港口傳統(tǒng)燃油集裝箱牽引車純電動改造方案

齊永志

為了踐行綠色發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)港口節(jié)能減排，廣州港股份有限公司南沙集裝箱碼頭分公司對部分傳統(tǒng)燃油集裝箱牽引車（以下簡稱“牽引車”）實(shí)施純電動改造。改造后的電動牽引車的技術(shù)性能和安全性能全部達(dá)標(biāo)，平均能耗成本與燃油牽引車相比大幅下降，取得較好的改造效果。本文以廣州港股份有限公司南沙集裝箱碼頭分公司的項(xiàng)目實(shí)踐為例，介紹傳統(tǒng)燃油牽引車純電動改造方案，并提出改造方案涉及的技術(shù)要點(diǎn)，以期為港口相關(guān)設(shè)備“油改電”項(xiàng)目提供參考。

1 改造思路及整體布局

燃油牽引車純電動改造思路如下：保持車輛原有底盤和主體結(jié)構(gòu)不變，拆除原車發(fā)動機(jī)和變速箱及相關(guān)部件，保留車架、車橋、輪胎和鞍座等相關(guān)結(jié)構(gòu)件，不改變車架原有固件特性;整車驅(qū)動依靠動力電池組和驅(qū)動電機(jī)，并對電氣控制系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、氣路制動系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等實(shí)施相應(yīng)改造，從而使車輛的動力性能、安全性能及各項(xiàng)功能滿足港區(qū)正常生產(chǎn)需求。根據(jù)上述改造思路確定電動牽引車整體布局（見圖1）。

（1）整車共設(shè)置2組動力電池組，均置于特制的電池箱內(nèi)。電池箱布置在車體大梁左右兩側(cè)前后輪之間，即原燃油箱位置及與其相對的啟動電池位置，并且不超出車身寬度，從而利用原車空間結(jié)構(gòu)保護(hù)動力電池組。

（2）拆除原車發(fā)動機(jī)和變速箱，將驅(qū)動電機(jī)安裝于車體大梁中部位置，從而便于對驅(qū)動電機(jī)實(shí)施日常檢查和維護(hù)，防止驅(qū)動電機(jī)受到外力沖擊。

（3）五合一控制器、高壓盒、充氣泵和24 V蓄電池（低壓電源）布置在駕駛室下方原發(fā)動機(jī)位置，從而有效防止電氣元件因受到外力沖擊或日曬雨淋而損壞。

（4）散熱器布置在駕駛室下方保險(xiǎn)杠后方位置，以便充分利用車輛行駛過程中的自然風(fēng)提高散熱效果，并且便于維修更換。

（5）高壓線束布置在大梁內(nèi)側(cè)和電池箱內(nèi)，以免撞擊或沙石濺擊引發(fā)高壓短路故障。左電池箱左上角設(shè)置雙槍充電接口（單槍充電電流不大于250 A），支持快充模式。

2 動力電池組

2.1 動力電池類型選擇

對目前市場應(yīng)用較為成熟的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池進(jìn)行比較：三元鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是能量密度較高，缺點(diǎn)是安全性相對較差、成本較高、高低溫適用性較差;磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是安全性較好、使用壽命較長、高溫性能較好、質(zhì)量較輕、對環(huán)境無污染等，缺點(diǎn)是能量密度較低?？紤]到港區(qū)用車特點(diǎn)，最終選用磷酸鐵鋰電池。

2.2 動力電池組容量計(jì)算

動力電池組容量越大，改造成本就越高;因此，在滿足港區(qū)生產(chǎn)使用需求的前提下，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制動力電池組容量。結(jié)合牽引車在港區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中的利用率、行駛速度和平均載質(zhì)量等，分步計(jì)算所需的動力電池組容量。

