純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)方案

趙金寶

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車是一種節(jié)能環(huán)保的新能源汽車，不僅可以實(shí)現(xiàn)清運(yùn)垃圾，同時(shí)還可以緩解能源和環(huán)境污染問題，電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車在城市居民日常生活中占據(jù)了重要地位。市場(chǎng)上的純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車，動(dòng)/力平臺(tái)大多延續(xù)傳統(tǒng)作業(yè)車輛，主要采用主副電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)行駛和作業(yè)機(jī)構(gòu)，由于主副電機(jī)工作工況不同，存在較大的功率冗余，影響整車效率，未能有效發(fā)揮純電驅(qū)動(dòng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 研究對(duì)象

本文以某款8.5噸壓縮式純電動(dòng)垃圾車為研究對(duì)象，整車基本參數(shù)如表1所示。

表1 車型基本參數(shù)表

結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)營工況，所要求的動(dòng)力性指標(biāo)有30分鐘最高車速≥100 km/h；最大爬坡度≥ 35%；0～50 km/h加速時(shí)間≤12 s；續(xù)駛里程≥250 km。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 當(dāng)前主流方案構(gòu)型

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為純電動(dòng)商用車動(dòng)力平臺(tái)的核心，其構(gòu)型歷來是相關(guān)機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)。目前，國內(nèi)外純電動(dòng)商用車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一般分為集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩類。集中式驅(qū)動(dòng)，主要有電機(jī)直驅(qū)和電機(jī)加變速箱兩種結(jié)構(gòu)；分布式驅(qū)動(dòng)，主要有輪轂電機(jī)+減速器、輪邊電機(jī)+減速器、輪轂電機(jī)等型式三種構(gòu)型方式。

不同構(gòu)型系統(tǒng)優(yōu)劣點(diǎn)對(duì)比如圖1所示。

目前市場(chǎng)上在售的純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車，多采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與后橋連接做為動(dòng)力輸入，直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛，清掃/垃圾作業(yè)等裝置的動(dòng)力源，則由搭載的獨(dú)立作業(yè)電機(jī)提供。

圖1 不同系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)劣點(diǎn)對(duì)比

針對(duì)以上構(gòu)型的優(yōu)缺點(diǎn)分析及當(dāng)前市場(chǎng)應(yīng)用情況，研發(fā)一種覆蓋作業(yè)和運(yùn)輸用途，且具有多種工作模式的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)新構(gòu)型。新構(gòu)型動(dòng)力系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)車輛行駛/作業(yè)解耦、雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)、單電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)或獨(dú)立作業(yè)等不同的模式，通過兩個(gè)電機(jī)高效區(qū)的互補(bǔ)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)換擋無動(dòng)力中斷和驅(qū)動(dòng)/作業(yè)電機(jī)可分離控制，來提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)功率的冗余。

2.2 新構(gòu)型選取

針對(duì)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車種類繁多、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成度差、綜合效率低的問題，基于純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車工作原理，以及行星排功率耦合與分流的特性，論文中所研究的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體構(gòu)型方案，采用雙電機(jī)分別通過平行軸變速箱和行星排，進(jìn)行動(dòng)力耦合的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)新構(gòu)型。

鑒于不同的連接方式，此結(jié)構(gòu)可行成不同的構(gòu)型方案，在構(gòu)型設(shè)計(jì)的過程中，主要形成的構(gòu)型方案如圖2所示。

方案（a）工作模式設(shè)計(jì)為中低速行駛，采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在一擋/二擋擋位工作，作業(yè)電機(jī)不參與工作，太陽輪制動(dòng)器分離，太陽輪 與行星架（拖動(dòng)作業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)）自由轉(zhuǎn)動(dòng)；高速或大爬坡度行駛，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)二擋或一擋工作，作業(yè)電機(jī)工作，參與驅(qū)動(dòng)，太陽輪制動(dòng)；行駛過程同步作業(yè)模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一擋工作，車輛低速行駛，太陽輪制動(dòng)器分離，作業(yè)電機(jī)用于作業(yè)。

圖2 過程構(gòu)型方案

方案（b）工作模式設(shè)計(jì)為中速與低速行駛，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一擋或者二擋工作，作業(yè)電機(jī)不參與工作，行星架制動(dòng)器分離，太陽輪（拖動(dòng)作業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)）與行星架自由轉(zhuǎn)動(dòng)；高速或大爬坡度行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與作業(yè)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)二擋或者一擋工作，行星架制動(dòng)，作業(yè)電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)；行駛同時(shí)作業(yè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一擋驅(qū)動(dòng)車輛低速行駛，行星架制動(dòng)器分離，作業(yè)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置作業(yè)。

