淺析純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車底盤、上裝一體化開發(fā)的總體設(shè)計(jì)與研究

關(guān)鍵詞：新能源環(huán)衛(wèi)車；契合度；兼容性；一體化設(shè)計(jì)；上裝域控核心技術(shù)；產(chǎn)品質(zhì)量性能

中圖分類號(hào)：U462 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.06.008

Preliminary Analysis of the Overall Design and Research on the Integrated Development of Chassis and Upper Assembly ofPure Electric Sanitation Vehicles

Abstract： In order to further improve the low fit and compatibility between the upper and lower chassis of new energy sanitationvehicles， and to achieve interconnection between the chassis and upper chassis in terms of structure， control， cooling， etc.， it isnecessary to effectively change the situation where the upper chassis of sanitation vehicles is passively modified in multiple dimensionsto complete the production of the entire vehicle. By analyzing the installation requirements and full operating conditions of two majortypes of sanitation vehicles， namely road cleaning and garbage collection， an integrated design of “chassis+installation” is carriedout to achieve the integration of the entire vehicle structure， high-voltage system， thermal management system， control， and terminal.The core technology of chassis installation domain control is created to continuously improve the quality and performance of sanitationproducts， enhance market competitiveness and influence at the terminal.

Key words： New energy sanitation vehicles；Fit；Compatibility；Integrated design；Install domain control core technology；Productquality performance

0引言

近年來，在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，社會(huì)環(huán)保意識(shí)顯著增強(qiáng)。綠色低碳已成為我國(guó)商用車行業(yè)發(fā)展的主旋律。其中，純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車作為商用車行業(yè)的新風(fēng)口，已成為各地區(qū)重點(diǎn)推廣使用的對(duì)象，呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)，市場(chǎng)滲透率持續(xù)提高。目前，新能源環(huán)衛(wèi)車主要分為路面保潔和垃圾收運(yùn)兩大類[1]。產(chǎn)品種類涵蓋純電動(dòng)洗掃車、壓縮式垃圾車、高壓清洗車、低壓灑水車、多功能抑塵車等，整車品類多樣，不同上裝需求差異大、裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但由于環(huán)衛(wèi)車上裝廠家缺乏底盤資源，多從主機(jī)廠采購(gòu)底盤進(jìn)行改裝，這涉及多個(gè)公司或部門間的業(yè)務(wù)合作，信息共享存在困難，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)、通訊、監(jiān)控等方面無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，進(jìn)而引起底盤與上裝契合度低、兼容性不足等問題。

為充分發(fā)揮底盤資源優(yōu)勢(shì)，主機(jī)廠基于上裝需求及全運(yùn)行工況分析，開展“底盤+上裝”整車一體化設(shè)計(jì)，搭建整車結(jié)構(gòu)一體化、高壓系統(tǒng)一體化、熱管理系統(tǒng)一體化、控制系統(tǒng)一體化、終端系統(tǒng)一體化配套架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)底盤、上裝結(jié)構(gòu)、控制、冷卻等方面互聯(lián)互通，打造特色一體化環(huán)衛(wèi)車產(chǎn)品。

1環(huán)衛(wèi)車上裝需求分析

隨著我國(guó)汽車行業(yè)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格、新能源汽車各項(xiàng)利好政策的實(shí)施、人口紅利的消失以及運(yùn)營(yíng)成本的增長(zhǎng)，市政環(huán)衛(wèi)車行業(yè)首當(dāng)其沖受到影響[2]。數(shù)據(jù)顯示，2021—2023年，環(huán)衛(wèi)車總體銷量從10萬輛下降至7.8萬輛，呈逐年下降趨勢(shì)；而純電車型銷量則從不到4000輛提升到超過6000輛，顯示出純電環(huán)衛(wèi)車的市場(chǎng)潛力。同時(shí)，在18t車型市場(chǎng)中，總體銷量從1.82萬輛增長(zhǎng)至2.76萬輛，占比從18.2%提升至35.38%；其中，純電車型銷量從1327輛提升至2567輛。特別是18t純電車型中，洗掃車、壓縮車、高壓清洗車、綠化噴灑車4款車型銷量占比超過85%，占據(jù)了主導(dǎo)地位，如圖1、圖2所示。

在系列環(huán)衛(wèi)車中，有2個(gè)典型車型可作為環(huán)衛(wèi)工況分析的代表，即用于路面保潔的洗掃車和用于垃圾收運(yùn)的后裝式壓縮垃圾車。因此，我們以市場(chǎng)為導(dǎo)向，首先選擇18t級(jí)產(chǎn)品作為切入點(diǎn)，以洗掃車和壓縮車為先導(dǎo)車型。我們與上裝廠家從技術(shù)源頭開始進(jìn)行全系統(tǒng)對(duì)接，共同開展底盤與上裝一體化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行推廣。

