純電動城市港口牽引車系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)勢

郭玉文 班金龍 沈聰 秦榮峰 包海斌 俞駿

1.上海環(huán)境物流有限公司 上海市 200063 2.上海格菱堡專用車有限公司 上海市 201802

1 引言

經(jīng)濟全球化促進港口等物流中心不斷發(fā)展擴大，港口牽引車作為港口重要的運輸機械，其需求量也持續(xù)攀升。但傳統(tǒng)牽引車在港口運行時工況惡劣、能耗高，不利于港口經(jīng)濟效益，且對港口所處城市造成嚴重污染[1]。近年來，各大汽車廠商也把目光聚焦于新能源純電領(lǐng)域。本文闡述的純電動港口牽引車是在傳統(tǒng)牽引車基礎(chǔ)之上，為其匹配一套由動力型鋰電池與超級電容組成的雙電系統(tǒng)。

2 純電動汽車的發(fā)展背景

19至21世紀，汽車的逐漸普及推動了全球經(jīng)濟的巨大發(fā)展，給世界各國人民帶來了極大的便利，促進了經(jīng)濟、軍事、科技、人文等各方面的發(fā)展。但同時伴隨著內(nèi)燃機汽車的種類及數(shù)量越來越多，來源于內(nèi)燃機汽車排放出的尾氣和噪聲污染嚴重影響了現(xiàn)代人的綠色生活[2]。目前新能源汽車主要有三種：混合動力汽車、純電動汽車及氫燃料電池車。混合動力汽車介于傳統(tǒng)汽車與純電動汽車之間，同時采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機和電動機作為動力源。氫燃料電池車是通過氫與氧化劑的作用將化學能轉(zhuǎn)化為電能，無機械損耗，然而此技術(shù)尚不成熟，還存在一定的安全隱患。純電動汽車作為新能源汽車的代表，具有環(huán)保、無污染、噪聲低、節(jié)能、能源來源多樣化、能量效率高等優(yōu)點，隨著技術(shù)的不斷完善，得到了越來越多的應(yīng)用。

3 純電動港口牽引車的優(yōu)勢

3.1 純電動牽引車的經(jīng)濟性

下表1為傳統(tǒng)柴油機牽引車與純電動牽引車行駛百公里消耗的能源對比：

由表1可知，傳統(tǒng)柴油機牽引車每百公里消耗價值約462元的柴油，而純電動牽引車只消耗約為90元的電費，從經(jīng)濟性角度看，純電動牽引車的使用成本遠小于傳統(tǒng)柴油機牽引車。

3.2 港口內(nèi)無需加設(shè)加油站，消除安全隱患

作為港口物流牽引車日常工作量大，需要大功率的車輛才能維持港口物流正常流動，若要使用一般的燃油車輛，將會消耗大量的燃油。而為了消除安全隱患，港口不允許設(shè)立加油站，且港口牽引車為特色車輛，是不可以駛?cè)肫胀ǖ缆返郊佑驼炯佑停@將會造成港口牽引車輛燃油供應(yīng)斷層，影響港口貨物正常流動。然而，使用純電動港口牽引車，無需擔心動力來源，只需給車輛充電，便可維持港口物流的正常流動。使用純電動港口牽引車，不僅解決了車輛動力來源問題，還保障了港口的安全。

3.3 能源效率高，來源多樣化

純電動汽車能源效率已超過汽油機汽車。特別是在城市運行，汽車走走停停，行駛速度不高，電動汽車更加適宜。電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中，電動機可自動轉(zhuǎn)化為發(fā)電機，實現(xiàn)制動減速時能量的再利用。另一方面，電動汽車的應(yīng)用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風力、潮汐等能源轉(zhuǎn)化。除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網(wǎng)均衡負荷，減少費用。

表1 傳統(tǒng)柴油機牽引車與純電動牽引車能耗對比

4 純電動港口牽引車的動力與控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 動力系統(tǒng)的設(shè)計