方案（c）工作模式設(shè)計(jì)為低速與中速行駛，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一擋或者二擋工作，作業(yè)電機(jī)不參與工作，行星架制動(dòng)器分離，太陽輪（拖動(dòng)作業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)）與行星架自由轉(zhuǎn)動(dòng)；高速或大爬坡度行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與作業(yè)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)二擋或者一擋工作，行星架制動(dòng)，作業(yè)電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)；行駛同時(shí)作業(yè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一擋驅(qū)動(dòng)車輛低速行駛，行星架制動(dòng)器分離，作業(yè)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置作業(yè)。

方案（d）工作模式設(shè)計(jì)為中低速行駛，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一擋（行星架鎖止）或二擋工作，變速箱空擋，作業(yè)電機(jī)不工作；高速或者大爬坡度行駛，雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)二擋或者一擋工作，變速箱一擋，作業(yè)電機(jī)工作；邊行駛邊作業(yè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一擋工作，行星架鎖止，車輛低速行駛，變速箱空擋，作業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置工作。

鑒于（a）方案鎖止太陽輪，作業(yè)電機(jī)需要低速大扭矩，致使電機(jī)細(xì)長，工藝性差，且轉(zhuǎn)速與使用需求匹配不當(dāng)，需要更改為鎖止行星架；（b）方案、（c）方案的行星架鎖止以及制動(dòng)需求扭矩大，約為2 200 Nm，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，結(jié)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)；（d）方案控制齒圈和行星架的鎖止機(jī)構(gòu)較大，存在結(jié)構(gòu)工藝性差，不易制造，可靠性差等問題與不足。

進(jìn)而設(shè)計(jì)了如圖3所示的構(gòu)型方案，鎖止機(jī)構(gòu)鎖止行星架，實(shí)現(xiàn)整車對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的需求。該構(gòu)型采用行星排連接2AMT結(jié)構(gòu)，當(dāng)變速箱結(jié)合套掛在Ⅰ位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)端齒輪通過從動(dòng)輪①連接傳動(dòng)齒輪，動(dòng)力由齒圈輸出，此時(shí)處于變速箱的一擋；當(dāng)變速箱結(jié)合套在Ⅱ位置，從動(dòng)輪①②空轉(zhuǎn)，動(dòng)力不輸出，為空擋；當(dāng)結(jié)合套掛在Ⅲ位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)端齒輪通過從動(dòng)輪②連接傳動(dòng)齒輪，通過齒圈進(jìn)行動(dòng)力輸出，此時(shí)速比關(guān)系為變速箱的二擋。

作業(yè)裝置可通過氣壓離合器與作業(yè)電機(jī)端齒輪伸出軸相連，作業(yè)電機(jī)端齒輪通過從動(dòng)輪③和行星架連接齒圈、太陽輪進(jìn)行動(dòng)力輸出。行星排結(jié)合套在兩個(gè)位置，分別用于對(duì)行星架的鎖止或分離，Ⅳ位置鎖止行星架與變速箱殼體，Ⅴ位置將行星架與殼體分離。

當(dāng)氣壓離合器分離時(shí)，行星排結(jié)合套位于Ⅳ 位置，行星排結(jié)合套鎖止，作業(yè)電機(jī)端齒輪通過從動(dòng)輪③與太陽輪連接，動(dòng)力最終由齒圈輸出，動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和作業(yè)電機(jī)共同提供；當(dāng)氣壓離合器結(jié)合，行星排的結(jié)合套在Ⅴ位置，行星排與結(jié)合套分離，行星架和太陽輪空轉(zhuǎn)，行駛動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，作業(yè)裝置由作業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖3 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型圖

2.3 新構(gòu)型工作模式

此構(gòu)型共有六種工作模式，如表2所示。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)工作模式表

模式一和模式二狀態(tài)，行星架分離，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，作業(yè)電機(jī)不工作，車輛只行駛不作業(yè)，此時(shí)變速箱在一擋或二擋。

模式三和模式四狀態(tài)，行星架鎖止，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與作業(yè)電機(jī)同時(shí)工作，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，作業(yè)裝置不工作，此時(shí)變速箱為一擋或二擋。

模式五狀態(tài)，行星架分離，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不工作，作業(yè)電機(jī)可驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置，車輛原地作業(yè)。

模式六狀態(tài)，行星架分離，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，同時(shí)作業(yè)電機(jī)為作業(yè)裝置提供動(dòng)力，車輛邊行駛邊作業(yè)。

3 參數(shù)匹配

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配，包括雙電機(jī)性能參數(shù)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比和動(dòng)力電池參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算與匹配。

基于純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車整車參數(shù)和動(dòng)力性能指標(biāo)，以整車動(dòng)力性要求為輸入，匹配電機(jī)的持續(xù)功率和峰值功率，獲取動(dòng)力系統(tǒng)總功率需求。依據(jù)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車運(yùn)行工況進(jìn)行參數(shù)匹配與優(yōu)化設(shè)計(jì)，并考慮冗余小、通用化程度高等因素，以此來匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)和作業(yè)電機(jī)峰值、額定功率、轉(zhuǎn)矩及最高轉(zhuǎn)速、變速箱各擋速比等參數(shù)，最終的參數(shù)匹配結(jié)果如表3所示。

