純電動掃路車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計與整車開發(fā)

薛占剛， 閻備戰(zhàn)

（1.傲藍(lán)得環(huán)境科技有限公司， 河南 鄭州 450016； 2.宇通客車股份有限公司， 河南 鄭州 450016）

0 引言

經(jīng)過近20 年來的發(fā)展，國內(nèi)環(huán)衛(wèi)服務(wù)行業(yè)的道路清掃保潔，已經(jīng)從過去的人工清掃完全實(shí)現(xiàn)了機(jī)械清掃，目前正在從基于傳統(tǒng)燃油車輛的機(jī)械清掃向基于新能源車輛的機(jī)械清掃。

由于傳統(tǒng)燃油掃路車， 主要在城市道路上進(jìn)行低速作業(yè)，車輛除了需求有驅(qū)動行駛主發(fā)動機(jī)，還需要有驅(qū)動作業(yè)裝置的副發(fā)動機(jī)，兩個發(fā)動機(jī)低速行駛條件下，由于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷低， 柴油機(jī)污染物的排放明顯差于高速行駛的車輛，所以在環(huán)衛(wèi)服務(wù)中道路保潔車輛的新能源化，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。 因此開發(fā)純電動環(huán)衛(wèi)車輛，是專用車行業(yè)亟待解決的問題。

傳統(tǒng)燃油環(huán)衛(wèi)車輛，對油箱不需要專門的計算校核，但純電動環(huán)衛(wèi)車輛的電池，除了電壓與電機(jī)的匹配計算，還需要按車輛的用途和電耗進(jìn)行對電量的匹配計算。 因此， 本文重點(diǎn)探討純電動環(huán)衛(wèi)車輛動力系統(tǒng)與電池系統(tǒng)在各種工況下的匹配計算方法， 并通過實(shí)際樣車的開發(fā)驗(yàn)證這種匹配方法的可行性和合理性。

1 整車作業(yè)循環(huán)特征與性能指標(biāo)要求

1.1 掃路車的典型作業(yè)循環(huán)工況

掃路車是指用于清除、 收集并運(yùn)送路面垃圾塵土等污物的環(huán)衛(wèi)專用車輛。 其主要用途是在行駛過程中對道路的清掃作業(yè)，同時在其他輔助時間，由于也需要在城市道路上行駛，還要有一定的動力性和經(jīng)濟(jì)性。 典型的掃路車作業(yè)循環(huán)見表1。

表1 掃路車典型作業(yè)循環(huán)Tab.1 Typical running cycles of the road sweeper

掃路車的上裝系統(tǒng)，主要部件包括清掃系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、吸嘴、垃圾箱、風(fēng)道和過濾除塵裝置、氣力輸送系統(tǒng)等。 根據(jù)傳統(tǒng)燃油掃路車的開發(fā)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，此類車輛在使用過程中，其上裝作業(yè)裝置需求功率通常大于行駛所需求的功率，所以純電動掃路車的開發(fā)中，對電池系統(tǒng)有很大挑戰(zhàn)。

1.2 整車性能指標(biāo)要求

擬開發(fā)的純電動掃路車，基本參數(shù)見表2，動力性指標(biāo)見表3。

表2 掃路車基本參數(shù)表Tab.2 Main parameters of the road sweeper

表3 動力性主要指標(biāo)Tab.3 Dynamic performance index of the road sweeper

2 動力系統(tǒng)主要參數(shù)核算

2.1 動力系統(tǒng)功率與轉(zhuǎn)矩需求計算

純電動汽車整車總功率要求的確定原則與傳統(tǒng)汽車相似，都是根據(jù)整車的動力性 （最高車速、爬坡性能、加速性能）來確定。作業(yè)類專用車輛，其作業(yè)裝置的動力來源于上裝動力， 需要另外單獨(dú)設(shè)計， 因此只考慮整車動力指標(biāo)即可。 整車驅(qū)動電機(jī)的峰值功率、 峰值扭矩是由爬坡性能指標(biāo)決定，即只要滿足爬坡性指標(biāo)，其它動力性指標(biāo)也可滿足。驅(qū)動電機(jī)的額定功率必須滿足最高車速要求。