2.2.1 牽引車驅(qū)動力

牽引車在行駛過程中的受力平衡公式為

F=F1+F2+F3+F4 （1）

式中：F為牽引車驅(qū)動力，N;F1為牽引車滾動阻力，N;F2為牽引車空氣阻力，N;F3為牽引車坡度阻力，N;F4為牽引車加速阻力，N。

港區(qū)地面平整，并且牽引車在港區(qū)內(nèi)長期低速行駛，坡度阻力和加速阻力可忽略不計(jì)，故式（1）可簡化為

F=F1+F2（2）

牽引車滾動阻力可按牽引車平均載荷計(jì)算，即

F1=f譵譯（3）

式中：f為滾動阻力系數(shù)，港區(qū)采用水泥路面，取f=0.018;m為牽引車平均載質(zhì)量，按實(shí)際數(shù)據(jù)，取m=25 800 kg;g為重力加速度，取g=9.8 m/s2。將以上參數(shù)代入式（3），計(jì)算后得到牽引車滾動阻力F1=4 551.12 N。

牽引車空氣阻力的計(jì)算公式為

F2=證譇住譾2（4）

式中：C為風(fēng)阻系數(shù)，港區(qū)內(nèi)取C=0.28;A為牽引車迎風(fēng)面積，牽引車寬2.65 m，高3.55 m，故A=9.407 5 m2; 為海平面空氣密度，取 =1.225 kg/m3;v為牽引車行駛速度，按實(shí)際數(shù)據(jù)，取v=15 km/h。將以上參數(shù)代入式（4），計(jì)算后得到牽引車空氣阻力F2=28.02 N。

將式（3）和式（4）的計(jì)算結(jié)果代入式（2），得到牽引車驅(qū)動力F=4 579.14 N。

2.2.2 牽引車耗電量

牽引車耗電量由驅(qū)動系統(tǒng)耗電量和輔助系統(tǒng)耗電量組成，即

W=W1+W2（5）

式中：W為牽引車每天耗電量，kW h;W1為牽引車驅(qū)動系統(tǒng)每天耗電量，kW h;W2為牽引車輔助系統(tǒng)每天耗電量，kW h。

牽引車驅(qū)動系統(tǒng)每天耗電量

（6）

式中：F為牽引車驅(qū)動力，F(xiàn)=4 579.14 N;s為牽引車平均每天行駛里程，按2021年實(shí)際數(shù)據(jù)，取s=120 km; 1為電機(jī)驅(qū)動效率，取 1=0.92; 2為動力電池組放電效率，取 2=0.98; 3為機(jī)械傳動效率，取 3=0.92。將以上參數(shù)代入式（6），計(jì)算后得到牽引車驅(qū)動系統(tǒng)每天耗電量W1=184 kW h。

牽引車輔助系統(tǒng)每天耗電量

W2=P譼（7）

式中：P為牽引車輔助系統(tǒng)功率，取P=1 kW;t為牽引車平均每天作業(yè)時(shí)間，取t=20 h。將以上參數(shù)代入式（7），計(jì)算后得到牽引車輔助系統(tǒng)每天耗電量W2=20 kW h。

將式（6）和式（7）的計(jì)算結(jié)果代入式（5），得到牽引車每天耗電量W=204 kW h。

2.2.3 動力電池組容量

考慮到長期深度放電會縮短動力電池組使用壽命，將動力電池組的放電深度控制在80%～90%為宜。當(dāng)動力電池組放電至荷電狀態(tài)為15%時(shí)，由于電壓隨荷電狀態(tài)降低而降低，從而使動力電池組的實(shí)際剩余能量占額定能量的比例略低于15%。按動力電池組剩余能量占額定能量的比例不低于15%計(jì)算，動力電池組額定能量至少應(yīng)為204 kW h /（1 15%）=240 kW h，故動力電池組額定能量大于240 kW h即可滿足牽引車使用要求。取動力電池組電壓為600 V，則動力電池組額定容量應(yīng)不小于 h/600 V=400 A h。

2.3 電池箱設(shè)計(jì)

為了有效保護(hù)動力電池組，防止動力電池組在使用過程中因過充、過放、過熱或受外力沖擊等而引發(fā)安全事故，應(yīng)當(dāng)將動力電池組集中放置于特制的電池箱內(nèi)。電池箱設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：第一，防護(hù)等級不低于IP67，以確保在路面積水的情況下動力電池組不受損壞;第二，具有減震效果和足夠的強(qiáng)度，并且內(nèi)部空間足以保護(hù)動力電池組免受沖擊;第三，在空間允許的情況下，盡量布置在遠(yuǎn)離駕駛室的位置;第四，方便對動力電池組實(shí)施維護(hù)檢查和更換。

