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(chē)股份有限公司， 河南 鄭州 450016）

0 引言

經(jīng)過(guò)近20 年來(lái)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)環(huán)衛(wèi)服務(wù)行業(yè)的道路清掃保潔，已經(jīng)從過(guò)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(chē)輛的機(jī)械清掃向基于新能源車(chē)輛的機(jī)械清掃。

由于傳統(tǒng)燃油掃路車(chē)， 主要在城市道路上進(jìn)行低速作業(yè)，車(chē)輛除了需求有驅(qū)動(dòng)行駛主發(fā)動(dòng)機(jī)，還需要有驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置的副發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)發(fā)動(dòng)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(chē)輛，所以在環(huán)衛(wèi)服務(wù)中道路保潔車(chē)輛的新能源化，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。 因此開(kāi)發(fā)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)輛，是專用車(chē)行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)燃油環(huán)衛(wèi)車(chē)輛，對(duì)油箱不需要專門(mén)的計(jì)算校核，但純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)輛的電池，除了電壓與電機(jī)的匹配計(jì)算，還需要按車(chē)輛的用途和電耗進(jìn)行對(duì)電量的匹配計(jì)算。 因此， 本文重點(diǎn)探討純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)與電池系統(tǒng)在各種工況下的匹配計(jì)算方法， 并通過(guò)實(shí)際樣車(chē)的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證這種匹配方法的可行性和合理性。

1 整車(chē)作業(yè)循環(huán)特征與性能指標(biāo)要求

1.1 掃路車(chē)的典型作業(yè)循環(huán)工況

掃路車(chē)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(chē)輛。 其主要用途是在行駛過(guò)程中對(duì)道路的清掃作業(yè)，同時(shí)在其他輔助時(shí)間，由于也需要在城市道路上行駛，還要有一定的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 典型的掃路車(chē)作業(yè)循環(huán)見(jiàn)表1。

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

掃路車(chē)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(guò)濾除塵裝置、氣力輸送系統(tǒng)等。 根據(jù)傳統(tǒng)燃油掃路車(chē)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，此類車(chē)輛在使用過(guò)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(dòng)掃路車(chē)的開(kāi)發(fā)中，對(duì)電池系統(tǒng)有很大挑戰(zhàn)。

1.2 整車(chē)性能指標(biāo)要求

擬開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)掃路車(chē)，基本參數(shù)見(jiàn)表2，動(dòng)力性指標(biāo)見(jiàn)表3。

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

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

2 動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)核算

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)功率與轉(zhuǎn)矩需求計(jì)算

純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)總功率要求的確定原則與傳統(tǒng)汽車(chē)相似，都是根據(jù)整車(chē)的動(dòng)力性 （最高車(chē)速、爬坡性能、加速性能）來(lái)確定。作業(yè)類專用車(chē)輛，其作業(yè)裝置的動(dòng)力來(lái)源于上裝動(dòng)力， 需要另外單獨(dú)設(shè)計(jì)， 因此只考慮整車(chē)動(dòng)力指標(biāo)即可。 整車(chē)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力性指標(biāo)也可滿足。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率必須滿足最高車(chē)速要求。

純電動(dòng)掃路車(chē)的動(dòng)力性指標(biāo)包括最高車(chē)速vmax、v0-vm加速時(shí)間T（s）及最大爬坡要求imax（%）。

首先，最高車(chē)速vmax1需求的功率Pmax1，根據(jù)式（1）來(lái)計(jì)算確定：

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

根據(jù)上述由動(dòng)力性三項(xiàng)指標(biāo)計(jì)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(chē)基本參數(shù)及式（1）、（2）可求得滿足最高車(chē)速及加速時(shí)間功率需求Pmax1＝30.86kW，Pmax2＝31kW。

由于以上計(jì)算， 均是針對(duì)無(wú)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(chē)基本參數(shù)及式（3）、（4），計(jì)算不同爬坡度下的電機(jī)功率、電機(jī)扭矩需求，計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5。

表4 不同坡度和車(chē)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(chē)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(jì)算不同車(chē)速對(duì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同車(chē)速對(duì)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(dòng)比（由于本車(chē)型無(wú)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(chē)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

峰值功率的選取：根據(jù)式（6）計(jì)算電機(jī)峰值功率，計(jì)算結(jié)果需同時(shí)滿足最大爬坡度、最高車(chē)速、加速時(shí)間功率需求：

計(jì)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(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，其持續(xù)輸出功率的工況， 就是持續(xù)以最高車(chē)速行駛所需求的功率。根據(jù)整車(chē)性能指標(biāo)中最高車(chē)速為80km/h，所以電機(jī)額定功率就是可以滿足最高車(chē)速的功率。 根據(jù)公式（1）可計(jì)算出電機(jī)額定功率Pe’＞30.86kW，根據(jù)公式（6）計(jì)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(jì)學(xué)意義，P＜0．01）。初篩通過(guò)24 928例，通過(guò)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(jì)學(xué)意義（χ2＝117．56，P＜0．01）。復(fù)篩通過(guò)1 413例，通過(guò)率85．95%。見(jiàn)表1。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速需求計(jì)算

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

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)確定

綜合以上計(jì)算，選取電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表7。

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

3 動(dòng)力電池系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池系統(tǒng)由于其電量需要分別給驅(qū)動(dòng)行駛電機(jī)、上裝作業(yè)電機(jī)提供電能，所以需要對(duì)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(duì)電池電量的需求計(jì)算

根據(jù)GB/T18386-2005《電動(dòng)汽車(chē) 能量消耗率及續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，整車(chē)?yán)m(xù)航里程按40km/h 等速考核評(píng)價(jià)，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(duì)150、180、210、240km 等不同續(xù)航里程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(duì)電池電量的需求計(jì)算

上裝系統(tǒng)消耗的功率，來(lái)自于風(fēng)機(jī)和液壓油泵，因此需要對(duì)兩者的功率進(jìn)行核算，并結(jié)合作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的需求，計(jì)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(duì)兩種不同擋位轉(zhuǎn)速進(jìn)行核算，具體結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 上裝風(fēng)機(jī)功率計(jì)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(jì)算表Tab.10 Calculation table of power for hydraulic pump

3.2.3 作業(yè)模式下的底盤(pán)驅(qū)動(dòng)功率

作業(yè)模式下車(chē)輛的行駛速度一般為8km/h，消耗功率按前文中式（1）計(jì)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(chē)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 掃路車(chē)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(gè)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(dòng)力電池的衰減特性

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

圖1 動(dòng)力電池衰減特性曲線Fig.1 Attenuation curve of battery

3.4 總電量

根據(jù)車(chē)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(chē)生命周期內(nèi)電池衰減約80%，因此：

根據(jù)動(dòng)力電池的成組參數(shù)，與總電量需求，選擇動(dòng)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(dòng)環(huán)衛(wèi)掃路車(chē)的開(kāi)發(fā)，探索了作業(yè)類車(chē)輛純電動(dòng)力系統(tǒng)的計(jì)算校核方法， 特別是結(jié)合車(chē)輛的實(shí)際使用過(guò)程中的功率與電量需求， 進(jìn)行了動(dòng)力電池系統(tǒng)電量計(jì)算方法的探索， 并最終完成了整車(chē)的開(kāi)發(fā)，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

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