純電動洗掃車動力系統的參數匹配

張彥明

(遠大汽車制造有限公司，河北 衡水 053500)

0 前言

隨著能源和環境危機的加劇，很多公司和學者較早地對純電動環衛車輛進行了研究，但是在目前電池技術條件下，相比于傳統燃油車輛，有限的作業時間和高昂電池成本仍然制約著純電動環衛車輛的發展[1]。因此，合理設計純電動環衛車輛的動力系統顯得尤為重要，本文以獨立自主研發的純電動洗掃車為研究對象，對其動力系統參數進行參數設計，同時對樣車進行試驗及數據分析，為純電動環衛車輛動力系統上裝電機的選型提供參考。

1 純電動洗掃車動力系統基本結構

純電動洗掃車動力系統主要由上裝電機、電機控制器、傳動裝置及上裝控制系統等組成，其構成如圖1所示。

圖1 純電動洗掃車動力系統構成

現有的上裝電機驅動負載方式有3種型式，單電機、雙電機和三單機型式，如圖2所示。

圖2 上裝電機驅動型式

單電機驅動負載，結構簡單，節省空間，電機控制相對簡單且成本較低，但不容易實現負載單獨控制當電機啟動后，3個負載會同時工作，若實現獨立控制，需要增加離合器控制負載的啟停。雙電機驅動負載，實現了油泵的單獨控制，在進行液壓系統操作時，只需啟動油泵電機即可，提高了整個系統的工作效率。三電機驅動負載，每個電機都需要獨立的控制器，雖然實現了各負載的單獨工作，但所需的空間大，控制相對復雜，成本較高。本文將對單電機驅動負載的純電動洗掃車動力系統進行研究。

2 動力系統各部件功率的計算

純電動洗掃車動力系統主要部件包括上裝電機、風機、水泵、液壓油泵等。純電動洗掃車的作業狀態有標準作業和強力洗掃作業模式，所對應的上裝電機轉速分別為1650r/min和1850r/min。關于風機、水泵、油泵的參數選擇和選型很多學者都進行了長期研究，本文的選型是基于市場成熟的傳統燃油洗掃車的配置方案進行功率匹配計算，至于具體的部件選型原則本文不再贅述。

2.1 風機功率的計算

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

式中ηm為傳動效率，皮帶傳動取ηm=0.92，η為風機效率，根據風機特性取值η=0.9，計算得風機所需最大功率46.12kW。若進行單電機控制，可選擇功率為50～55kW的電機。

2.2 水泵功率的計算

水泵用于實現路面的清洗功能，本文采用某品牌的高壓柱塞泵，流量為Q2=137L/min，系統設定壓力p水=6MPa，則所需功率P水max為：

式中ηn為功率系數，取值0.95，計算得水泵所需功率為14.42kW。若進行單電機控制，可選擇功率為20kW的電機。

2.3 油泵功率的計算

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

Q3=v·nηv·10-3

式中n為轉速，取1850r/min，ηv為泵的容積效率，取0.9，ηt為功率系數取0.85，計算得所需功率為5.12kW。若進行單電機控制，可選擇功率為7.5kW的電機。

2.4 上裝電機功率的確定

本文純電動洗掃車上裝動力系統采用單電機驅動，則上裝電機功率P應滿足以下關系式：

P≥K(P風max+P水maxP油max)

式中K為電機安全系數，取值1.2，計算得P≥78.79kW，故選擇電機功率Pj=80kW，額定轉速2000r/min，根據該電機的特性曲線圖，得知其在1850r/min時可輸出功率為78kW，在1650r/min時可輸出功率為69kW，滿足使用要求。

3 樣車試驗數據分析

為驗證純電動洗掃車動力系統參數匹配是否合理，首先要了解各部件在各種工況下的功率情況，其方法是電機控制器的CAN總線采集各個工況下電機的輸出功率情況[2]。

在全洗掃模式，即風機、水泵、油泵同時工作的情況下，電機功率輸出如表1所示。

表1 全洗掃工況電機功率輸出

在干掃模式，即風機、油泵工作，水泵不工作的情況下，電機功率輸出如表2所示。

表2 干掃工況電機功率輸出

在清洗模式，即風機、水泵工作，油泵不工作的情況下，電機功率輸出如表3所示。

表3 清洗工況電機功率輸出

全洗掃模式下的最大功率為56kW左右，和設計功率80kW，有較大的差距，原因有2點：一是在全洗掃作業模式下，油泵和水泵都未在最大設定壓力狀態下工作，只有當液壓系統和水路系統的系統壓力達到設定的最高壓力值時才會出現相對應的最大功率，所以風機、水泵、油泵的最大功率消耗不會在同一工況下同時出現；二是洗掃車運行工況穩定，因此無需預留一定比例的富余上裝功率。綜上原因，我們將電機選擇公式里面的電機安全系數K=1.2修正為K=1，則我們可選擇60kW以上的風機即可滿足使用要求。

4 結語

動力系統是純電動洗掃車的重要部件，其功率匹配是整車設計的基礎。本文首先對純電動洗掃車上裝動力系統的傳動方式進行了介紹，然后根據動力系統各部件的參數計算，為動力系統上裝電機功率的選擇提供了理論基礎，最后根據樣車的試驗數據分析，對前期電機的選擇進行了修正優化，為以后純電動洗掃車上裝電機的選型及動力參數匹配提供了一定的設計參考。