動力系統(tǒng)是純電動港口牽引車的源動力核心部分，其重要性等價于燃油車的發(fā)動機系統(tǒng)。在動力系統(tǒng)中實現(xiàn)了車輛的平穩(wěn)啟動與運行過程中的舒適性。從電氣控制的角度而言，是驅(qū)動過程中將多種變量進行有機的合成與算法控制，將驅(qū)動的過程始終運行在動力性能最優(yōu)、能耗最低的點。同時將制動過程中車輛的動能在車載控制器的指令下，完成動能向電能的轉(zhuǎn)換，并且將這個裝置得到的電能反饋送抵電堆系統(tǒng)，從而提高了車輛的制動減速度，降低了制動摩擦的磨損程度，減少了因制動而產(chǎn)生的摩擦分成，這一過程的實現(xiàn)充分體現(xiàn)了其環(huán)保節(jié)能的特征。

本系統(tǒng)中，電堆是由超級電容和動力型鋰電池所組成，這兩種不同的電能載體肩負著不同的任務(wù)，當有大電流大功率需要進行傳遞時，超級電容就是非常適用的載體，由于超級電容的能量密度較低，因此，在車輛的續(xù)航里程需要較大時，同時功率波動相對較小時，該能量分配管理系統(tǒng)就能進行合理適時的調(diào)整，以使形成最為合理的工況與之相匹配。當系統(tǒng)需要將它們進行有效地混合，就必須關(guān)注設(shè)計的理念和算法的支持。混合（電池+電容）電堆非常適合電動汽車所需的瞬間動力，采用了專門研發(fā)的耦合器和專用控制器，用以完成超級電容和蓄電池之間的切換。

4.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

本純電動港口牽引車系統(tǒng)采用超級電容與動力型鋰電池混合的方法，在控制系統(tǒng)核心算法的支持下，通過耦合器將超級電容和動力型鋰電池的能量進行優(yōu)化調(diào)度，具有動力性能優(yōu)、能量回收效果好等優(yōu)點，從而形成獨特的控制模式，此項應(yīng)用技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。

控制系統(tǒng)在電動汽車中完成一個最為核心的作用，其高速的輸入輸出功能和算法分析功能，將人機操縱與合理算法因子進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了運行中的過程優(yōu)化。

圖1 服務(wù)對象

如圖1所示，環(huán)保型混合超級電容控制系統(tǒng)利用了元器件、芯片級的設(shè)計組合而成，主核心部件采用了DSP數(shù)字處理器芯片，DSP的外部邏輯輔助控制電路采用了CPLD邏輯處理單元進行整合，所有單元的合成都采用了CAN光纖通訊的方式實現(xiàn)。

在本系統(tǒng)中，有低壓的人機操作部分、高壓的動力驅(qū)動系統(tǒng)、處于高頻載波干擾的變頻驅(qū)動裝置、以及由于車輛不能與大地相連產(chǎn)生的電荷集聚而產(chǎn)生的高壓對CAN本身的干擾。本系統(tǒng)中，對鏈接單元進行了特殊的處理。包括通訊電纜介質(zhì)的選取、干擾旁路的選擇等等。

控制器、顯示器、踏腳板，設(shè)計者都采用了自行設(shè)計的成果，采用了獨立的模塊結(jié)構(gòu)形式而成就，充分地與車載系統(tǒng)的需求緊密結(jié)合，這完全依照了電動汽車控制的功能需求，是由電動汽車的需求元素為最小單元而組成。

5 結(jié)語

新能源電動汽車是國家大力扶持的項目，它具有無需燃油作為動力來源、無污染，噪聲低、能源效率高，多樣化、充電速度快、結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便等特點，新能源電動汽車是市場發(fā)展的趨勢。港口作為物流的主要集散中心，港口牽引車是不可或缺的交通運輸工具，究其使用工況，電能是最理想的動力來源。對比傳統(tǒng)牽引車，純電動港口牽引車具有更加經(jīng)濟性、安全和環(huán)保等諸多優(yōu)勢。