李錚

石家莊煤礦機械有限責任公司 石家莊 050000

1 前言

新能源車輛作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)品，近幾年發(fā)展迅速，結(jié)合“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)行動計劃”的指導思想和“十四五”期間對于新能源的發(fā)展規(guī)劃，零排放、無污染的新能源車輛成為當下及未來的發(fā)展重點。環(huán)衛(wèi)車作為公共領(lǐng)域的重點車輛，純電動化驅(qū)動方式必將勢在必行，洗掃車更是環(huán)衛(wèi)車中道路清掃的主力軍。因此，純電動洗掃車必然是未來發(fā)展的重點車型。

2 主要設(shè)計思路

純電動洗掃車目前面臨兩個主要問題：a.作業(yè)能耗高，作業(yè)時間短，難以滿足全天候高負荷的作業(yè)需求；b.上裝在工作過程中，需要有風機、高壓水泵等高能耗專用裝置，傳統(tǒng)燃油車型可隨時補充燃油，而純電動車型充電時間相對較長，若單次充電不能滿足用戶全天使用，用戶體驗將會大打折扣。

因此如何設(shè)計純電動洗掃車的驅(qū)動系統(tǒng)尤為關(guān)鍵，除了可靠性因素需要考慮之外，降低能耗是最重要的設(shè)計原則。

3 現(xiàn)狀分析

目前國內(nèi)生產(chǎn)純電動洗掃車的環(huán)衛(wèi)車企業(yè)多數(shù)采用的是單電機驅(qū)動風機和高壓水泵型式，靠皮帶傳輸不同執(zhí)行元件，與傳統(tǒng)燃油車輛一致。這種傳動方式優(yōu)點在于成熟穩(wěn)定，上裝改動較小，特別適合短期見效的項目使用。然而，風機和水泵均通過皮帶傳動，在排除外界皮帶漲緊等不利因素前提下，能量損失約5%，即使電機效率是在95%的高效段，總的效率也只有90%左右，這顯然與增加作業(yè)續(xù)航里程的設(shè)計理念相違背的。傳統(tǒng)純電動洗掃車傳動結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)純電動洗掃車傳動結(jié)構(gòu)

上裝電機的選擇也有別于底盤的驅(qū)動電機，行走驅(qū)動電機一般注重爬坡性能，峰值扭矩和額定扭矩相差較大，通常能達到兩倍的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 某型號85 kW行走驅(qū)動電機扭矩特性

雖然峰值扭矩只是在短時間內(nèi)使用，但是電機廠家為了實現(xiàn)峰值參數(shù)達標，會將電磁繞組進行加強，電機的成本便會相應提高。然而，上裝執(zhí)行元件不存在爬坡過載工況，因此，只需額定功率達標即可。

在滿足上述原則之下，選取的上裝驅(qū)動電機體積更小，價格更低，產(chǎn)品更具競爭力。如圖3為70 kW行走驅(qū)動電機的外形及參數(shù)，圖4為120 kW上裝驅(qū)動電機的外形及參數(shù)。兩相比較可以看出，兩款電機體積及自質(zhì)量接近，價格也接近，但顯然后者更適合上裝執(zhí)行元件的驅(qū)動，可以帶來更大的驅(qū)動扭矩。

圖3 某型號70 kW行走驅(qū)動電機外形參數(shù)

圖4 某型號120 kW上裝驅(qū)動電機外形及參數(shù)

4 實施方案

4.1 風機及其控制系統(tǒng)

風機是洗掃車功耗最大的上裝部件，若想實現(xiàn)洗掃車節(jié)能化設(shè)計，風機驅(qū)動優(yōu)化是最重要步驟。風機的全壓、功率和效率都是隨著風量變化而變化的，這種變化就是風機的性能曲線，如圖5所示。

圖5 某離心風機特性曲線圖

該曲線一般可以通過風機的樣本查到，但受到流動損失的影響，一般曲線很不精準，需要實際測定，但曲線的趨勢是不變的。風機的特性決定了其效率會隨著使用工況的變化而變化，風機在選擇過程中必須控制好工作點，工作點的選擇與整個氣力輸送系統(tǒng)有關(guān)，需要控制系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力，如果將系統(tǒng)管網(wǎng)阻力、流量曲線（Pe－Qe） 與風機的壓力流量曲線（PtF－Qe）畫在同一坐標系中，兩曲線的交點即為風機的實際工作點，如圖6所示。

要確保上述工作點的壓力與系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力一致，風量滿足氣力輸送物料運輸?shù)淖钚∫?，并且該點應處于風機的最佳效率點范疇，即可視為風機與系統(tǒng)的匹配合理，如圖6所示。

圖6 風機工作點

風機驅(qū)動電機的選擇需要根據(jù)所選風機的負載特性曲線選擇，以保證風機的實際工作點驅(qū)動力需求處于電機的高效區(qū)內(nèi)，這樣在既能滿足清掃效果的前提下，又能達到降低能耗的目標[3]。并且，風機采用單電機直連方案（如圖7），可以省去中間傳動過程中不必要的能量損失，永磁同步電機寬泛的高效區(qū)還能提供更多的風機轉(zhuǎn)速供選擇（如圖8），可以匹配不同的路況，以滿足不同的用戶需求。

