考慮空間約束的港口用牽引車電動化及性能分析

聶孟穩(wěn)，楊坤,2,劉吉順, 馬超 , 王杰,譚樹梁

(1. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東意威汽車科技有限公司 電控部，山東 淄博 255000；3.江蘇悅達(dá)集團(tuán)有限公司 電控部，江蘇 鹽城 224002；4.一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院 中重型開發(fā)一部，吉林 長春 130011)

在我國，港口運(yùn)輸不斷發(fā)展，牽引車在港口運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用[1]，但其在港口應(yīng)用中存在行駛速度低、載荷變化大、怠速時間較長的問題，這導(dǎo)致燃油牽引車運(yùn)行時燃油利用率低、排放高，增加了能源消耗，加劇了環(huán)境污染。牽引車電動化后具有零排放、工作效率高、噪音低、能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。純電動牽引車作業(yè)時牽引質(zhì)量較大，根據(jù)JT/T 1056—2016[3]中5.8.2.7規(guī)定，動力電池組容量應(yīng)保證牽引車正常工作8 h，基于港口牽引車運(yùn)行工況，牽引車電動化時所匹配電池組容量大。大容量電池組不但會大大增加整車質(zhì)量，而且其本身體積較大，參考傳統(tǒng)燃油車結(jié)構(gòu)，電池組安裝位置有駕駛室后側(cè)和車架。由于作業(yè)時牽引車與半掛車之間存在前仰、后傾和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動，因此牽引車和半掛車之間的相對空間位置是變化的。從空間和安全的角度出發(fā)，要考慮半掛車與電池組之間的干涉，對牽引車作業(yè)時空間約束進(jìn)行分析，保證電池組安全。

本文以純電動牽引車為研究對象，對其在洋山港的運(yùn)行工況進(jìn)行分析，并對電機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配；基于半掛牽引車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、作業(yè)特點(diǎn)和相關(guān)規(guī)定[5-6]，得到半掛牽引車作業(yè)時電池組空間約束，并提出固定電池組與可換電池組結(jié)合使用的電池組方案；建立洋山港牽引車運(yùn)行工況，利用AVL CRUISE搭建純電動牽引車模型，對其動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并對雙集中式驅(qū)動橋方案和單電機(jī)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比。

1 純電動牽引車基礎(chǔ)車型指標(biāo)及驅(qū)動方案

1.1 純電動牽引車基礎(chǔ)車型指標(biāo)和性能指標(biāo)

本文研究對象為用于港口運(yùn)輸?shù)?×4牽引車，基于傳統(tǒng)燃油牽引車的整車參數(shù)和性能指標(biāo)得到的純電動牽引車基礎(chǔ)車型指標(biāo)和性能指標(biāo)見表 1。

表1 基礎(chǔ)車型指標(biāo)和性能指標(biāo)Tab.1 Basic vehicle index and performance index

1.2 驅(qū)動方案

純電動牽引車現(xiàn)有驅(qū)動方案有單電機(jī)方案、輪轂電機(jī)方案、輪邊電機(jī)方案等[7]。本文提出一種雙集中式電驅(qū)動橋方案，如圖1所示。將電機(jī)、變速器、車橋集成在一起，結(jié)構(gòu)緊湊，減少了中間傳動損耗，傳動效率高。兩個集中式驅(qū)動橋的電機(jī)不但能為整車運(yùn)行提供足夠的功率，且在牽引車低速行駛時效率較高。

圖1 集中式電驅(qū)動橋方案Fig.1 Centralized electric drive bridge solution

2 純電動牽引車動力系統(tǒng)匹配

2.1 運(yùn)行工況分析

各港口的牽引車運(yùn)行工況差異很大，而運(yùn)行工況直接決定了動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配。洋山港位于杭州灣長江口外的崎嶇列島，洋山港的牽引車運(yùn)行工況主要有3種：港內(nèi)工況、海鐵聯(lián)運(yùn)工況和周圍省市運(yùn)輸工況，其中海鐵聯(lián)運(yùn)工況與港內(nèi)工況運(yùn)行路線都比較固定，有利于牽引車電能補(bǔ)充，更適合純電動牽引車的推廣使用；因此，本文以洋山港為例，對純電動牽引車動力系統(tǒng)開展研究。

