純電動掃路車動力系統匹配設計與整車開發

薛占剛， 閻備戰

（1.傲藍得環境科技有限公司， 河南 鄭州 450016； 2.宇通客車股份有限公司， 河南 鄭州 450016）

0 引言

經過近20 年來的發展，國內環衛服務行業的道路清掃保潔，已經從過去的人工清掃完全實現了機械清掃，目前正在從基于傳統燃油車輛的機械清掃向基于新能源車輛的機械清掃。

由于傳統燃油掃路車， 主要在城市道路上進行低速作業，車輛除了需求有驅動行駛主發動機，還需要有驅動作業裝置的副發動機，兩個發動機低速行駛條件下，由于轉速和負荷低， 柴油機污染物的排放明顯差于高速行駛的車輛，所以在環衛服務中道路保潔車輛的新能源化，是實現節能減排的重要途徑。 因此開發純電動環衛車輛，是專用車行業亟待解決的問題。

傳統燃油環衛車輛，對油箱不需要專門的計算校核，但純電動環衛車輛的電池，除了電壓與電機的匹配計算，還需要按車輛的用途和電耗進行對電量的匹配計算。 因此， 本文重點探討純電動環衛車輛動力系統與電池系統在各種工況下的匹配計算方法， 并通過實際樣車的開發驗證這種匹配方法的可行性和合理性。

1 整車作業循環特征與性能指標要求

1.1 掃路車的典型作業循環工況

掃路車是指用于清除、 收集并運送路面垃圾塵土等污物的環衛專用車輛。 其主要用途是在行駛過程中對道路的清掃作業，同時在其他輔助時間，由于也需要在城市道路上行駛，還要有一定的動力性和經濟性。 典型的掃路車作業循環見表1。

表1 掃路車典型作業循環Tab.1 Typical running cycles of the road sweeper

掃路車的上裝系統，主要部件包括清掃系統、風機、吸嘴、垃圾箱、風道和過濾除塵裝置、氣力輸送系統等。 根據傳統燃油掃路車的開發與應用經驗，此類車輛在使用過程中，其上裝作業裝置需求功率通常大于行駛所需求的功率，所以純電動掃路車的開發中，對電池系統有很大挑戰。

1.2 整車性能指標要求

擬開發的純電動掃路車，基本參數見表2，動力性指標見表3。

表2 掃路車基本參數表Tab.2 Main parameters of the road sweeper

表3 動力性主要指標Tab.3 Dynamic performance index of the road sweeper

2 動力系統主要參數核算

2.1 動力系統功率與轉矩需求計算

純電動汽車整車總功率要求的確定原則與傳統汽車相似，都是根據整車的動力性 （最高車速、爬坡性能、加速性能）來確定。作業類專用車輛，其作業裝置的動力來源于上裝動力， 需要另外單獨設計， 因此只考慮整車動力指標即可。 整車驅動電機的峰值功率、 峰值扭矩是由爬坡性能指標決定，即只要滿足爬坡性指標，其它動力性指標也可滿足。驅動電機的額定功率必須滿足最高車速要求。

純電動掃路車的動力性指標包括最高車速vmax、v0-vm加速時間T（s）及最大爬坡要求imax（%）。

首先，最高車速vmax1需求的功率Pmax1，根據式（1）來計算確定：

式中：αmax=tan-1（imax）；vi—爬坡車速；r—輪胎滾動半徑；i0—后橋主減速比。

根據上述由動力性三項指標計算的各項工況的功率需求，電機的峰值功率Pmax必須滿足：

電機的峰值扭矩必須滿足：

電機的額定功率必須滿足：

根據整車基本參數及式（1）、（2）可求得滿足最高車速及加速時間功率需求Pmax1＝30.86kW，Pmax2＝31kW。

由于以上計算， 均是針對無坡度的平路最高功率需求，還需要考慮坡道行駛的需求功率。 因此，還要根據整車基本參數及式（3）、（4），計算不同爬坡度下的電機功率、電機扭矩需求，計算結果分別見表4、表5。

