18T 電動洗掃車動力系統(tǒng)匹配與性能仿真研究

夏靖武， 趙斌良， 徐 舟， 溫淑萍， 杜素青， 鄧湘武

（長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司， 湖南 長沙 410221）

“碳達(dá)峰”、“碳中和”是國家制定的重要戰(zhàn)略決策，助力中國經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)從“高增長”過渡到“高質(zhì)量”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。我國制定的目標(biāo)從“碳達(dá)峰”到“碳中和”只有30年，時間短、強(qiáng)度高，必須大力推廣新能源汽車，推動城市公共服務(wù)車輛的電動化[1]。一輛18T的燃油洗掃車，作業(yè)時通常為10～15km/h的車速，不僅油耗高達(dá)120L/100km，同時還產(chǎn)生大量的含碳尾氣排放，每臺18T燃油洗掃車一年的碳排放大約是50噸，相當(dāng)于15臺乘用車一年碳排放量的總和。如果改成純電動車，那么其每年的碳排放將降低18噸。如果將我國現(xiàn)有的環(huán)衛(wèi)車全部換成純電動車，每年可減排二氧化碳超過1100萬噸。在“雙碳”目標(biāo)下，新能源環(huán)衛(wèi)車迎來了快速發(fā)展期，預(yù)計到2025年，新增新能源環(huán)衛(wèi)車的比例會達(dá)到20%左右，到2035年環(huán)衛(wèi)車將基本實現(xiàn)電動化[2]。

電動洗掃車是一種特種作業(yè)車輛，和普通的電動汽車不同，它是由純電動底盤和用于洗掃作業(yè)的上裝共同組成。電動洗掃車的動力系統(tǒng)，除了需給整車行駛提供動力，還需給上裝作業(yè)提供電能[3]，因此，在進(jìn)行電動洗掃車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計時需同時考慮底盤和上裝的用電功率和能耗。本研究以某18T電動洗掃車為研究車輛，根據(jù)其特殊作業(yè)場景，對研究車型動力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計，并通過對整車動力經(jīng)濟(jì)性的仿真分析，驗證參數(shù)的合理性，得到一種性能較好的動力系統(tǒng)方案。

1 整車參數(shù)與性能目標(biāo)

18T電動洗掃車是洗掃車市場占有率最高的噸位級別，采用4×2后輪驅(qū)動型式，電池組后背于駕駛室后方，其整車參數(shù)如表1所示。

表1 研究車型整車參數(shù)

為了滿足洗掃車特種作業(yè)工況，參考行業(yè)同噸位競品車型性能指標(biāo)，研究車型動力性設(shè)計目標(biāo)如下：整車最高車速umax≥89km/h，0～30km/h加速時間t1≤3.5s，30～50km/h加速時間t2≤3.5s，滿載狀態(tài)下最大爬坡度i≥30%[4]。經(jīng)濟(jì)性設(shè)計目標(biāo)如下：C-WTVC綜合工況續(xù)駛里程LC≥250km，40km/h勻速工況續(xù)駛里程L40≥400km，標(biāo)準(zhǔn)洗掃作業(yè)時間t≥8h。

2 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)匹配與選型

驅(qū)動系統(tǒng)的匹配與選型包括驅(qū)動系統(tǒng)型式的選擇、驅(qū)動電機(jī)參數(shù)的匹配、變速器或減速箱速比的選擇等。首先對驅(qū)動系統(tǒng)型式進(jìn)行選擇，電動洗掃車總成本價格偏高，不宜做成低端產(chǎn)品，為了獲得良好的駕駛平順性，放棄采用AMT變速器的方案。研究車型滿載設(shè)計質(zhì)量為18T，此時要想達(dá)到30%以上的爬坡度，驅(qū)動力Ft可根據(jù)下列方程式計算出：

式中：m——整車滿載質(zhì)量；g——重力加速度；α——最大爬坡度對應(yīng)角度。

計算可得出整車驅(qū)動力Ft為50472N，輪端總驅(qū)動扭矩為26234Nm，驅(qū)動橋輸入端扭矩為4252Nm，又因傳動系統(tǒng)效率只有92%，最后計算出驅(qū)動系統(tǒng)輸出端輸出扭矩Tm不能小于4476Nm。市面上車用驅(qū)動電機(jī)單個電機(jī)峰值扭矩做到這么大的非常少見，因此本驅(qū)動系統(tǒng)采用雙電機(jī)驅(qū)動的型式。洗掃車標(biāo)準(zhǔn)洗掃作業(yè)車速只有15km/h，這么低的車速如采用電機(jī)直驅(qū)，電機(jī)將經(jīng)常工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，系統(tǒng)效率無法提高，所以本方案擬增加一級減速器，從而提高電機(jī)轉(zhuǎn)速需求，降低電機(jī)扭矩需求。

驅(qū)動電機(jī)峰值功率首先須滿足整車最高車速、加速能力、最大爬坡度的功率需求，另外驅(qū)動電機(jī)峰值功率的匹配設(shè)計需要考慮洗掃車偶爾超載的特殊情況[5]。驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速主要由整車最高車速決定，可根據(jù)下列公式計算：

式中：nmax——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；umax——汽車最高車速；i0——后橋主減速比；ig——減速器速比；r——車輪滾動半徑。

