散發(fā)到駕駛室供暖回路。在低溫(LT)回路中，高壓(HV)蓄電池通過冷卻器套件中的熱交換器或可切換的熱泵進(jìn)行冷卻。駕駛室供暖回路由高溫(HT)回路和增程器模塊以及熱泵的余熱提供熱量。

圖3 冷卻系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)示意圖

冷卻回路主要由700 V 壓縮機(jī)、2個(gè)空氣冷卻器和2 個(gè)冷卻液冷卻-熱交換器以及用于調(diào)節(jié)和切換熱泵的電子冷卻閥組成。這個(gè)空氣-水熱泵使動(dòng)力電池及其內(nèi)部得以冷卻，并由環(huán)境熱和高壓(HV)電池的余熱向駕駛室供暖。此外，可以在行車開始前以節(jié)能的方式對(duì)蓄電池進(jìn)行預(yù)處理，而無需將車輛連接到充電樁上充電。

在由轎車部件組成的可切換式熱泵系統(tǒng)中，使用R744(CO2)作為冷卻劑，在加熱效率和環(huán)境兼容性方面，它比目前常見的制冷劑R134a 和R1234yf 具有優(yōu)勢(shì)。與純電加熱操作相比，借助該系統(tǒng)，車輛行駛距離最多可以增加8%。通過使用來自電動(dòng)牽引部件的廢熱，還能夠進(jìn)一步提高能源效率。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)和增程器電機(jī)

增程器模塊(基于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī))是為本研究項(xiàng)目專門開發(fā)的，將用于提升續(xù)駛里程和能量管理。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置選用1.4 L 的CNG 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)通常在大眾高爾夫轎車中使用。該發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速達(dá)到4 800 r/min 時(shí)可提供81 kW 的最大輸出功率，在轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min 時(shí)可提供200 Nm 的最大轉(zhuǎn)矩。使用這種緊湊型發(fā)動(dòng)機(jī)，可以在低于3 000 r/min 轉(zhuǎn)速下以低噪聲運(yùn)轉(zhuǎn)獲得所需的充電功率。除廢氣系統(tǒng)外，這款發(fā)動(dòng)機(jī)不需要進(jìn)行其他大的改動(dòng)。

所選的HEM80 型80 kW 電機(jī)是大眾汽車的橫置式模塊化系統(tǒng)DQ400e 變速器的一部分，因此可以直接與發(fā)動(dòng)機(jī)連接；不需要的變速器位置由鋁板填補(bǔ)。與原本采用的400 V蓄電池不同，項(xiàng)目車輛采用700 V蓄電池，為之充電的永久勵(lì)磁三相同步電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行一些修改。

由于電壓較高，大眾車型中使用的逆變器被Aradex 組件所取代。該組件的設(shè)計(jì)電壓高達(dá)800 V。由于沒有集成的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，因此增程器模塊的12 V 組件通過單獨(dú)的電壓轉(zhuǎn)換器供電，該電壓轉(zhuǎn)換器由車輛的24 V 電氣系統(tǒng)供電。

4 增程器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作條件

增程器模塊具有3 個(gè)分冷卻回路。用于冷卻電氣部件的回路，通過液壓方式斷開，如圖4。圖4 中，這3 個(gè)冷卻器采用串聯(lián)方式連接。電風(fēng)扇帶有抽氣裝置，即使在進(jìn)氣口溫度為40 ℃(環(huán)境溫度為35 ℃，由于再循環(huán)需要再增加5℃)時(shí)，也必須提供全部所需的冷卻空氣，而無需借助風(fēng)力的支持。組合式水泵恒溫器模塊安裝在內(nèi)燃機(jī)上，該模塊將廢熱引導(dǎo)至高溫冷卻器。

圖4 增程器模塊的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器的增壓空氣通過單獨(dú)的低溫(LT)子回路進(jìn)行冷卻。

由于電機(jī)和電力電子設(shè)備要求最低的冷卻液溫度，因此需要提供另一個(gè)低溫(LT)回路。由于最小流量是電力電子設(shè)備中最重要的因素，因此該冷卻回路與發(fā)電機(jī)和低溫(LT)冷卻器2 串聯(lián)連接。另外，來自增程器模塊的廢熱通過接口向車輛供熱，以便在冬天向駕駛室供暖。

5 增程器控制系統(tǒng)的架構(gòu)和策略

增程器控制器是增程器模塊的控制中心，它與車輛通信并接收產(chǎn)生電能的請(qǐng)求。它還將命令提供給發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)和逆變器，并確定這些組件的執(zhí)行參數(shù)。此外，它通過監(jiān)視組件溫度并通過激活冷卻泵和風(fēng)扇來調(diào)節(jié)組件溫度，并管理冷卻系統(tǒng)。另外，增程器控制器監(jiān)控系統(tǒng)完整性，并在必要時(shí)節(jié)流或關(guān)閉增程器。在設(shè)計(jì)軟件和診斷功能時(shí)，研發(fā)人員分析并考慮了風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)安全的影響。圖5 為增程器模塊的控制系統(tǒng)架構(gòu)。