基于以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在改造過程中設(shè)置2個(gè)電池箱，分別布置在車體大梁左右兩側(cè)前后輪之間（見圖2）。將8組電池模塊分別安裝于2個(gè)電池箱內(nèi)，每個(gè)電池箱內(nèi)含4組電池模塊。根據(jù)牽引車的軸距和輪距，將電池箱外形尺寸設(shè)計(jì)為？59.5 mm？915 mm，底部離地高度為，內(nèi)部電池組離地高度為450 mm（見圖3）。電池箱加工技術(shù)要求如下：（1）箱體結(jié)構(gòu)支架焊接牢固，關(guān)鍵位置采用破口滿焊方式，焊縫高度不低于5 mm;（2）箱體經(jīng)噴漆防腐處理;（3）箱體蓋板選用花紋板制作或粘貼防滑裝置。

3 驅(qū)動系統(tǒng)

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、傳動軸和驅(qū)動輪等組成，負(fù)責(zé)將動力電池組的電能轉(zhuǎn)化為車輪的動能，是燃油牽引車純電動改造的重要組成部分。驅(qū)動系統(tǒng)可選用以下設(shè)計(jì)方案。

方案一是參照原裝電動牽引車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)置簡單的變速箱。該方案無法使用原車出廠配置的變速箱，只能根據(jù)需求另行配置變速箱，從而導(dǎo)致改造成本增加。

方案二是取消設(shè)置變速箱，采用逆變器傳遞動力。該方案對驅(qū)動電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩有較高要求。

方案三是將驅(qū)動電機(jī)安裝在傳動軸上，從而由驅(qū)動電機(jī)直接實(shí)現(xiàn)變速。[1]該方案無須另行配置變速箱，具有結(jié)構(gòu)簡單、動力輸出平穩(wěn)、傳動可靠性較高、維護(hù)保養(yǎng)簡單、操控靈活輕便和改造成本較低等優(yōu)點(diǎn);但該方案對驅(qū)動電機(jī)的要求較高，即驅(qū)動電機(jī)必須有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和后備功率。

通過比較以上可選方案的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮改造成本以及牽引車在港區(qū)內(nèi)長期低速行駛、載荷多變、啟動頻繁等工況，最終采用方案三作為驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（見圖4和圖5）。該方案下動力傳遞路線為驅(qū)動電機(jī)→傳動軸→驅(qū)動橋→輪胎，能量傳遞路線為動力電池組→高壓配電箱→電機(jī)控制器→驅(qū)動電機(jī)。

3.2 驅(qū)動電機(jī)類型及參數(shù)

與交流異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：在功率和扭矩相同的情況下，永磁同步電機(jī)的體積較小且質(zhì)量較輕，能夠?yàn)槠渌考峁└鼮槌湓５牟季挚臻g。通過市場調(diào)研，最終選定符合實(shí)際應(yīng)用需求的永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3.3 驅(qū)動電機(jī)散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了確保驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器在相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)持續(xù)安全運(yùn)行，對驅(qū)動電機(jī)散熱系統(tǒng)實(shí)施改造。驅(qū)動電機(jī)散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)分為低壓電氣控制系統(tǒng)和高壓電氣控制系統(tǒng)：低壓電氣控制系統(tǒng)主要由整車控制器和常規(guī)控制電路組成;高壓電氣控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動控制電路、電動轉(zhuǎn)向泵控制電路、電動空氣壓縮機(jī)控制電路、24 V蓄電池直流-直流變換電路、電動空調(diào)和動力電池管理系統(tǒng)等組成。電氣控制系統(tǒng)原理如圖7所示。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和技術(shù)要點(diǎn)如下：（1）采用可靠性較高、抗干擾性能較好、反應(yīng)速度較快的控制器局域網(wǎng)總線系統(tǒng)，并通過綜合顯示屏顯示各項(xiàng)參數(shù)，以便于操作和使用;（2）動力電池管理系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、故障報(bào)警和分析等功能;（3）電氣線路采用有足夠容量的阻燃電纜，高壓線束外套波紋管并規(guī)范固定。

5 空氣制動系統(tǒng)

