張彥明

(遠(yuǎn)大汽車制造有限公司，河北 衡水 053500)

0 前言

隨著能源和環(huán)境危機(jī)的加劇，很多公司和學(xué)者較早地對(duì)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車輛進(jìn)行了研究，但是在目前電池技術(shù)條件下，相比于傳統(tǒng)燃油車輛，有限的作業(yè)時(shí)間和高昂電池成本仍然制約著純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車輛的發(fā)展[1]。因此，合理設(shè)計(jì)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)顯得尤為重要，本文以獨(dú)立自主研發(fā)的純電動(dòng)洗掃車為研究對(duì)象，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)樣車進(jìn)行試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，為純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車輛動(dòng)力系統(tǒng)上裝電機(jī)的選型提供參考。

1 純電動(dòng)洗掃車動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)洗掃車動(dòng)力系統(tǒng)主要由上裝電機(jī)、電機(jī)控制器、傳動(dòng)裝置及上裝控制系統(tǒng)等組成，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)洗掃車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)有的上裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載方式有3種型式，單電機(jī)、雙電機(jī)和三單機(jī)型式，如圖2所示。

圖2 上裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)型式

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省空間，電機(jī)控制相對(duì)簡(jiǎn)單且成本較低，但不容易實(shí)現(xiàn)負(fù)載單獨(dú)控制當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，3個(gè)負(fù)載會(huì)同時(shí)工作，若實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，需要增加離合器控制負(fù)載的啟停。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了油泵的單獨(dú)控制，在進(jìn)行液壓系統(tǒng)操作時(shí)，只需啟動(dòng)油泵電機(jī)即可，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。三電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，每個(gè)電機(jī)都需要獨(dú)立的控制器，雖然實(shí)現(xiàn)了各負(fù)載的單獨(dú)工作，但所需的空間大，控制相對(duì)復(fù)雜，成本較高。本文將對(duì)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的純電動(dòng)洗掃車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 動(dòng)力系統(tǒng)各部件功率的計(jì)算

純電動(dòng)洗掃車動(dòng)力系統(tǒng)主要部件包括上裝電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、液壓油泵等。純電動(dòng)洗掃車的作業(yè)狀態(tài)有標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)和強(qiáng)力洗掃作業(yè)模式，所對(duì)應(yīng)的上裝電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1650r/min和1850r/min。關(guān)于風(fēng)機(jī)、水泵、油泵的參數(shù)選擇和選型很多學(xué)者都進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，本文的選型是基于市場(chǎng)成熟的傳統(tǒng)燃油洗掃車的配置方案進(jìn)行功率匹配計(jì)算，至于具體的部件選型原則本文不再贅述。

2.1 風(fēng)機(jī)功率的計(jì)算

風(fēng)機(jī)裝置是純電動(dòng)洗掃車動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件，風(fēng)機(jī)性能的好壞直接影響洗掃效果和清掃效率。本文的純電動(dòng)洗掃車選擇轉(zhuǎn)速2700r/min，流量Q1=4.44m3/s，風(fēng)機(jī)全壓p風(fēng)=8600Pa的離心式通風(fēng)機(jī)，則其所需的最大功率P風(fēng)max為：

式中ηm為傳動(dòng)效率，皮帶傳動(dòng)取ηm=0.92，η為風(fēng)機(jī)效率，根據(jù)風(fēng)機(jī)特性取值η=0.9，計(jì)算得風(fēng)機(jī)所需最大功率46.12kW。若進(jìn)行單電機(jī)控制，可選擇功率為50～55kW的電機(jī)。

2.2 水泵功率的計(jì)算

水泵用于實(shí)現(xiàn)路面的清洗功能，本文采用某品牌的高壓柱塞泵，流量為Q2=137L/min，系統(tǒng)設(shè)定壓力p水=6MPa，則所需功率P水max為：

式中ηn為功率系數(shù)，取值0.95，計(jì)算得水泵所需功率為14.42kW。若進(jìn)行單電機(jī)控制，可選擇功率為20kW的電機(jī)。

2.3 油泵功率的計(jì)算

液壓油泵為上裝的箱體舉升、馬達(dá)旋轉(zhuǎn)、后門開啟和吸盤升降等提供動(dòng)力。本文的純電動(dòng)洗掃車選用的齒輪油泵，排量v=10ml/r，設(shè)定液壓系統(tǒng)最高壓力p油=16MPa，則所需的功率P油max為：

Q3=v·nηv·10-3

式中n為轉(zhuǎn)速，取1850r/min，ηv為泵的容積效率，取0.9，ηt為功率系數(shù)取0.85，計(jì)算得所需功率為5.12kW。若進(jìn)行單電機(jī)控制，可選擇功率為7.5kW的電機(jī)。

2.4 上裝電機(jī)功率的確定

本文純電動(dòng)洗掃車上裝動(dòng)力系統(tǒng)采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則上裝電機(jī)功率P應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

P≥K(P風(fēng)max+P水maxP油max)

式中K為電機(jī)安全系數(shù)，取值1.2，計(jì)算得P≥78.79kW，故選擇電機(jī)功率Pj=80kW，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，根據(jù)該電機(jī)的特性曲線圖，得知其在1850r/min時(shí)可輸出功率為78kW，在1650r/min時(shí)可輸出功率為69kW，滿足使用要求。

3 樣車試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證純電動(dòng)洗掃車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配是否合理，首先要了解各部件在各種工況下的功率情況，其方法是電機(jī)控制器的CAN總線采集各個(gè)工況下電機(jī)的輸出功率情況[2]。

在全洗掃模式，即風(fēng)機(jī)、水泵、油泵同時(shí)工作的情況下，電機(jī)功率輸出如表1所示。

表1 全洗掃工況電機(jī)功率輸出

在干掃模式，即風(fēng)機(jī)、油泵工作，水泵不工作的情況下，電機(jī)功率輸出如表2所示。

表2 干掃工況電機(jī)功率輸出

在清洗模式，即風(fēng)機(jī)、水泵工作，油泵不工作的情況下，電機(jī)功率輸出如表3所示。

表3 清洗工況電機(jī)功率輸出

全洗掃模式下的最大功率為56kW左右，和設(shè)計(jì)功率80kW，有較大的差距，原因有2點(diǎn)：一是在全洗掃作業(yè)模式下，油泵和水泵都未在最大設(shè)定壓力狀態(tài)下工作，只有當(dāng)液壓系統(tǒng)和水路系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定的最高壓力值時(shí)才會(huì)出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的最大功率，所以風(fēng)機(jī)、水泵、油泵的最大功率消耗不會(huì)在同一工況下同時(shí)出現(xiàn)；二是洗掃車運(yùn)行工況穩(wěn)定，因此無(wú)需預(yù)留一定比例的富余上裝功率。綜上原因，我們將電機(jī)選擇公式里面的電機(jī)安全系數(shù)K=1.2修正為K=1，則我們可選擇60kW以上的風(fēng)機(jī)即可滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力系統(tǒng)是純電動(dòng)洗掃車的重要部件，其功率匹配是整車設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文首先對(duì)純電動(dòng)洗掃車上裝動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)方式進(jìn)行了介紹，然后根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)各部件的參數(shù)計(jì)算，為動(dòng)力系統(tǒng)上裝電機(jī)功率的選擇提供了理論基礎(chǔ)，最后根據(jù)樣車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)前期電機(jī)的選擇進(jìn)行了修正優(yōu)化，為以后純電動(dòng)洗掃車上裝電機(jī)的選型及動(dòng)力參數(shù)匹配提供了一定的設(shè)計(jì)參考。