純電動掃路車的動力性指標(biāo)包括最高車速vmax、v0-vm加速時間T（s）及最大爬坡要求imax（%）。

首先，最高車速vmax1需求的功率Pmax1，根據(jù)式（1）來計算確定：

式中：αmax=tan-1（imax）；vi—爬坡車速；r—輪胎滾動半徑；i0—后橋主減速比。

根據(jù)上述由動力性三項(xiàng)指標(biāo)計算的各項(xiàng)工況的功率需求，電機(jī)的峰值功率Pmax必須滿足：

電機(jī)的峰值扭矩必須滿足：

電機(jī)的額定功率必須滿足：

根據(jù)整車基本參數(shù)及式（1）、（2）可求得滿足最高車速及加速時間功率需求Pmax1＝30.86kW，Pmax2＝31kW。

由于以上計算， 均是針對無坡度的平路最高功率需求，還需要考慮坡道行駛的需求功率。 因此，還要根據(jù)整車基本參數(shù)及式（3）、（4），計算不同爬坡度下的電機(jī)功率、電機(jī)扭矩需求，計算結(jié)果分別見表4、表5。

表4 不同坡度和車速下的電機(jī)功率需求Tab.4 Power in different rampway&velocity

表5 不同坡度和車速下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求Tab.5 Torque in different rampway&velocity

由下面的公式（5）計算不同車速對應(yīng)電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，用于確定電機(jī)的基速參數(shù)，計算結(jié)果見表6。

表6 不同車速對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）Tab.6 Motor speed in different velocity

式中ig—變速箱傳動比（由于本車型無變速箱，所以ig=1）。

電機(jī)基速選擇：當(dāng)峰值轉(zhuǎn)矩一定，基速越大，其電機(jī)的峰值功率也越大，因此，按小基速并考慮電機(jī)高效區(qū)位置，電機(jī)基速ne選取如下：

ne=1000r/min

峰值扭矩的選?。嚎紤]到留有一定余量，最大爬坡度按20%，爬坡車速按15km/h，根據(jù)表6 進(jìn)行匹配，電機(jī)扭矩需求為：

Tmax=945.14Nm

峰值功率的選?。焊鶕?jù)式（6）計算電機(jī)峰值功率，計算結(jié)果需同時滿足最大爬坡度、最高車速、加速時間功率需求：

計算可得峰值功率為Pmax=99.06kW。

電機(jī)額定功率及額定扭矩的選?。?電機(jī)的額定功率是指電機(jī)可以持續(xù)輸出的功率，對于電動汽車來說，其持續(xù)輸出功率的工況， 就是持續(xù)以最高車速行駛所需求的功率。根據(jù)整車性能指標(biāo)中最高車速為80km/h，所以電機(jī)額定功率就是可以滿足最高車速的功率。 根據(jù)公式（1）可計算出電機(jī)額定功率Pe’＞30.86kW，根據(jù)公式（6）計算出的電機(jī)峰值功率P’max=99.06kW。結(jié)合電機(jī)產(chǎn)品型譜，適當(dāng)圓整并使電機(jī)的額定功率適當(dāng)留有冗余， 選取電機(jī)的額定功率50kW，峰值功率100kW。

2．1 初篩和復(fù)篩基本情況 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2006－2011年總出生人口數(shù)為29 698例，共篩查27 662例，初篩率為93．14%，初篩率逐年上升，年度間差異有統(tǒng)計學(xué)意義，P＜0．01）。初篩通過24 928例，通過率90．12%。應(yīng)復(fù)篩2 734例，實(shí)際復(fù)篩1 644例，復(fù)篩率60．13%，復(fù)篩率逐年上升，年度間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（χ2＝117．56，P＜0．01）。復(fù)篩通過1 413例，通過率85．95%。見表1。

2.2 動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速需求計算

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的選?。?根據(jù)最高車速80km/h 按式（5）計算電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速：nmax=3464r/min。