在原車獨(dú)立雙回路空氣制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝電動空氣壓縮機(jī)（見圖8），以實(shí)現(xiàn)空氣制動。電動空氣壓縮機(jī)的空氣管路中設(shè)有除濕裝置和自動泄壓排水裝置，采用彈簧式駐車制動器，配置可快速拆裝的標(biāo)準(zhǔn)接頭和氣管，具有牽拉補(bǔ)償功能。保留原車的防腐儲氣筒，配置手拉式放水開關(guān)。帶節(jié)流掛車閥安裝于大梁后方，便于日常維修。電動空氣壓縮機(jī)的出氣管路上加裝空氣冷卻器，可有效降低氣路溫度，延長壓縮機(jī)使用壽命。

電動空氣壓縮機(jī)推薦技術(shù)參數(shù)如下：額定功率4 kW，額定排氣量380 L/min，額定排氣壓力，最大排氣壓力1.2 MPa，工作溫度范圍 30～65℃，噪聲等級不大于75 dB。

6 電動空調(diào)系統(tǒng)

拆除原車由發(fā)動機(jī)皮帶帶動的空調(diào)壓縮機(jī)，另行設(shè)計(jì)電動空調(diào)系統(tǒng)。電動空調(diào)系統(tǒng)主要由電動空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器、儲液干燥器、膨脹閥和蒸發(fā)器等組成（見圖9），通過鋁管或膠管連接形成密封管路系統(tǒng)，制冷劑在該密封管路系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。電動空調(diào)系統(tǒng)工作原理是：電動空調(diào)壓縮機(jī)將制冷產(chǎn)生的冷空氣或制熱產(chǎn)生的熱空氣經(jīng)過管道輸送至駕駛室，從而達(dá)到調(diào)節(jié)駕駛室溫度的目的。

電動空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和技術(shù)要點(diǎn)如下：（1）駕駛室儀表臺保留原車空調(diào)出風(fēng)口，采用電控方式調(diào)節(jié)出風(fēng)量;（2）要求制冷速度快且制冷效果好，同時(shí)兼顧冬季制熱功能。

7 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用原車左置方向盤控制，并加裝電動助力裝置，主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向垂臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、電動轉(zhuǎn)向助力泵總成、轉(zhuǎn)向油壺和轉(zhuǎn)向管路等組成（見圖10）。

電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和技術(shù)要點(diǎn)如下：（1）在車速不低于5 km/h的情況下，轉(zhuǎn)向助力能夠幫助駕駛員輕松操作方向盤實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向;（2）采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，缸徑為120 mm，最大輸出扭矩不小于 m;（3）電動轉(zhuǎn)向助力泵能夠按需求輸出相應(yīng)的扭矩和功率，從而在降低能耗的同時(shí)確保牽引車運(yùn)行順暢。

8 改造效果

基于以上改造方案，廣州港股份有限公司南沙集裝箱碼頭分公司于2021年12月底完成對15輛燃油牽引車的純電動改造，并委托第三方特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)核驗(yàn)改造后的電動牽引車的技術(shù)性能和安全性能。核驗(yàn)結(jié)果顯示，改造后的電動牽引車的技術(shù)性能和安全性能全部達(dá)標(biāo)。與傳統(tǒng)燃油牽引車相比，改造后的電動牽引車不僅續(xù)航里程和動力完全滿足港區(qū)生產(chǎn)作業(yè)需求，而且單箱能耗成本和單位里程能耗成本均大幅下降70%左右（見表2），取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。如果將燃油牽引車全部改造為電動牽引車，或者進(jìn)一步對集裝箱堆高機(jī)、正面吊等其他港口設(shè)備實(shí)施電動改造，必將有效降低港口運(yùn)行成本，解決傳統(tǒng)燃油設(shè)備存在的能耗較高、污染物排放量較大等問題[2]，從而有利于實(shí)現(xiàn)綠色低碳港口建設(shè)目標(biāo)，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李江，陳奇鋒，張偉. 純電動重卡動力總成結(jié)構(gòu)研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（19）：17-19.

[2] 王國川，朱小平，王宗社. 電動技術(shù)在卡車上的應(yīng)用[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2010，35（3）：31-34.

（編輯：張敏 收稿日期：2022-05-19）