18T 電動洗掃車動力系統匹配與性能仿真研究

夏靖武， 趙斌良， 徐 舟， 溫淑萍， 杜素青， 鄧湘武

（長沙中聯重科環境產業有限公司， 湖南 長沙 410221）

“碳達峰”、“碳中和”是國家制定的重要戰略決策，助力中國經濟實現從“高增長”過渡到“高質量”的戰略轉型。我國制定的目標從“碳達峰”到“碳中和”只有30年，時間短、強度高，必須大力推廣新能源汽車，推動城市公共服務車輛的電動化[1]。一輛18T的燃油洗掃車，作業時通常為10～15km/h的車速，不僅油耗高達120L/100km，同時還產生大量的含碳尾氣排放，每臺18T燃油洗掃車一年的碳排放大約是50噸，相當于15臺乘用車一年碳排放量的總和。如果改成純電動車，那么其每年的碳排放將降低18噸。如果將我國現有的環衛車全部換成純電動車，每年可減排二氧化碳超過1100萬噸。在“雙碳”目標下，新能源環衛車迎來了快速發展期，預計到2025年，新增新能源環衛車的比例會達到20%左右，到2035年環衛車將基本實現電動化[2]。

電動洗掃車是一種特種作業車輛，和普通的電動汽車不同，它是由純電動底盤和用于洗掃作業的上裝共同組成。電動洗掃車的動力系統，除了需給整車行駛提供動力，還需給上裝作業提供電能[3]，因此，在進行電動洗掃車動力系統匹配設計時需同時考慮底盤和上裝的用電功率和能耗。本研究以某18T電動洗掃車為研究車輛，根據其特殊作業場景，對研究車型動力系統關鍵參數進行匹配設計，并通過對整車動力經濟性的仿真分析，驗證參數的合理性，得到一種性能較好的動力系統方案。

1 整車參數與性能目標

18T電動洗掃車是洗掃車市場占有率最高的噸位級別，采用4×2后輪驅動型式，電池組后背于駕駛室后方，其整車參數如表1所示。

表1 研究車型整車參數

為了滿足洗掃車特種作業工況，參考行業同噸位競品車型性能指標，研究車型動力性設計目標如下：整車最高車速umax≥89km/h，0～30km/h加速時間t1≤3.5s，30～50km/h加速時間t2≤3.5s，滿載狀態下最大爬坡度i≥30%[4]。經濟性設計目標如下：C-WTVC綜合工況續駛里程LC≥250km，40km/h勻速工況續駛里程L40≥400km，標準洗掃作業時間t≥8h。

2 動力系統參數匹配

2.1 驅動系統匹配與選型

驅動系統的匹配與選型包括驅動系統型式的選擇、驅動電機參數的匹配、變速器或減速箱速比的選擇等。首先對驅動系統型式進行選擇，電動洗掃車總成本價格偏高，不宜做成低端產品，為了獲得良好的駕駛平順性，放棄采用AMT變速器的方案。研究車型滿載設計質量為18T，此時要想達到30%以上的爬坡度，驅動力Ft可根據下列方程式計算出：

式中：m——整車滿載質量；g——重力加速度；α——最大爬坡度對應角度。

計算可得出整車驅動力Ft為50472N，輪端總驅動扭矩為26234Nm，驅動橋輸入端扭矩為4252Nm，又因傳動系統效率只有92%，最后計算出驅動系統輸出端輸出扭矩Tm不能小于4476Nm。市面上車用驅動電機單個電機峰值扭矩做到這么大的非常少見，因此本驅動系統采用雙電機驅動的型式。洗掃車標準洗掃作業車速只有15km/h，這么低的車速如采用電機直驅，電機將經常工作在低轉速狀態下，系統效率無法提高，所以本方案擬增加一級減速器，從而提高電機轉速需求，降低電機扭矩需求。

驅動電機峰值功率首先須滿足整車最高車速、加速能力、最大爬坡度的功率需求，另外驅動電機峰值功率的匹配設計需要考慮洗掃車偶爾超載的特殊情況[5]。驅動電機最高轉速主要由整車最高車速決定，可根據下列公式計算：

