純電動(dòng)洗掃車設(shè)計(jì)思路

李錚

石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 石家莊 050000

1 前言

新能源車輛作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)品，近幾年發(fā)展迅速，結(jié)合“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃”的指導(dǎo)思想和“十四五”期間對(duì)于新能源的發(fā)展規(guī)劃，零排放、無(wú)污染的新能源車輛成為當(dāng)下及未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。環(huán)衛(wèi)車作為公共領(lǐng)域的重點(diǎn)車輛，純電動(dòng)化驅(qū)動(dòng)方式必將勢(shì)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(dòng)洗掃車必然是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)車型。

2 主要設(shè)計(jì)思路

純電動(dòng)洗掃車目前面臨兩個(gè)主要問(wèn)題：a.作業(yè)能耗高，作業(yè)時(shí)間短，難以滿足全天候高負(fù)荷的作業(yè)需求；b.上裝在工作過(guò)程中，需要有風(fēng)機(jī)、高壓水泵等高能耗專用裝置，傳統(tǒng)燃油車型可隨時(shí)補(bǔ)充燃油，而純電動(dòng)車型充電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，若單次充電不能滿足用戶全天使用，用戶體驗(yàn)將會(huì)大打折扣。

因此如何設(shè)計(jì)純電動(dòng)洗掃車的驅(qū)動(dòng)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(jì)原則。

3 現(xiàn)狀分析

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)純電動(dòng)洗掃車的環(huán)衛(wèi)車企業(yè)多數(shù)采用的是單電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)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(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)在于成熟穩(wěn)定，上裝改動(dòng)較小，特別適合短期見(jiàn)效的項(xiàng)目使用。然而，風(fēng)機(jī)和水泵均通過(guò)皮帶傳動(dòng)，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(jī)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(jì)理念相違背的。傳統(tǒng)純電動(dòng)洗掃車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)純電動(dòng)洗掃車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

上裝電機(jī)的選擇也有別于底盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dá)到兩倍的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 某型號(hào)85 kW行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩特性

雖然峰值扭矩只是在短時(shí)間內(nèi)使用，但是電機(jī)廠家為了實(shí)現(xiàn)峰值參數(shù)達(dá)標(biāo)，會(huì)將電磁繞組進(jìn)行加強(qiáng)，電機(jī)的成本便會(huì)相應(yīng)提高。然而，上裝執(zhí)行元件不存在爬坡過(guò)載工況，因此，只需額定功率達(dá)標(biāo)即可。

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

圖3 某型號(hào)70 kW行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)外形參數(shù)

圖4 某型號(hào)120 kW上裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)外形及參數(shù)

4 實(shí)施方案

4.1 風(fēng)機(jī)及其控制系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)是洗掃車功耗最大的上裝部件，若想實(shí)現(xiàn)洗掃車節(jié)能化設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化是最重要步驟。風(fēng)機(jī)的全壓、功率和效率都是隨著風(fēng)量變化而變化的，這種變化就是風(fēng)機(jī)的性能曲線，如圖5所示。

圖5 某離心風(fēng)機(jī)特性曲線圖

該曲線一般可以通過(guò)風(fēng)機(jī)的樣本查到，但受到流動(dòng)損失的影響，一般曲線很不精準(zhǔn)，需要實(shí)際測(cè)定，但曲線的趨勢(shì)是不變的。風(fēng)機(jī)的特性決定了其效率會(huì)隨著使用工況的變化而變化，風(fēng)機(jī)在選擇過(guò)程中必須控制好工作點(diǎn)，工作點(diǎn)的選擇與整個(gè)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(fēng)機(jī)的壓力流量曲線（PtF－Qe）畫在同一坐標(biāo)系中，兩曲線的交點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)，如圖6所示。

要確保上述工作點(diǎn)的壓力與系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力一致，風(fēng)量滿足氣力輸送物料運(yùn)輸?shù)淖钚∫螅⑶以擖c(diǎn)應(yīng)處于風(fēng)機(jī)的最佳效率點(diǎn)范疇，即可視為風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)的匹配合理，如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇需要根據(jù)所選風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性曲線選擇，以保證風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)驅(qū)動(dòng)力需求處于電機(jī)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(dá)到降低能耗的目標(biāo)[3]。并且，風(fēng)機(jī)采用單電機(jī)直連方案（如圖7），可以省去中間傳動(dòng)過(guò)程中不必要的能量損失，永磁同步電機(jī)寬泛的高效區(qū)還能提供更多的風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)直驅(qū)方案

圖8 某型電機(jī)效率圖

4.2 高壓水路系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)

除了風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)均由副發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(jì)要比實(shí)際需求大，為了不浪費(fèi)水，通常還會(huì)設(shè)置高壓水溢流口，不但噪音提升，能耗也會(huì)大幅度的增加。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的水泵不存在上述問(wèn)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(shí)若疊加垃圾自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，車輛還可以根據(jù)不同路況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(fēng)機(jī)水泵動(dòng)力傳動(dòng)形式

圖10 水泵風(fēng)機(jī)分開驅(qū)動(dòng)形式

4.3 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上裝執(zhí)行元件多電機(jī)驅(qū)動(dòng)相較于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但散熱系統(tǒng)更為復(fù)雜。因上裝功率需求，一般風(fēng)機(jī)和水泵電機(jī)功率較大采取水冷電機(jī)，因此需要被動(dòng)散熱的部件包括風(fēng)機(jī)電機(jī)、水泵電機(jī)、電機(jī)控制器。散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合衡量各散熱部件的水阻及對(duì)散熱水量、進(jìn)出口水溫的需求，按多電機(jī)驅(qū)動(dòng)散熱系統(tǒng)需求示意如表1～3所示。

表1 水泵電機(jī)水冷參數(shù)

表2 風(fēng)機(jī)電機(jī)水冷參數(shù)

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

表3 電機(jī)控制器水冷參數(shù)

如果采用多個(gè)循環(huán)水泵不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也會(huì)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(jī)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(shí)沒(méi)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(yáng)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(huì)比較大，因此各散熱部件布置應(yīng)盡可能集中，縮短管路總長(zhǎng)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(jìn)行。

圖11 散熱系統(tǒng)推薦方案

通常電機(jī)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(jī)總功率的10%左右，可以根據(jù)實(shí)際使用工況作出相應(yīng)調(diào)整。散熱器一般需要配備電子風(fēng)扇，其控制需要根據(jù)散熱需求而定，當(dāng)冷卻液溫度較低時(shí)，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)或低速旋轉(zhuǎn)；當(dāng)溫度較高時(shí)，風(fēng)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(shí)，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(diǎn)和風(fēng)機(jī)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(diǎn)。

圖12 某型號(hào)散熱水泵外特性圖

5 結(jié)語(yǔ)

純電動(dòng)洗掃車的功能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的燃油車一致，但設(shè)計(jì)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(shí)間，才能提升用戶的實(shí)際體驗(yàn)。