1.1結(jié)構(gòu)改裝需求

為便于上裝安裝，避免上裝被動(dòng)改裝帶來的風(fēng)險(xiǎn)，環(huán)衛(wèi)上裝對(duì)底盤的通用要求如下：底盤車架需采用直通式大梁，并配置標(biāo)準(zhǔn)孔位；車架上翼面應(yīng)無鉚釘，且底盤附件應(yīng)低于車架上翼面平面。為保證車架強(qiáng)度，需對(duì)上裝固定點(diǎn)處進(jìn)行局部加強(qiáng)。同時(shí)，為滿足上裝改裝空間的要求，需根據(jù)上裝長(zhǎng)度來確定底盤的軸距和后懸長(zhǎng)度。此外，還需根據(jù)上裝部件的布置形式來確定電池包的布置形式。以洗掃車和壓縮車為例：

18t洗掃車（以中置雙掃盤+寬吸嘴為例，如圖3所示）底盤電池包需采用后背形式布置。

18t級(jí)壓縮式垃圾車（如圖4所示）箱體容積通常在13～15m³。由于其上裝尾部有特殊裝填機(jī)構(gòu)，要求底盤后懸較短，一般要求底盤后懸＜1100mm。同時(shí)，車架大梁左側(cè)或右側(cè)需預(yù)留污水箱位置。因此，上裝可利用空間一般要求≥3600mm，軸距要求≥4500mm。

1.2底盤配置需求

為滿足上裝的特殊需求，便于客戶操作及使用，在底盤配置方面還需進(jìn)行一系列定制化設(shè)置。具體來說，需加裝上裝取電、取氣、取力、電控功能等相關(guān)配置。

以18t純電動(dòng)洗掃車為例，其上裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案架構(gòu)為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、液壓油泵及高壓水泵。該系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速范圍為1300～2200r/min，扭矩需求≥250Nm，取電功率需求≥50kW。此外，環(huán)衛(wèi)車上裝還會(huì)根據(jù)用戶的實(shí)際需求單獨(dú)配備了高壓水槍，這些水槍多從底盤取氣。在實(shí)際改裝過程中，部分改裝廠直接剪斷輔助氣管路并安裝三通接頭以取氣，而有些則采用分氣閥統(tǒng)一接入。

對(duì)于壓縮式垃圾車而言，其上裝動(dòng)力系統(tǒng)通常由液壓油泵驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)的恒扭矩區(qū)間轉(zhuǎn)速一般為800～1600r/min，最大輸出扭矩可達(dá)1150Nm。動(dòng)力通過底盤變速器的取力器輸出，并通過傳動(dòng)軸連接至油泵進(jìn)行動(dòng)力傳輸，這種方式可能會(huì)帶來較大的振動(dòng)和噪聲。為此，部分上裝廠家已開始采用花鍵式取力器以降低噪聲影響。同時(shí)，為方便客戶清洗，壓縮式垃圾車同樣需要配置水槍并從底盤取氣，這與清掃車的需求相似。

在低壓取電方面，底盤需要預(yù)留上裝CAN接口。根據(jù)不同上裝的需求，各車型底盤需預(yù)留1～2路30A（或指定電流范圍如15～40A）的電源。為方便上裝接線，這些電源接口大多被放置在駕駛室中央電器板附近。此外，底盤還需要增加相關(guān)電器信號(hào)以滿足上裝電氣系統(tǒng)與底盤之間的通信需求。

最后，對(duì)于采用通用底盤的環(huán)衛(wèi)車改裝廠而言，上裝的電控單元往往是在后期進(jìn)行改裝的，且獨(dú)立于駕駛內(nèi)飾或儀表臺(tái)之外。這可能會(huì)導(dǎo)致駕駛室內(nèi)部空間減小并影響操作便利性。為解決這一問題，底盤廠家可考慮通過中控顯示大屏來集成洗掃車、壓縮式垃圾車等不同種類環(huán)衛(wèi)車的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)顯示、操作及控制等各項(xiàng)功能界面，從而取消上裝單獨(dú)的操控平臺(tái)，提升駕駛室的舒適性和操作便捷性。

2環(huán)衛(wèi)車運(yùn)行工況分析

2.1洗掃車作業(yè)工況分析

洗掃車的日常運(yùn)行涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵工況，主要包括加水出車工況、清掃作業(yè)工況、轉(zhuǎn)場(chǎng)排污加水工況以及返回卸料工況。洗掃車作業(yè)工況分析如表1所示。

2.2壓縮式垃圾車作業(yè)工況分析

壓縮式垃圾車的基本工況包括垃圾收集、半載運(yùn)輸、滿載轉(zhuǎn)運(yùn)、卸料以及空載返回[3]。壓縮式垃圾車作業(yè)工況分析如表2所示。

3底盤、上裝一體化整車設(shè)計(jì)