式中：nmax——電機最高轉速；umax——汽車最高車速；i0——后橋主減速比；ig——減速器速比；r——車輪滾動半徑。

根據上述計算結果，再結合市面上車用驅動電機資源情況，最終選取的驅動系統參數如表2所示。

表2 驅動系統參數表

2.2 電池參數匹配與選型

當前車用動力電池技術比較成熟，市場份額最大主要是三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰離子電池的比功率和能量密度更大，主要應用在純電動乘用車行業，而后者的熱穩定性更好、成本更具優勢，在客車和商用車行業應用較多。因此，本研究動力電池類型采用磷酸鐵鋰電池。

電池電量的匹配，主要由電動洗掃車純電續駛里程和特種作業時間決定的，其次還需要考慮電池SOC放電窗口等特殊情況[6]。市場上性能最好18T電動洗掃車，40km/h等速行駛時的底盤百公里能耗大約為63kWh左右，續航400km的電量需求為252kWh。而18T電動洗掃車在標準洗掃作業時整車每小時能耗大約為32kWh，若要達到充滿電可連續作業8h的性能目標，整車電量需求約為256kWh。兩個需求取大值，電池放電時SOC至少保留10%的余量，再加上一些損耗，整車電池總電量至少要達到285kWh以上。

電池系統的峰值放電功率還需與雙電機峰值總功率、高壓附件總功率以及上裝最大用電功率相匹配，本研究雙電機峰值總功率為420kW，所有高壓附件最大總功率約20kW，上裝最大用電功率為90kW，即電池峰值放電功率不能小于530kW，按電池系統峰值放電倍率2C計算，電池總電量需大于265kWh。

綜上所述，結合動力電池供應商資源情況，最終確定本研究的動力電池系統主要參數如表3所示。

表3 動力電池系統參數表

3 建模與仿真分析

3.1 搭建整車仿真模型

為了驗證18T電動洗掃車動力系統匹配設計的合理性，需要對整車動力經濟性進行仿真分析。Matlab是一種具有很強計算性能且適合于數值計算、系統仿真的軟件，其自帶的Simulink工具，是一種基于本身圖形化的仿真環境，可以通過圖形化的系統模塊對動態系統描述，并對其進行求解[7]。在Matlab/Simulink軟件中搭建的18T電動洗掃車整車仿真模型如圖1所示，包括電池模塊、配電盒模塊、驅動系統模塊、主減模塊、整車模塊、控制器模塊、駕駛員模塊。其中驅動系統模塊由電機1子模塊、電機2子模塊以及單級減速器子模塊等組成，如圖2所示。

圖1 18T電動洗掃車整車仿真模型架構示意圖

圖2 雙電機驅動系統模塊內部模型圖

3.2 整車性能仿真分析

研究車型屬于電動汽車的一種，其經濟性試驗方法需符合電動汽車試驗國家標準GB/T 18386的相關要求[8]。輸入研究車型整車及動力系統相關參數后，在搭建的仿真模型中對其進行基于C-WTVC循環工況的能耗和續駛里程等經濟性能的仿真分析，模型顯示繪制出的仿真車速曲線如圖3所示。容易看出圖中工況車速和仿真車速兩條曲線基本重合，表明本研究匹配設計18T電動洗掃車動力系統動力性符合跟隨C-WTVC循環工況的基本要求，同時也初步驗證了在Matlab/Simulink環境下搭建的18T電動洗掃車整車仿真模型的準確性。為了對整車經濟性進行充分的分析，還設置在40km/h等速工況下進行了整車的能耗和續駛里程仿真分析。

圖3 18T電動洗掃車C-WTVC工況速度跟隨曲線圖

18T電動洗掃車的動力性能試驗方法首先需符合國家標準GB/T18385的要求[9]，其次應該滿足行業的特殊需求，本研究對整車的動力性提出了更高的要求，設定在18T滿載狀態下對研究車型進行最高車速、加速性能、爬坡性能等動力性能進行仿真分析，輸出仿真結果。

最后，18T電動洗掃車的動力性、經濟性仿真結果如表4所示。顯然，表中所有動力性、經濟性指標的仿真值都達到了目標值的要求，因此本研究進行的整車動力系統匹配設計是可靠的，達到了預期要求。

表4 整車動力性、 經濟性仿真結果表

4 結束語

電動汽車動力系統參數匹配與優化是一項復雜的系統工程，本研究以某18T電動洗掃車為研究對象，對其電機驅動系統、動力電池等動力系統關鍵零部件進行了選型和匹配設計，在Matlab/Simulink軟件中搭建了電動洗掃車的整車仿真模型，對18T電動洗掃車進行了系統的性能仿真分析，仿真結果達到了預期目標，為項目開發提供了必要的理論依據。