1)港內(nèi)工況

在港口內(nèi)，牽引車運(yùn)行路線為運(yùn)輸船和堆場箱區(qū)之間，港口內(nèi)限速30 km/h，在裝卸集裝箱時，牽引車需要等待5～16 min；因此，牽引車每小時可拖集裝箱3～4次[7]。在自然作業(yè)時，純電動牽引車動力電池組一次充電需要滿足70.5 km的續(xù)航里程。

2)海鐵聯(lián)運(yùn)工況

洋山港海鐵聯(lián)運(yùn)工況路線為洋山港和蘆潮港集裝箱中心站之間，牽引車將集裝箱運(yùn)輸至蘆潮港集裝箱中心站，再利用鐵路運(yùn)輸將集裝箱運(yùn)送至中西部地區(qū)。兩港之間由東海大橋連接，東海大橋限速80 km/h，兩地距離約為39.1 km，基于JT/T 1056—2016相關(guān)規(guī)定，將續(xù)航里程匹配為120 km。

2.2 電機(jī)匹配

2.2.1 電機(jī)運(yùn)行功率匹配

根據(jù)道路限速要求，將牽引車最高車速匹配目標(biāo)定為vmax=80 km/h；根據(jù)JT/T 880—2013[8]中規(guī)定，牽引車的最大爬坡度不低于15%，本文取imax=15%；由于牽引車主要在港口內(nèi)進(jìn)行啟停，因此牽引車由靜止加速至30 km/h的加速時間t對牽引車更重要，本文取t=15 s[2-4,9-10]。

根據(jù)最高車速、最大爬坡度和加速時間分別匹配電機(jī)功率，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ηt為傳動系統(tǒng)機(jī)械效率，ηt=0.85；M為列車總質(zhì)量，M=48 500 kg；f為滾動阻力系數(shù)，f=0.012；CD為空氣阻力系數(shù)，CD=0.7；A為迎風(fēng)面積，A=8.6 m2；vmax為牽引車目標(biāo)最高車速，vmax=80 km/h；imax為牽引車最大爬坡度，imax=15%；vc為牽引車爬坡車速，vc=5 km/h；δ為純電動牽引車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，δ=1.15；t為加速時間，t=15 s；x為擬合系數(shù)，x=0.5；vt為加速末速度，vt=30 km/h[7,9-11]。

根據(jù)式(1)—式(3)計算得，Pe≥196.7 kW，Pmax≥210.6 kW。

2.2.2 電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩匹配

傳統(tǒng)燃油牽引車變速器1擋時最大輪邊轉(zhuǎn)矩多在70 000～110 000 N·m，本文將純電動牽引車變速器1擋時最大輪邊轉(zhuǎn)矩定為85 000 N·m，則電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為

(4)

式中:T1為變速器1擋時輪邊轉(zhuǎn)矩,T1=85 000 N·m；ig1為變速器1擋速比,ig1=7.04；i0為輪邊減速橋速比,i0=3.7[9]。

2.2.3 電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速匹配

電機(jī)動力經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞至車輪，為保證電機(jī)在車輛高速行駛時效率較高，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為

(5)

式中:ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；ig6為變速器6擋速比,ig6=0.74；r為車輪滾動半徑，r=0.552 m；其他符號同上文。

本文所采用的雙集中式電驅(qū)動橋方案需要兩個電機(jī)驅(qū)動[12]，通過對電機(jī)功率、最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速的匹配，所選永磁同步電機(jī)參數(shù)見表 2，電機(jī)特性曲線如圖 2所示。

表 2 永磁同步電機(jī)參數(shù)Tab. 2 Integrated motor parameters

圖2 電機(jī)特性曲線Fig.2 Characteristic curves of motor

2.3 動力電池組分析

動力電池組作為純電動牽引車上唯一的能量源，電池組的容量決定純電動牽引車的續(xù)航里程。隨著國家對電動車補(bǔ)貼退坡，安裝大容量固定電池組將導(dǎo)致整車成本過高；而且，不同工況下所需電池組容量不同，配備大容量固定電池組會增加整車質(zhì)量，對純電動牽引車的動力性和經(jīng)濟(jì)性造成影響。基于牽引車在洋山港的運(yùn)行工況，本文采用固定電池組與可換電池組相結(jié)合使用的方案。