根據(jù)環(huán)衛(wèi)車上裝需求及作業(yè)工況，進(jìn)行底盤與整車的一體化設(shè)計(jì)，以18t級(jí)環(huán)衛(wèi)車為例，具體從以下方面展開。

3.1結(jié)構(gòu)一體化

針對(duì)洗掃車和壓縮式垃圾車不同的上裝需求，進(jìn)行車架的模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)后懸長(zhǎng)度進(jìn)行系列化開發(fā)。洗掃車底盤的后懸長(zhǎng)度為1640mm，而壓縮式垃圾車底盤的后懸長(zhǎng)度為1080mm。同時(shí)，根據(jù)上裝部件的安裝位置預(yù)留了車架孔位，并采用綠控TZ370XS-LKM1114電機(jī)為上裝配備了法蘭式取力器，預(yù)留了G3/8螺紋取氣口用于取電。在輔助氣罐上，預(yù)留了同規(guī)格的取氣接口，并確保氣缸、氣動(dòng)離合器等所需氣壓大于0.8MPa。此外，還預(yù)留了2路CAN接口用于上裝取電，從而實(shí)現(xiàn)了底盤到廠即可直接安裝，減少了打孔、切割、焊接等作業(yè)流程，避免了改裝風(fēng)險(xiǎn)，提高了生產(chǎn)效率并降低了人工成本。洗掃車和壓縮式垃圾車的底盤設(shè)計(jì)分別如圖5和圖6所示。

3.2熱管理一體化

充分利用底盤的開發(fā)能力及配套資源優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)籌考慮底盤電機(jī)、電控和上裝電機(jī)電控的熱負(fù)荷需求。根據(jù)洗掃車上裝電機(jī)的散熱功率（12～13kW）、電機(jī)控制器工作溫度（≤55℃）以及電機(jī)工作溫度（≤65℃）等要求，底盤匹配300W大功率電子水泵。通過一個(gè)水泵和一個(gè)三通閥直接混水的方式，上裝工作的三通閥按照預(yù)設(shè)開度運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵按照預(yù)設(shè)功率運(yùn)轉(zhuǎn)。冷凝器總成被集成到散熱器中，從而實(shí)現(xiàn)了底盤和上裝共用一套熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同步冷卻，減少了上裝單獨(dú)匹配冷卻模塊的要求。

3.3高壓系統(tǒng)一體化

上裝電機(jī)、電控系統(tǒng)與底盤高壓系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，借助底盤三電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，底盤集成了上裝電機(jī)和電控系統(tǒng)。通過深度挖掘上裝系統(tǒng)的工作模式及工況，并根據(jù)上裝系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，確定上裝系統(tǒng)的常用轉(zhuǎn)速區(qū)間及扭矩區(qū)間。采用新型扁線電機(jī)，其最大轉(zhuǎn)速在1900r/min附近，系統(tǒng)最大持續(xù)輸出扭矩可達(dá)300Nm以上。

3.4控制一體化

上裝控制系統(tǒng)與底盤控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，取消上裝的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)顯示、操作、控制操縱臺(tái)。底盤匹配了15.6in的中控顯示屏，并運(yùn)用中控顯示一體化控制程序，集成洗掃車、壓縮式垃圾車等不同種類環(huán)衛(wèi)車的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)整車顯示、操作、控制等各項(xiàng)功能界面。通過集成界面選擇對(duì)應(yīng)車型，可以實(shí)現(xiàn)上裝作業(yè)各項(xiàng)動(dòng)作的一體化操控，并實(shí)時(shí)了解整車作業(yè)和運(yùn)行工況。傳統(tǒng)的上裝操控裝置如圖7所示，而控制一體化的操控界面如圖8所示。洗掃車的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)控制頁面如圖9所示，壓縮式垃圾車的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)控制頁面如圖10所示[4]。

4結(jié)論

開展純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車底盤與上裝一體化開發(fā)的總體設(shè)計(jì)與研究工作，在一定程度上扭轉(zhuǎn)了上裝只能被動(dòng)適應(yīng)底盤進(jìn)行改裝的局面。這一改變避免了上裝在打孔、切割、焊接等作業(yè)流程中可能引發(fā)的操作隱患、承載隱患及功能隱患等問題。同時(shí)，它減少了底盤資源的浪費(fèi)，降低了上裝的人工安裝成本，顯著提升了整車的生產(chǎn)效率及車輛品質(zhì)。通過高壓系統(tǒng)一體化、熱管理系統(tǒng)一體化以及控制一體化，實(shí)現(xiàn)了底盤與上裝的高度集成，使得整車的綜合能耗可提升20%以上，人機(jī)交互變得更加便捷、智能和高效。