純電動抑塵車上裝動力系統設計與研究

顏仁喆楊斌王英豪馬軍偉

1.甘肅建投重工科技有限公司 甘肅蘭州 730000

2.甘肅省建設投資（控股）集團總公司 甘肅蘭州 730000

1 前言

為響應國家“藍天保衛戰”計劃號召，城市霧霾以及工地、礦區漂浮顆粒物的治理尤為重要。抑塵車作為一種專門針對大氣霧霾和施工現場漂浮顆粒物治理的專用車輛在近幾年已經被廣泛使用，但是市場上大多數抑塵車都是在燃油底盤的基礎上采用副發動機或者車載發電機作為噴霧機和低壓水路系統的動力系統，這種模式的抑塵車在工作狀態下噪聲大、安全系數低，且副發排放往往達不到國家排放標準，因此就出現了“一邊治理，一邊污染”的尷尬局面。針對這種不足，本文設計了一種適用于純電動二類底盤的抑塵車上裝動力系統，為抑塵車噴霧機和低壓水路能夠在純電動底盤上可靠應用提供了解決方案。

2 系統結構設計

純電動抑塵車上裝動力系統主要包括噴霧機動力系統和低壓水路動力系統，其中噴霧機動力系統由三部分組成：即風機動力系統、離心泵動力系統和液壓站動力系統，其系統結構組成如圖1所示。

圖1 抑塵車上裝動力系統結構拓撲圖

設計依托變頻器控制技術、CAN網絡通信技術、PLC控制技術、組態控制技術等，搭建了一個適用于純電動二類底盤的抑塵車上裝動力系統。系統的總動力源取自底盤動力電池組，通過CAN網絡通信從底盤VCU向上裝控制分配直流高壓電能，電機控制器一方面將直流高壓電能直接分配到噴霧機動力柜，另一方面通過內部的逆變模塊和功率模塊將調制好的三相交流電輸出至永磁同步電機。

噴霧機動力柜內安裝三臺矢量變頻器，變頻器直流母線獲取上裝控制器分配到的直流電能，三臺變頻器負載分別為噴霧機的風扇電機、多級離心式水泵電機和液壓站油泵電機，為噴霧機完成水霧化、吹霧和噴霧機舉升和回轉工作提供動力。

3 低壓水路動力系統搭建

3.1 電機及電機控制器選擇

驅動電機是低壓水路動力系統的核心動力部件，不僅要有利于整車上裝輕量化和上裝部件安裝空間節約化，還要能根據實際使用需要進行轉速切換，以保證上裝執行部件能夠滿足各種工況需求。傳統使用的三相交流異步電動機具有電機結構簡單、維修費用低的特點，但是其功率損耗大，電機發熱量高并且啟動時對電網沖擊大，逐漸不能適應車載狀態下的應用。然而永磁同步電機則是一種具有永磁體勵磁機構的電機，這種電機幾乎沒有勵磁功率損耗，而且水冷式的永磁同步電機具有體積小、質量輕等優點，尤其適合在車載狀態下裝配[1]。

圖2所示為本次選用某型永磁同步電機，其額定功率為35 kW、額定轉速為2 100 r/min、額定扭矩160 N M，液冷式結構，能夠滿足負載水泵的動力需求。永磁同步電機控制器，選用了一款型號為Q123-54-040LHD的電機控制器，該控制器適用于三相永磁同步電機，且支持直流分配，可以在驅動低壓水泵電機的同時向噴霧機系統分配電能，以滿足本次設計的需要，CAN通訊網接口可與底盤動力網通訊，實現有載情況下的預充上電流程。雙面液冷式結構可以有效提高系統效率，并且和電機單元能夠融洽地結合，提高系統的整體性[2]。

圖2 低壓水路系統布局

3.2 底盤動力網通訊

整車選用的底盤是一種開放了預充的純電動二類底盤，因此在搭建上裝動力系統的時候必須要應用一種基于CAN總線通訊技術的控制設備，譬如在本次設計中選用的永磁同步電機控制器。因此上裝系統裝配的時候，要將電機控制器與底盤CAN動力網進行連接，其組網對接形式如圖3所示。