2.3.1 電池組空間約束分析

參考如圖 3所示的燃油牽引車結(jié)構(gòu)圖，電池組可以安裝的位置有①處的駕駛室后側(cè)、②處的車架縱梁兩側(cè)以及③處的車架橫梁之間。①和②處有足夠的空間安裝電池組，③處受橫梁和電機(jī)影響，所剩空間較小，由于純電動牽引車電池組體積較大，因此③處不安裝電池組。

圖3 燃油牽引車結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of fuel tractor

由于牽引車在作業(yè)時會遇到如圖 4(a)所示集裝箱前仰和如圖 4(b)所示集裝箱旋轉(zhuǎn)的工況，駕駛室后側(cè)空間和車架縱梁兩側(cè)空間受所配合半掛車影響；因此，應(yīng)對掛車進(jìn)行運(yùn)動分析，得到空間約束，并基于空間約束，對電池組進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證電池組不會受到掛車的運(yùn)動干涉，以確保其安全。

(a)集裝箱前仰 (b)集裝箱旋轉(zhuǎn)圖 4 牽引車作業(yè)時極限工況Fig.4 Extreme working conditions during tractor operation

GB 1589—2016和GB/ T 20070—2006中規(guī)定，半掛車前部回轉(zhuǎn)半徑不大于2 040 mm，前俯角不大于6°，后仰角不大于7°，牽引連接裝置應(yīng)滿足半掛車?yán)@牽引銷中心左右轉(zhuǎn)動90°以上。

基于如圖3 所示的牽引車結(jié)構(gòu)和表 3所示的半掛車參數(shù)，建立牽引車-半掛車(含集裝箱)模型，并對模型進(jìn)行運(yùn)動分析。集裝箱前側(cè)空間掃掠結(jié)果如圖 5(a)所示，半掛車(含集裝箱)與牽引車駕駛室后側(cè)距離最近時相對位置尺寸如圖 5(b)所示，由此可得到駕駛室后側(cè)電池組設(shè)計安裝的空間約束。車架縱梁兩側(cè)電池組安裝位置在車架上平面之下，牽引車與半掛車之間的相對運(yùn)動不會對其造成干涉,因此車架縱梁兩側(cè)電池組不會受到掛車干涉。

表3 骨架式半掛車參數(shù)Tab.3 Parameters of skeleton semi-trailer

(a)掃掠圖 (b)極限尺寸圖5 牽引車-半掛車運(yùn)動模型Fig.5 Tractor-semi-trailer motion model

2.3.2 電池組結(jié)構(gòu)分析

針對純電動牽引車在洋山港的兩種運(yùn)行工況， 根據(jù)式(6)，分別計算港內(nèi)工況和海鐵聯(lián)運(yùn)工況所需電池組能量，結(jié)果見表 4。

(6)

式中：L為牽引車?yán)m(xù)航里程；vh為運(yùn)行工況下最高車速；SOCmin為電池組最小放電SOC, SOCmin=20%；Ph為車速vh時電機(jī)運(yùn)行功率；Pimax為用電附件峰值功率；ηb為動力電池組放電效率，ηb=0.94。

表 4 不同工況下電池組匹配Tab. 4 Battery pack matching under different operating conditions

目前，動力電池單體封裝方式主要有圓柱形、方形硬殼和鋁塑膜軟包3種，圓柱形封裝以鋼殼為主，工藝成熟、生產(chǎn)效率高、制造成本低、安全性高。考慮到純電動牽引車電池組容量大，基于成本和安全性，本文選用一款32700圓柱形磷酸鐵鋰單體電池組成純電動牽引車電池組，其參數(shù)見表5。

表5 32700磷酸鐵鋰單體電池參數(shù)Tab.5 32700 lithium iron phosphate single cell parameters

基于電池包互換性、電池組匹配容量，固定電池組和可更換電池組容量都匹配為148.48 kW·h。為方便電池組更換，將可更換電池組安裝在牽引車駕駛室后面，如圖 3所示的①處，固定電池組安裝在車架兩側(cè)，如圖3所示的②處。