2.3 動力系統(tǒng)參數(shù)確定

綜合以上計算，選取電機(jī)參數(shù)見表7。

表7 電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)Tab.7 Motor parameters

3 動力電池系統(tǒng)方案設(shè)計

動力電池系統(tǒng)由于其電量需要分別給驅(qū)動行駛電機(jī)、上裝作業(yè)電機(jī)提供電能，所以需要對兩方面的電能需求進(jìn)行核算，將兩者相加才能滿足使用需求，另外還需要考慮到電池系統(tǒng)放電深度不能把所用電量用盡。

3.1 續(xù)航里程對電池電量的需求計算

根據(jù)GB/T18386-2005《電動汽車 能量消耗率及續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，整車?yán)m(xù)航里程按40km/h 等速考核評價，并有不同里程的要求。 采用上文中式（1），可求得40km/h等速行駛的功率需求P＝8.27kW， 再針對150、180、210、240km 等不同續(xù)航里程進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表8。

表8 不同續(xù)航里程需求電量表Tab.8 Battery energy for different endurance mileage

3.2 作業(yè)裝置對電池電量的需求計算

上裝系統(tǒng)消耗的功率，來自于風(fēng)機(jī)和液壓油泵，因此需要對兩者的功率進(jìn)行核算，并結(jié)合作業(yè)時長的需求，計算所需電量。

3.2.1 上裝風(fēng)機(jī)功率

風(fēng)機(jī)的功率，針對兩種不同擋位轉(zhuǎn)速進(jìn)行核算，具體結(jié)果見表9。

表9 上裝風(fēng)機(jī)功率計算表Tab.9 Calculation table of power for sweeper fan

3.2.2 液壓油泵功率

表10 上裝液壓泵功率計算表Tab.10 Calculation table of power for hydraulic pump

3.2.3 作業(yè)模式下的底盤驅(qū)動功率

作業(yè)模式下車輛的行駛速度一般為8km/h，消耗功率按前文中式（1）計算，可得P=1.25kW。

3.2.4 作業(yè)循環(huán)電耗根據(jù)上文的功率核算結(jié)果， 結(jié)合環(huán)

衛(wèi)車輛的清掃作業(yè)模式， 一般每班清掃三遍（凌晨一遍4：00～6：00；上午一遍9：00～11：00；下午一遍2：00～4：00，交通高峰期不工作），計算結(jié)果見表11。

表11 掃路車典型作業(yè)循環(huán)Tab.11 Typical running cycles of the road sweeper

因此，為保證最大可能地滿足各類作業(yè)需求，按每班3 個作業(yè)循環(huán)， 且按強(qiáng)掃模式， 則最大耗電量需求為24.51×3=73.53kWh。

3.3 動力電池的衰減特性

本項(xiàng)目車型采用磷酸鐵鋰動力電池，此類電池容量隨充放電循環(huán)次數(shù)的增加會有一定的衰減，為了其衰減特性的測試結(jié)果見圖1。 考慮到電池需要與整車同壽命即8 年（約3000 次充放電）， 在車輛全生命周期內(nèi)，電池衰減后的容量保持率為80%。

圖1 動力電池衰減特性曲線Fig.1 Attenuation curve of battery

3.4 總電量

根據(jù)車輛等速行駛續(xù)航里程的要求， 與每天兩次作業(yè)循環(huán)的要求，可知：

進(jìn)一步考慮整車生命周期內(nèi)電池衰減約80%，因此：

根據(jù)動力電池的成組參數(shù)，與總電量需求，選擇動力電池系統(tǒng)電量為92.24kWh。

4 結(jié)論

本文結(jié)合一款新能源純電動環(huán)衛(wèi)掃路車的開發(fā)，探索了作業(yè)類車輛純電動力系統(tǒng)的計算校核方法， 特別是結(jié)合車輛的實(shí)際使用過程中的功率與電量需求， 進(jìn)行了動力電池系統(tǒng)電量計算方法的探索， 并最終完成了整車的開發(fā)，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)要求。

整車開發(fā)完成后，樣車的測試結(jié)果表明，整車的續(xù)航里程達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)要求。 產(chǎn)品批量上市后，滿足了各類用戶使用過程中的續(xù)航里程需求。 表明了此方法的合理性與可行性。