純電動城市港口牽引車系統設計及優勢

郭玉文 班金龍 沈聰 秦榮峰 包海斌 俞駿

1.上海環境物流有限公司 上海市 200063 2.上海格菱堡專用車有限公司 上海市 201802

1 引言

經濟全球化促進港口等物流中心不斷發展擴大，港口牽引車作為港口重要的運輸機械，其需求量也持續攀升。但傳統牽引車在港口運行時工況惡劣、能耗高，不利于港口經濟效益，且對港口所處城市造成嚴重污染[1]。近年來，各大汽車廠商也把目光聚焦于新能源純電領域。本文闡述的純電動港口牽引車是在傳統牽引車基礎之上，為其匹配一套由動力型鋰電池與超級電容組成的雙電系統。

2 純電動汽車的發展背景

19至21世紀，汽車的逐漸普及推動了全球經濟的巨大發展，給世界各國人民帶來了極大的便利，促進了經濟、軍事、科技、人文等各方面的發展。但同時伴隨著內燃機汽車的種類及數量越來越多，來源于內燃機汽車排放出的尾氣和噪聲污染嚴重影響了現代人的綠色生活[2]。目前新能源汽車主要有三種：混合動力汽車、純電動汽車及氫燃料電池車?；旌蟿恿ζ嚱橛趥鹘y汽車與純電動汽車之間，同時采用傳統的內燃機和電動機作為動力源。氫燃料電池車是通過氫與氧化劑的作用將化學能轉化為電能，無機械損耗，然而此技術尚不成熟，還存在一定的安全隱患。純電動汽車作為新能源汽車的代表，具有環保、無污染、噪聲低、節能、能源來源多樣化、能量效率高等優點，隨著技術的不斷完善，得到了越來越多的應用。

3 純電動港口牽引車的優勢

3.1 純電動牽引車的經濟性

下表1為傳統柴油機牽引車與純電動牽引車行駛百公里消耗的能源對比：

由表1可知，傳統柴油機牽引車每百公里消耗價值約462元的柴油，而純電動牽引車只消耗約為90元的電費，從經濟性角度看，純電動牽引車的使用成本遠小于傳統柴油機牽引車。

3.2 港口內無需加設加油站，消除安全隱患

作為港口物流牽引車日常工作量大，需要大功率的車輛才能維持港口物流正常流動，若要使用一般的燃油車輛，將會消耗大量的燃油。而為了消除安全隱患，港口不允許設立加油站，且港口牽引車為特色車輛，是不可以駛入普通道路到加油站加油，這將會造成港口牽引車輛燃油供應斷層，影響港口貨物正常流動。然而，使用純電動港口牽引車，無需擔心動力來源，只需給車輛充電，便可維持港口物流的正常流動。使用純電動港口牽引車，不僅解決了車輛動力來源問題，還保障了港口的安全。

3.3 能源效率高，來源多樣化

純電動汽車能源效率已超過汽油機汽車。特別是在城市運行，汽車走走停停，行駛速度不高，電動汽車更加適宜。電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中，電動機可自動轉化為發電機，實現制動減速時能量的再利用。另一方面，電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風力、潮汐等能源轉化。除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網均衡負荷，減少費用。

表1 傳統柴油機牽引車與純電動牽引車能耗對比

4 純電動港口牽引車的動力與控制系統設計

4.1 動力系統的設計

動力系統是純電動港口牽引車的源動力核心部分，其重要性等價于燃油車的發動機系統。在動力系統中實現了車輛的平穩啟動與運行過程中的舒適性。從電氣控制的角度而言，是驅動過程中將多種變量進行有機的合成與算法控制，將驅動的過程始終運行在動力性能最優、能耗最低的點。同時將制動過程中車輛的動能在車載控制器的指令下，完成動能向電能的轉換，并且將這個裝置得到的電能反饋送抵電堆系統，從而提高了車輛的制動減速度，降低了制動摩擦的磨損程度，減少了因制動而產生的摩擦分成，這一過程的實現充分體現了其環保節能的特征。

本系統中，電堆是由超級電容和動力型鋰電池所組成，這兩種不同的電能載體肩負著不同的任務，當有大電流大功率需要進行傳遞時，超級電容就是非常適用的載體，由于超級電容的能量密度較低，因此，在車輛的續航里程需要較大時，同時功率波動相對較小時，該能量分配管理系統就能進行合理適時的調整，以使形成最為合理的工況與之相匹配。當系統需要將它們進行有效地混合，就必須關注設計的理念和算法的支持?；旌希姵?電容）電堆非常適合電動汽車所需的瞬間動力，采用了專門研發的耦合器和專用控制器，用以完成超級電容和蓄電池之間的切換。

4.2 控制系統的設計

本純電動港口牽引車系統采用超級電容與動力型鋰電池混合的方法，在控制系統核心算法的支持下，通過耦合器將超級電容和動力型鋰電池的能量進行優化調度，具有動力性能優、能量回收效果好等優點，從而形成獨特的控制模式，此項應用技術達到國際領先水平。

控制系統在電動汽車中完成一個最為核心的作用，其高速的輸入輸出功能和算法分析功能，將人機操縱與合理算法因子進行調節，從而實現了運行中的過程優化。

圖1 服務對象

如圖1所示，環保型混合超級電容控制系統利用了元器件、芯片級的設計組合而成，主核心部件采用了DSP數字處理器芯片，DSP的外部邏輯輔助控制電路采用了CPLD邏輯處理單元進行整合，所有單元的合成都采用了CAN光纖通訊的方式實現。

在本系統中，有低壓的人機操作部分、高壓的動力驅動系統、處于高頻載波干擾的變頻驅動裝置、以及由于車輛不能與大地相連產生的電荷集聚而產生的高壓對CAN本身的干擾。本系統中，對鏈接單元進行了特殊的處理。包括通訊電纜介質的選取、干擾旁路的選擇等等。

控制器、顯示器、踏腳板，設計者都采用了自行設計的成果，采用了獨立的模塊結構形式而成就，充分地與車載系統的需求緊密結合，這完全依照了電動汽車控制的功能需求，是由電動汽車的需求元素為最小單元而組成。

5 結語

新能源電動汽車是國家大力扶持的項目，它具有無需燃油作為動力來源、無污染，噪聲低、能源效率高，多樣化、充電速度快、結構簡單，使用維修方便等特點，新能源電動汽車是市場發展的趨勢。港口作為物流的主要集散中心，港口牽引車是不可或缺的交通運輸工具，究其使用工況，電能是最理想的動力來源。對比傳統牽引車，純電動港口牽引車具有更加經濟性、安全和環保等諸多優勢。