表3 整車關(guān)鍵部件匹配參數(shù)表

4 整車模型建立

本文基于Matlab/Simulink，搭建純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型和能量流向，建立六自由度動(dòng)力學(xué)模型。

整車控制器是車輛動(dòng)力學(xué)的核心，此模塊設(shè)計(jì)制動(dòng)力矩分配策略或驅(qū)動(dòng)力矩分配策略，并根據(jù)滑移率控制踏板開度；駕駛員模型能夠模擬駕駛員駕駛，使用PI控制方法跟隨目標(biāo)工況；輪胎模型采用“魔術(shù)公式”方法建立，描述輪胎分力與車輪運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系；車體模型包括車輛橫擺角位移、側(cè)向位移、縱向位移3個(gè)自由度。

車體數(shù)學(xué)模型如下

車輪模型，車輪坐標(biāo)系中橫向以與車輪前進(jìn)方向垂直的左邊為正，垂向以豎直向上為正，縱向以車輪前進(jìn)方向?yàn)檎?/p>

車輪數(shù)學(xué)模型為

路面模型，將路面模型簡(jiǎn)化為滾動(dòng)阻力系數(shù)、路面坡度和附著系數(shù)三個(gè)輸入量，搭建仿真模型，即

5 仿真分析

世界統(tǒng)一的重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)（China- World Transient Vehicle Cycle, C-WTVC）， 0～900 s為市區(qū)部分，901 s～1 368 s為公路部分，1 369 s～1 800 s為高速部分。由于純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車只在市區(qū)和公路工況中運(yùn)行，本文選取的仿真工況為前1 368 s的工況。

在運(yùn)行過程中，純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的總需求轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化情況，純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車動(dòng)力電池芯片級(jí)系統(tǒng)（System on Chip, SOC）變化。在整個(gè)循環(huán)工況下，SOC變化平緩，在某些時(shí)段內(nèi)，有小幅度上升的趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 運(yùn)行過程中扭矩及SOC變化曲線

基于平行軸變速箱與行星排集成的多模高效電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型，采用雙電機(jī)高效區(qū)互補(bǔ)設(shè)計(jì)，換擋無動(dòng)力中斷，驅(qū)動(dòng)/作業(yè)電機(jī)可分離，可實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的耦合驅(qū)動(dòng)、單電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/作業(yè)、行駛與作業(yè)解耦等多種工作模式，一套動(dòng)力系統(tǒng)可滿足運(yùn)輸和作業(yè)兩種用途的使用需求，可降低系統(tǒng)功率及轉(zhuǎn)矩冗余，提高系統(tǒng)效率。

該動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型可組合多種行駛、作業(yè)，以及行駛+作業(yè)的工作如下：

模式一：驅(qū)動(dòng)電機(jī)1擋單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；

模式二：驅(qū)動(dòng)電機(jī)2擋單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；

模式三：驅(qū)動(dòng)電機(jī)1擋+作業(yè)電機(jī)；

模式四：驅(qū)動(dòng)電機(jī)1擋+作業(yè)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)；

模式五：驅(qū)動(dòng)電機(jī)2擋+作業(yè)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。

不同行駛模式下，純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車爬坡曲線如圖5（a）所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在變速箱1擋和作業(yè)電機(jī)耦合工作時(shí)，最大爬坡度超過35%。

圖5 動(dòng)力性曲線圖

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在1擋且和作業(yè)電機(jī)耦合工作時(shí)，此時(shí)加速最快，純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車仿真加速曲線如圖5（b）所示，0～50 km/h加速時(shí)間小于10 s。

整車的經(jīng)濟(jì)性仿真基于等速法與工況法（C-WTVC）進(jìn)行，結(jié)果如表4所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在變速箱1擋和作業(yè)電機(jī)耦合工作時(shí)，最大爬坡 度可超過35%，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1擋和作業(yè)電機(jī)耦合工作時(shí)，加速時(shí)間約為6.1 s，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)達(dá)到了要求，證明新構(gòu)型電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配的有效性。

表4 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車仿真結(jié)果

6 結(jié)論

本文從分析當(dāng)前純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車構(gòu)型，主要存在系統(tǒng)集成度差、綜合能效低等問題。基于此提出了一種基于平行軸變速箱與行星排集成的多模高效電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)新構(gòu)型。通過分析對(duì)比該構(gòu)型的不同連接方式，最終確定方案，用一套動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)滿足運(yùn)輸和作業(yè)兩種用途的使用需求，同時(shí)還降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率和轉(zhuǎn)矩冗余并提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。仿真分析也證明了各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性。