根據(jù)上述計算結(jié)果，再結(jié)合市面上車用驅(qū)動電機(jī)資源情況，最終選取的驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)表

2.2 電池參數(shù)匹配與選型

當(dāng)前車用動力電池技術(shù)比較成熟，市場份額最大主要是三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰離子電池的比功率和能量密度更大，主要應(yīng)用在純電動乘用車行業(yè)，而后者的熱穩(wěn)定性更好、成本更具優(yōu)勢，在客車和商用車行業(yè)應(yīng)用較多。因此，本研究動力電池類型采用磷酸鐵鋰電池。

電池電量的匹配，主要由電動洗掃車純電續(xù)駛里程和特種作業(yè)時間決定的，其次還需要考慮電池SOC放電窗口等特殊情況[6]。市場上性能最好18T電動洗掃車，40km/h等速行駛時的底盤百公里能耗大約為63kWh左右，續(xù)航400km的電量需求為252kWh。而18T電動洗掃車在標(biāo)準(zhǔn)洗掃作業(yè)時整車每小時能耗大約為32kWh，若要達(dá)到充滿電可連續(xù)作業(yè)8h的性能目標(biāo)，整車電量需求約為256kWh。兩個需求取大值，電池放電時SOC至少保留10%的余量，再加上一些損耗，整車電池總電量至少要達(dá)到285kWh以上。

電池系統(tǒng)的峰值放電功率還需與雙電機(jī)峰值總功率、高壓附件總功率以及上裝最大用電功率相匹配，本研究雙電機(jī)峰值總功率為420kW，所有高壓附件最大總功率約20kW，上裝最大用電功率為90kW，即電池峰值放電功率不能小于530kW，按電池系統(tǒng)峰值放電倍率2C計算，電池總電量需大于265kWh。

綜上所述，結(jié)合動力電池供應(yīng)商資源情況，最終確定本研究的動力電池系統(tǒng)主要參數(shù)如表3所示。

表3 動力電池系統(tǒng)參數(shù)表

3 建模與仿真分析

3.1 搭建整車仿真模型

為了驗證18T電動洗掃車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計的合理性，需要對整車動力經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析。Matlab是一種具有很強(qiáng)計算性能且適合于數(shù)值計算、系統(tǒng)仿真的軟件，其自帶的Simulink工具，是一種基于本身圖形化的仿真環(huán)境，可以通過圖形化的系統(tǒng)模塊對動態(tài)系統(tǒng)描述，并對其進(jìn)行求解[7]。在Matlab/Simulink軟件中搭建的18T電動洗掃車整車仿真模型如圖1所示，包括電池模塊、配電盒模塊、驅(qū)動系統(tǒng)模塊、主減模塊、整車模塊、控制器模塊、駕駛員模塊。其中驅(qū)動系統(tǒng)模塊由電機(jī)1子模塊、電機(jī)2子模塊以及單級減速器子模塊等組成，如圖2所示。

圖1 18T電動洗掃車整車仿真模型架構(gòu)示意圖

圖2 雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)模塊內(nèi)部模型圖

3.2 整車性能仿真分析

研究車型屬于電動汽車的一種，其經(jīng)濟(jì)性試驗方法需符合電動汽車試驗國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386的相關(guān)要求[8]。輸入研究車型整車及動力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)后，在搭建的仿真模型中對其進(jìn)行基于C-WTVC循環(huán)工況的能耗和續(xù)駛里程等經(jīng)濟(jì)性能的仿真分析，模型顯示繪制出的仿真車速曲線如圖3所示。容易看出圖中工況車速和仿真車速兩條曲線基本重合，表明本研究匹配設(shè)計18T電動洗掃車動力系統(tǒng)動力性符合跟隨C-WTVC循環(huán)工況的基本要求，同時也初步驗證了在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的18T電動洗掃車整車仿真模型的準(zhǔn)確性。為了對整車經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行充分的分析，還設(shè)置在40km/h等速工況下進(jìn)行了整車的能耗和續(xù)駛里程仿真分析。

圖3 18T電動洗掃車C-WTVC工況速度跟隨曲線圖

18T電動洗掃車的動力性能試驗方法首先需符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18385的要求[9]，其次應(yīng)該滿足行業(yè)的特殊需求，本研究對整車的動力性提出了更高的要求，設(shè)定在18T滿載狀態(tài)下對研究車型進(jìn)行最高車速、加速性能、爬坡性能等動力性能進(jìn)行仿真分析，輸出仿真結(jié)果。

最后，18T電動洗掃車的動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如表4所示。顯然，表中所有動力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的仿真值都達(dá)到了目標(biāo)值的要求，因此本研究進(jìn)行的整車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計是可靠的，達(dá)到了預(yù)期要求。

表4 整車動力性、 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果表

4 結(jié)束語

電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本研究以某18T電動洗掃車為研究對象，對其電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、動力電池等動力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了選型和匹配設(shè)計，在Matlab/Simulink軟件中搭建了電動洗掃車的整車仿真模型，對18T電動洗掃車進(jìn)行了系統(tǒng)的性能仿真分析，仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為項目開發(fā)提供了必要的理論依據(jù)。