基于電池組安裝的空間約束，對單體電池成組方案進(jìn)行設(shè)計，以避免牽引車作業(yè)時電池組與半掛車之間發(fā)生干涉，保證電池組安全。

如圖 6(a)所示，將29個單體電池進(jìn)行并聯(lián)[13-15]，形成一個小電池組。如圖 6(b)所示,每層布置10個小電池組，相鄰小電池組中單體電池方向相反，40個小電池組組成一個128 V、145 AH的小電池包，長寬高為605 mm×511 mm×332 mm。如圖6(c)所示，固定電池組選用8個小電池包，將4個小電池包串聯(lián)，成為一組，長寬高為1 029 mm×605 mm×674 mm，將兩組電池分別置于車架兩側(cè)，將其并聯(lián)，容量為148.48 kW·h。如圖 6(d)所示,可更換電池組選用8個小電池包，將8個小電池包串聯(lián)，容量為148.48 kW·h，長寬高為2 450 mm×511 mm×674 mm。對比圖 5(b)中電池組約束空間極限尺寸與表 1中基礎(chǔ)車型數(shù)據(jù)可知，可更換電池組尺寸滿足空間約束要求，且長度尺寸滿足牽引車車寬尺寸限制。

(a)小電池組 (b)小電池包

3 仿真模型搭建及性能驗(yàn)證

本文中6×4純電動牽引車驅(qū)動軸為第二軸與第三軸，電機(jī)動力經(jīng)變速器、差速器和輪邊減速器傳遞至車輪。按照圖1所示驅(qū)動方案，利用AVL CRUISE軟件搭建純電動牽引車模型，并將表 1中牽引車參數(shù)輸入AVL CRUISE軟件中，對其動力性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。GB/T 12840—2011中規(guī)定，對中重型商用車經(jīng)濟(jì)性采用中國重型商用車瞬態(tài)循環(huán)(C-WTVC，China-World transient vehicle cycle)工況進(jìn)行仿真，據(jù)此建立洋山港牽引車運(yùn)行工況，對牽引車在港口工況與C-WTVC工況下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真。同時，對雙集中式電驅(qū)動橋方案和市場上常見的單電機(jī)方案經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真對比。

3.1 整車動力性仿真

在AVL CRUISE中分別建立最高車速、加速時間、最大爬坡度的計算任務(wù)，滿載工況下對整車動力性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見表6。

表6 動力性仿真結(jié)果Tab. 6 Dynamic simulation results

3.2 整車經(jīng)濟(jì)性仿真

基于洋山港牽引車作業(yè)特點(diǎn)和重型商用車循環(huán)工況建立方法，分別建立牽引車港口內(nèi)運(yùn)行工況和海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)行工況。

洋山港泊位箱區(qū)示意圖如圖 7所示。在港口前沿，牽引車裝載集裝箱，并將集裝箱運(yùn)輸至箱區(qū)存放， 然后空載返回港口前沿。作業(yè)時牽引車質(zhì)量變化大，因此需要分別建立滿載和空載工況。

圖 7 泊位箱區(qū)示意圖Fig.7 Schematic diagram of berth box area

在作業(yè)過程中，牽引車經(jīng)歷了加速、勻速、減速、轉(zhuǎn)彎、停車等工況，根據(jù)洋山港實(shí)際情況，建立牽引車港內(nèi)運(yùn)行循環(huán)工況。純電動牽引車港口運(yùn)行工況如圖 8所示。滿載工況時，牽引車最高運(yùn)行車速為20 km/h， 車輛起步速度加速至20 km/h，轉(zhuǎn)彎時速度降低至10 km/h，在臨至目標(biāo)箱區(qū)時車輛制動，等待卸貨。空載工況時，牽引車最高運(yùn)行車速為30 km/h，車輛起步速度加速至30 km/h，轉(zhuǎn)彎速度為10 km/h，在臨至裝貨區(qū)域時車輛制動，等待裝貨。

圖8 港口運(yùn)行工況Fig.8 Port operating conditions

海鐵聯(lián)運(yùn)工況中，牽引車經(jīng)東海大橋行駛于洋山港和蘆潮港集裝箱中心站之間。滿載工況時，牽引車最高運(yùn)行車速為60 km/h，在紅綠燈處進(jìn)行制動減速，并怠速30 s。空載工況時，牽引車最高運(yùn)行車速為80 km/h。