圖5 增程器模塊的控制系統(tǒng)架構(gòu)

增程器模塊的控制軟件在Dragoon控制單元上運(yùn)行。該設(shè)備由IAV 開發(fā)，作為通用控制單元(UCU)，可用于多種用途。該軟件由硬件接口程序、系統(tǒng)協(xié)調(diào)器、診斷功能和實(shí)際組件控制組成。系統(tǒng)協(xié)調(diào)器定義診斷功能和組件控件的系統(tǒng)行為。它還提供其設(shè)定值，從中可以計(jì)算出內(nèi)燃機(jī)、整流器和冷卻系統(tǒng)的指令信號(hào)。此外，系統(tǒng)的完整性通過診斷功能進(jìn)行監(jiān)控，例如在CAN 總線超時(shí)或出現(xiàn)不允許的溫度偏差的情況下。

電力的調(diào)節(jié)需要一種策略來控制發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)的速度和轉(zhuǎn)矩。由于整流器已經(jīng)具有可以校準(zhǔn)的內(nèi)部速度控制模式，因此可用于速度控制。轉(zhuǎn)矩由內(nèi)燃機(jī)施加，因此逆變器的內(nèi)部速度控制器可以將反轉(zhuǎn)矩施加到電機(jī)上，從而輸出所需的電能。

6 電機(jī)的溫度監(jiān)控

內(nèi)燃機(jī)和變流器具有自己的溫度控制和監(jiān)控功能，而電機(jī)的溫度必須由增程器控制器進(jìn)行監(jiān)控。定子的溫度由負(fù)溫度系數(shù)(NTC)傳感器記錄在繞組中，但轉(zhuǎn)子磁體的溫度無法直接測(cè)量。為了能夠間接確定磁體的溫度，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種特殊模式；在該模式中，增程器模塊在空閑模式下工作。在這種狀態(tài)下，可通過在幾秒內(nèi)測(cè)量開路電壓來間接得出磁體溫度。根據(jù)磁體溫度達(dá)到臨界值的接近程度，以不同的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的經(jīng)驗(yàn)溫度模型，以延長空閑測(cè)量之間的時(shí)間間隔。每次從自由運(yùn)行模式獲得新的溫度測(cè)量值時(shí)，都會(huì)重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

7 CNG 氣瓶和增程器模塊的結(jié)構(gòu)

CNG 模塊的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，共包括4 個(gè)1 型鋼制氣瓶以及相關(guān)的閥門。每個(gè)氣瓶的長度為700 mm，直徑為287 mm，容量為34.5 L。如果所有4 個(gè)氣瓶都充滿20 MPa 的壓力，則氣體質(zhì)量約為22 kg，相當(dāng)于使用氫氣時(shí)的能量含量約為286 kWh。

圖6 帶有4 個(gè)不銹鋼氣瓶的CNG 模塊

圖7 所示為具有主要組件而沒有管道和電纜的增程器模塊的結(jié)構(gòu)。出于布局原因，必須將冷卻風(fēng)扇模塊對(duì)角安裝在機(jī)架中。以此方式，可以將熱敏電子部件和逆變器放置在冷卻器的冷空氣入口側(cè)。左下角的框架包含增程器控制單元和DC/ DC 電壓轉(zhuǎn)換器(24/12 V)。冷卻液膨脹箱也位于此區(qū)域。

所有適用于高達(dá)100°C 環(huán)境條件的組件均位于冷卻器模塊的后面。在圖7 中，由冷卻模塊覆蓋的發(fā)電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的前面。在計(jì)算機(jī)輔助確定必要強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，框架在主要載荷點(diǎn)處進(jìn)行了專門加固。

圖7 帶有主要組件的增程器模塊

8 總結(jié)

曼商用車公司和IAV 公司正在合作開發(fā)一款電動(dòng)垃圾收集車，該垃圾收集車具有純電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)以及增程器模塊。在該項(xiàng)目范圍內(nèi)，曼負(fù)責(zé)卡車底盤開發(fā)，IAV 負(fù)責(zé)增程器模塊的開發(fā)。增程器模塊基于使用壓縮天然氣(CNG)運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)和通常用于驅(qū)動(dòng)乘用車的發(fā)電機(jī)。

增程器模塊在車輛運(yùn)行時(shí)可以為電池提供高達(dá)100 kWh 的額外電能。通過使用一種專門開發(fā)的充電策略，該模塊將盡可能地在城區(qū)以外提供這種能量，以避免在市區(qū)內(nèi)產(chǎn)生噪聲和廢氣排放。如果測(cè)試成功，則該增程器模塊也可用于其他車型。通過將CNG 轉(zhuǎn)換為氫氣運(yùn)行，未來增程器模塊還可實(shí)現(xiàn)完全零排放的應(yīng)用。