表4 不同坡度和車速下的電機功率需求Tab.4 Power in different rampway&velocity

表5 不同坡度和車速下的電機轉矩需求Tab.5 Torque in different rampway&velocity

由下面的公式（5）計算不同車速對應電機的電機轉速，用于確定電機的基速參數，計算結果見表6。

表6 不同車速對應的電機轉速（r/min）Tab.6 Motor speed in different velocity

式中ig—變速箱傳動比（由于本車型無變速箱，所以ig=1）。

電機基速選擇：當峰值轉矩一定，基速越大，其電機的峰值功率也越大，因此，按小基速并考慮電機高效區位置，電機基速ne選取如下：

ne=1000r/min

峰值扭矩的選取：考慮到留有一定余量，最大爬坡度按20%，爬坡車速按15km/h，根據表6 進行匹配，電機扭矩需求為：

Tmax=945.14Nm

峰值功率的選取：根據式（6）計算電機峰值功率，計算結果需同時滿足最大爬坡度、最高車速、加速時間功率需求：

計算可得峰值功率為Pmax=99.06kW。

電機額定功率及額定扭矩的選取： 電機的額定功率是指電機可以持續輸出的功率，對于電動汽車來說，其持續輸出功率的工況， 就是持續以最高車速行駛所需求的功率。根據整車性能指標中最高車速為80km/h，所以電機額定功率就是可以滿足最高車速的功率。 根據公式（1）可計算出電機額定功率Pe’＞30.86kW，根據公式（6）計算出的電機峰值功率P’max=99.06kW。結合電機產品型譜，適當圓整并使電機的額定功率適當留有冗余， 選取電機的額定功率50kW，峰值功率100kW。

2．1 初篩和復篩基本情況 調查發現，2006－2011年總出生人口數為29 698例，共篩查27 662例，初篩率為93．14%，初篩率逐年上升，年度間差異有統計學意義，P＜0．01）。初篩通過24 928例，通過率90．12%。應復篩2 734例，實際復篩1 644例，復篩率60．13%，復篩率逐年上升，年度間差異有統計學意義（χ2＝117．56，P＜0．01）。復篩通過1 413例，通過率85．95%。見表1。

2.2 動力系統轉速需求計算

電機最高轉速的選取： 根據最高車速80km/h 按式（5）計算電機的最高轉速：nmax=3464r/min。

2.3 動力系統參數確定

綜合以上計算，選取電機參數見表7。

表7 電機各項參數Tab.7 Motor parameters

3 動力電池系統方案設計

動力電池系統由于其電量需要分別給驅動行駛電機、上裝作業電機提供電能，所以需要對兩方面的電能需求進行核算，將兩者相加才能滿足使用需求，另外還需要考慮到電池系統放電深度不能把所用電量用盡。

3.1 續航里程對電池電量的需求計算

根據GB/T18386-2005《電動汽車 能量消耗率及續駛里程試驗方法》，整車續航里程按40km/h 等速考核評價，并有不同里程的要求。 采用上文中式（1），可求得40km/h等速行駛的功率需求P＝8.27kW， 再針對150、180、210、240km 等不同續航里程進行計算，計算結果見表8。

表8 不同續航里程需求電量表Tab.8 Battery energy for different endurance mileage

3.2 作業裝置對電池電量的需求計算

上裝系統消耗的功率，來自于風機和液壓油泵，因此需要對兩者的功率進行核算，并結合作業時長的需求，計算所需電量。

3.2.1 上裝風機功率

風機的功率，針對兩種不同擋位轉速進行核算，具體結果見表9。

表9 上裝風機功率計算表Tab.9 Calculation table of power for sweeper fan

3.2.2 液壓油泵功率

表10 上裝液壓泵功率計算表Tab.10 Calculation table of power for hydraulic pump

3.2.3 作業模式下的底盤驅動功率

作業模式下車輛的行駛速度一般為8km/h，消耗功率按前文中式（1）計算，可得P=1.25kW。

3.2.4 作業循環電耗根據上文的功率核算結果， 結合環

衛車輛的清掃作業模式， 一般每班清掃三遍（凌晨一遍4：00～6：00；上午一遍9：00～11：00；下午一遍2：00～4：00，交通高峰期不工作），計算結果見表11。

表11 掃路車典型作業循環Tab.11 Typical running cycles of the road sweeper

因此，為保證最大可能地滿足各類作業需求，按每班3 個作業循環， 且按強掃模式， 則最大耗電量需求為24.51×3=73.53kWh。

3.3 動力電池的衰減特性

本項目車型采用磷酸鐵鋰動力電池，此類電池容量隨充放電循環次數的增加會有一定的衰減，為了其衰減特性的測試結果見圖1。 考慮到電池需要與整車同壽命即8 年（約3000 次充放電）， 在車輛全生命周期內，電池衰減后的容量保持率為80%。

圖1 動力電池衰減特性曲線Fig.1 Attenuation curve of battery

3.4 總電量

根據車輛等速行駛續航里程的要求， 與每天兩次作業循環的要求，可知：

進一步考慮整車生命周期內電池衰減約80%，因此：

根據動力電池的成組參數，與總電量需求，選擇動力電池系統電量為92.24kWh。

4 結論

本文結合一款新能源純電動環衛掃路車的開發，探索了作業類車輛純電動力系統的計算校核方法， 特別是結合車輛的實際使用過程中的功率與電量需求， 進行了動力電池系統電量計算方法的探索， 并最終完成了整車的開發，結果表明各項指標達到了設計目標要求。

整車開發完成后，樣車的測試結果表明，整車的續航里程達到了設計目標要求。 產品批量上市后，滿足了各類用戶使用過程中的續航里程需求。 表明了此方法的合理性與可行性。