基于雙集中式電驅(qū)動橋的設(shè)計方案，純電動牽引車工作模式分為單個電機(jī)工作與雙電機(jī)同時工作，控制策略流程如圖 9所示。當(dāng)需求功率不大于單個電機(jī)功率時，只有單個集成電機(jī)驅(qū)動橋工作，以提高電機(jī)效率，減少能源消耗。

圖9 控制策略流程圖Fig.9 Control strategy flow chart

分別在港口內(nèi)工況、海鐵聯(lián)運(yùn)工況、C-WTVC工況下對牽引車經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見表7。基于2.1中對牽引車運(yùn)行工況的分析可知，本文所匹配電池組容量能夠滿足洋山港工況需求。

表 7 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果Tab. 7 Economic simulation results

電機(jī)在0～250 s中各工況輸出轉(zhuǎn)矩如圖 10所示。牽引車在港內(nèi)工況(滿載)運(yùn)行時，單個電機(jī)可以滿足工況功率需求，因此只需單個電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，電機(jī)在6.82 s時輸出最大轉(zhuǎn)矩為1 620.9 N·m，此時牽引車變速器擋位為2擋，電機(jī)轉(zhuǎn)速為938.9 r/min；牽引車在海鐵聯(lián)運(yùn)工況(滿載)下運(yùn)行時，需要雙電機(jī)提供動力，電機(jī)在48.2 s時輸出最大轉(zhuǎn)矩為1 099.2 N·m，此時變速器擋位為4擋，轉(zhuǎn)速為1 328 r/min。結(jié)合圖 11所示的電機(jī)輸出功率圖可知，牽引車在滿載加速時，港口內(nèi)工況中電機(jī)最大功率為159.3 kW，海鐵聯(lián)運(yùn)工況中單個電機(jī)最大功率為152.9 kW。同時，牽引車在海鐵聯(lián)運(yùn)工況(滿載)下運(yùn)行至最高車速60 km/h時，單個電機(jī)輸出功率61.2 kW,而在港內(nèi)工況(滿載)運(yùn)行至最高車速20 km/h時電機(jī)輸出功率為35.6 kW。牽引車滿載時，由于載質(zhì)量相同，根據(jù)能量守恒定律，港內(nèi)工況和海鐵聯(lián)運(yùn)工況百公里耗電量差異并不大，空載工況時同理。

圖11 電機(jī)輸出功率Fig.11 Motor output power

3.3 兩種方案經(jīng)濟(jì)性對比

在AVL CRUISE中建立單電機(jī)串聯(lián)變速器純電動牽引車模型，電機(jī)參數(shù)見表8。

表8 單電機(jī)參數(shù)Tab. 8 Single motor parameters

在港口內(nèi)工況中分別運(yùn)行雙集中式電驅(qū)動橋方案和單電機(jī)方案的純電動牽引車模型，仿真結(jié)果見表9。

表 9 經(jīng)濟(jì)性對比仿真結(jié)果Tab. 9 Economic comparison of simulation results

4 結(jié)束語

本文以純電動牽引車為研究對象，根據(jù)整車參數(shù)和設(shè)計指標(biāo)，對牽引車電機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了匹配；針對作業(yè)時牽引車與半掛車之間的空間位置是變化的情況，基于半掛牽引車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、作業(yè)特點(diǎn)和相關(guān)規(guī)定，分析得到了對電池組的空間約束條件，并根據(jù)不同工況的特點(diǎn)，提出了固定電池組與可換電池組結(jié)合使用的電池組方案，參考傳統(tǒng)燃油牽引車的結(jié)構(gòu)，對電池組安裝位置進(jìn)行了分析，并根據(jù)電池組空間約束條件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；利用AVL CRUISE軟件搭建純電動牽引車模型，建立了港口牽引車運(yùn)行工況，對整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真分析。對雙集中式電驅(qū)動橋方案和單電機(jī)方案純經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，在港口內(nèi)工況下滿載和空載時，雙集中式電驅(qū)動橋方案分別節(jié)能1.11%和0.63%。