圖3 對接組網圖

當駕駛員需要實施上裝系統操作的時候，在底盤“OK”點亮的情況下，首先需要開啟駕駛室內的上裝取電開關，為保證底盤VCU及上裝控制系統安全，此時VCU內部給上裝送電單元的主繼電器并不會立即閉合，而是BMS會開始給上裝走預充上電流程，此時上裝控制器需要將實際獲取到的預充電壓立即反饋至底盤VCU VCU在接收到某一幀報文后對當前報文進行判斷，整個上裝系統上電流程如圖4所示。

圖4 上裝系統上電流程

4 噴霧機動力系統搭建

4.1 主回路系統設計

噴霧機作為抑塵車的核心單元主要承擔著將水罐的清水通過過濾器再經過多級離心泵送到噴霧機的噴頭處，由軸流風機產生的巨大風量將噴頭霧化后的水滴吹至幾十米高的空中，霧化水滴在空氣中會和空氣中的微小顆粒粘合，最后在重力的作用下落至地面，從而起到凈化空氣的作用。而液壓動力系統則給噴霧機底座提供動力，驅動底座液壓馬達旋轉和舉升油缸的舉升動作。

噴霧機底座配電柜安裝三臺變頻器，直流高壓接口分別對接在三臺變頻器的直流母線上，通過變頻器內部的直-交逆變模塊將DC524V調制成供負載電機使用的三相交流電，變頻器單元可右基于PLC5單元的控制系統進行控制和調節，整個噴霧機主回路動力系統結構如圖所示。

圖5 噴霧機主回路系統原理圖

4.2 控制網絡系統設計

噴霧機控制系統選用西門子SMART系列PLC和MCGS組態系統搭建，PLC和MCGS組態控制系統采用以太網通訊，組態系統中可以對噴霧機系統進行開啟和關閉，噴霧機工作開啟流程是：接收到啟動信號后，風機先開始運行，當轉速達到內部設定閾值后，開始啟動水泵。組態系統和變頻器之間通過RS485通訊，可以在組態系統內直接讀取變頻器直流母線電壓和電流參數，以供駕駛員隨時監控噴霧機高壓母線帶電情況[3]。為了方便駕駛員操作，設計在組態系統旁安裝了四向主令開關和旋鈕電位器，駕駛員可以通過四向主令搖桿開關控制噴霧機舉升和回轉動作，除此之外，還能使用旋鈕電位器，通過調節風機變頻器輸出頻率，以實現平滑調節風機轉速，這為駕駛員在行車過程中調節噴霧機工況提供了很大的方便，從而提升了駕駛安全性，其控制界面和外觀如圖6所示。

圖6 噴霧機操作系統

設計還將低壓水路控制系統集成在組態控制系統中，通過向低壓水路控制器發送調速和啟動信號控制低壓水泵的開啟和轉速調節，本次設計了三種速度適應于低壓水泵電機工作，能夠進行前沖、后灑、側噴、吸水和水炮多種工作，如圖7所示，以滿足低壓水路系統在不同情況下使用。

5 結語

本文為抑塵車上裝動力系統在純電動底盤上的應用提供了解決方案，該方案能夠實現抑塵車噴霧機系統和低壓水路系統在純電動底盤行車情況下正常工作，并且運行工況較傳統燃油底盤抑塵車更為經濟和環保，以本次設計選用的某型底盤為例，其動力電池組標稱電量為348 kWh，平臺電壓為524 V，因此電池標稱容量：348×1 000/524=664 AH，考慮到效率系數，實際電池容量則為664×0.8=531 AH，單獨考慮噴霧機工作的情況下，噴霧機系統功率39 kW，平臺電壓524 V，效率0.9，計算得最大放電電流：39×1 000÷524÷0.9=83 A；因此放電速率為：83÷531=0.16 C，依據放電速率表估算出該型號底盤單次充電能夠滿足噴霧作業連續進行6 h[4]。

圖7 低壓水路控制系統