圖7 風機直驅(qū)方案

圖8 某型電機效率圖

4.2 高壓水路系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)

除了風機和箱體吸嘴等構(gòu)成的氣力輸送系統(tǒng)外，影響洗掃車清掃效果的最大因素是高壓水路系統(tǒng)。高壓水路系統(tǒng)是由高壓水泵、若干噴嘴以及控制水流開閉的閥塊組成。傳統(tǒng)的燃油車型由于高壓水泵和風機均由副發(fā)動機驅(qū)動，因此速比是固定的，不能根據(jù)作業(yè)需求切換。

傳統(tǒng)的驅(qū)動形式（如圖9），難以全面滿足用戶不同工況下的高壓水需求，大多數(shù)的情況是系統(tǒng)水量設(shè)計要比實際需求大，為了不浪費水，通常還會設(shè)置高壓水溢流口，不但噪音提升，能耗也會大幅度的增加。獨立驅(qū)動的水泵不存在上述問題，可以按工況由用戶自由選擇水泵轉(zhuǎn)速，自由配比，杜絕了溢流損失，同時若疊加垃圾自動識別系統(tǒng)，車輛還可以根據(jù)不同路況實現(xiàn)自動調(diào)整工作模式，為智能環(huán)衛(wèi)作出鋪墊，如圖10所示。

圖9 傳統(tǒng)風機水泵動力傳動形式

圖10 水泵風機分開驅(qū)動形式

4.3 散熱系統(tǒng)設(shè)計

上裝執(zhí)行元件多電機驅(qū)動相較于單電機驅(qū)動雖然有諸多的優(yōu)點，但散熱系統(tǒng)更為復雜。因上裝功率需求，一般風機和水泵電機功率較大采取水冷電機，因此需要被動散熱的部件包括風機電機、水泵電機、電機控制器。散熱系統(tǒng)設(shè)計需要綜合衡量各散熱部件的水阻及對散熱水量、進出口水溫的需求，按多電機驅(qū)動散熱系統(tǒng)需求示意如表1～3所示。

表1 水泵電機水冷參數(shù)

表2 風機電機水冷參數(shù)

從表3可以看出，由于電機控制器的結(jié)構(gòu)復雜，散熱需求較高，其內(nèi)部水道復雜，阻力較大。電機的阻力相對而言要小很多。

表3 電機控制器水冷參數(shù)

如果采用多個循環(huán)水泵不僅結(jié)構(gòu)復雜，成本也會提升。因此，較為合理的方式為采用單循環(huán)水泵，各散熱部件串聯(lián)或并聯(lián)布置。由于電機和控制器本身的水阻不同，所需要的流量也不同，并聯(lián)的布置方式雖然能保證水溫處于合理的范疇，但需要更大的流量，同時沒有分流閥的情況下也很難保證所有部件都能得到所需的散熱水量。相較而言，串聯(lián)形式顯然更適合多部件的共同散熱，疊加所有的需要散熱的部件水阻力作為水泵揚程的主要依據(jù)。但是，由于散熱水管一般采用橡膠軟管材質(zhì)，沿程阻力損失會比較大，因此各散熱部件布置應盡可能集中，縮短管路總長度，減少壓力損失，并將該壓力損失疊加到系統(tǒng)壓力中。系統(tǒng)流量只要滿足最大水量需求即可，可采用圖11的方式進行。

圖11 散熱系統(tǒng)推薦方案

通常電機及控制器系統(tǒng)總效率在90%以上，因此散熱器散熱功率一般在裝機總功率的10%左右，可以根據(jù)實際使用工況作出相應調(diào)整。散熱器一般需要配備電子風扇，其控制需要根據(jù)散熱需求而定，當冷卻液溫度較低時，風扇停轉(zhuǎn)或低速旋轉(zhuǎn)；當溫度較高時，風扇全速旋轉(zhuǎn)。

除了散熱器，影響散熱系統(tǒng)的還有散熱水泵。散熱水泵選取時，需要綜合系統(tǒng)的壓力和最大的流量需求，一般散熱水泵為離心水泵，水泵的工作點和風機類似，確定系統(tǒng)需求后參照水泵的外特性圖選擇合適水泵，并確保處于較高效率點。

圖12 某型號散熱水泵外特性圖

5 結(jié)語

純電動洗掃車的功能實現(xiàn)與傳統(tǒng)的燃油車一致，但設(shè)計思路卻存在差別，需要更多的考慮節(jié)能性。需要從氣力輸送系統(tǒng)出發(fā)，源頭上降低能源消耗。各執(zhí)行元件的配合也要更加合理，減小能源損失，提升連續(xù)作業(yè)時間，才能提升用戶的實際體驗。