純電動攪拌車攪拌驅動系統改進設計

魏文義 田娟 程龍

摘要：純電動攪拌車配備有兩套驅動電機，一套用于驅動底盤行駛，另一套用于驅動攪拌罐，所以整車成本較高。為有效降低其成本，提出了一種新的設計思路——采用液壓系統驅動攪拌罐。此方案可以減少一套驅動電機及控制系統，實現單電機同時驅動車輛行駛和攪拌罐運轉，從而降低整車成本。此方案需要解決的技術難點是攪拌系統取力方式的調整及車輛停車等待、倒車時驅動電機轉動狀態的改變對攪拌罐運轉的影響。

關鍵詞：單電機驅動；技術難點；對攪拌罐運轉的影響

中圖分類號：U462? 收稿日期：2024-03-06

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406013

1 前言

現有純電動混凝土攪拌車需要配置兩個驅動電機，一個驅動電機用于驅動車輛行駛，另外一個驅動電機用于驅動攪拌罐運轉。其優點是兩個驅動電機獨立控制，互相不干涉。其缺點是需要兩套驅動電機進行控制，導致車輛的成本較高。純電動攪拌車受三電系統成本的影響，整車成本較普通燃油車高出一倍左右，用戶接受度很低，尤其在當前激烈的市場競爭環境下，低成本優化設計對純電動攪拌車的影響更加重要，直接決定純電動攪拌車產品未來市場占有率。

為有效降低純電動混凝土攪拌車的整車成本，筆者提出了一種新的設計思路——將燃油攪拌車的液壓驅動系統應用到純電動攪拌車上并進行相應優化改進，實現單電機同時驅動車輛行駛和攪拌罐運轉。此方案需要解決的技術難點是如何實現攪拌罐不間斷取力，如何實現停車等待時驅動電機停轉對攪拌罐運轉的影響，如何實現倒車時驅動電機反轉對攪拌罐運轉的影響。

2 柴油與純電動攪拌車攪拌罐驅動系統對比分析

21 現有柴油混凝土攪拌車攪拌罐驅動系統結構

柴油混凝土攪拌運輸車攪拌罐驅動系統大多采用閉式液壓系統，由雙向變量泵、液壓馬達、換向閥、溢流閥、冷卻器、過濾器等組成。圖1為液壓驅動系統原理圖[1]。通過柴油發動機上的全功率取力器帶動雙向變量泵輸入動力，由液壓馬達帶動減速機再驅動攪拌罐轉動，攪拌罐轉速的改變是通過調節雙向變量泵斜盤的角度來實現的，攪拌罐轉向的改變是通過調節換向閥來實現的。補油泵一路通過兩個單向閥向主回路低壓區補油，一路與換向閥相通，還有一路經補油溢流閥進入雙向變量泵殼體，再經散熱器流回油箱。兩個高壓溢流閥可以防止主回路任何一個方向超載時損壞泵和馬達。梭形閥確保工作時給主回路低壓區提供一個溢流通道，并由補油溢流閥保持低壓區壓力，同時也使其溢流油經液壓馬達、雙向變量泵殼體進入冷卻油路。

22 現有純電動攪拌車攪拌罐驅動系統結構

如圖2所示，現有純電動攪拌車由兩套驅動電機控制系統，一套用于驅動底盤行駛，另一套用于攪拌罐的獨立控制。兩個電機分別由各自的控制器進行控制。兩個控制器間有信號傳輸，用于整車控制器接收攪拌系統相關信息，并發出指令閉合或斷開攪拌系統供電繼電器，并向攪拌系統控制器發出“工作使能”或“禁止使能”命令，以實現按需求控制攪拌系統的開關機操作。

3 純電動攪拌車攪拌系統改進方案

筆者對純電動攪拌車改進方案為：將燃油攪拌車的液壓驅動系統應用到純電動攪拌車上并進行相應優化改進，實現單電機同時驅動車輛行駛和攪拌罐運轉。實現此方案的技術難點及解決方法如下。

31 攪拌罐不間斷取力的實現

柴油攪拌車取力器位于發動機上，屬于全功率取力器。該取力方式全程無動力中斷，攪拌罐可以隨發動機一起常轉，能有效防止混凝土因攪拌中斷而異常凝固，造成悶罐。

純電動攪拌車若采用液壓系統驅動攪拌罐，首先要解決的問題是從何處取力，其次是如何實現無間斷取力，以保證攪拌罐連續運轉。為解決此問題，將取力器設置于自動變速箱雙中間軸軸端，如圖3所示，由于雙中間軸隨變速箱輸入軸常轉，而輸入軸與驅動電機直連，這樣就可以保證攪拌罐隨驅動電機一起轉動。

另外還要根據攪拌罐的空、滿載功率需求及轉速需求，自動變速箱的中間軸轉速范圍，對取力器速比及液壓油泵的轉速及輸出壓力進行校核選取，以保證攪拌罐在裝料、行駛、停車等待、強制攪拌、卸料等工況下的扭矩及轉速需求。具體選取方法可參考相關文獻[2]。

32 停車等待時驅動電機停轉對攪拌罐運轉的影響

攪拌車路遇紅燈及在工地卸料前一般都需要停車等待，在等待過程中攪拌罐需要保持運轉。柴油車在等待時，通過發動機保持怠速運轉來保證攪拌罐連續運轉。而當前純電動攪拌車的控制邏輯是在停車狀態下，底盤驅動電機停止旋轉，以減少電能消耗，攪拌罐的運轉通過攪拌罐驅動電機來單獨驅動。如果取消攪拌罐驅動電機，改由底盤驅動電機來驅動攪拌罐，當車輛停車等待時，底盤驅動電機就必須保持怠速運轉，不能停機。為實現此功能，整車行駛的控制邏輯需要按圖4所示進行相應調整。

車輛行駛過程中，自動變速箱在D擋某一擋位工作，并同時驅動主傳動軸和取力器，以保持車輛行駛和攪拌罐轉動。

當車輛遇紅燈需要停車等待時，駕駛員松開油門踏板，踩下制動踏板，車輛開始降速，制動能量回收功能啟動，攪拌罐轉速也隨之下降。當攪拌罐轉速下降到最低允許轉速時，車速下降到N，驅動電機也有一個對應的轉速n，控制系統將此轉速設定為驅動電機的最低轉速限值，當整車控制器檢測到驅動電機轉速低于此限值n，且車輛行駛速度小于N時，整車控制器先發送指令，關閉制動能量回收功能，然后發送指令給自動變速箱，使其臨時置空擋，斷開與主傳動軸的聯接（此時變速箱換擋器仍置于D擋位置），然后再輸出指令給驅動電機使其以一個≥n的恒定轉速怠速運轉。此控制狀態一直保持，且不受制動踏板信號變化、駐車制動信號變化和自動變速箱換擋器擋位變化的影響，直到有油門變化信號輸入時，如果整車控制器檢測到有加速油門信號輸入，且駐車制動信號未解除，則自動變速箱仍保持臨時空擋狀態，驅動電機則不再怠速運轉，而是隨油踏板的控制而調整，以便于實現強制攪拌等功能。如果整車控制器在檢測到油門變化信號的同時檢測到駐車制動信號已解除，則發指令給自動變速箱，解除其臨時空擋狀態，使其與主傳動軸連接，同時由油門控制驅動電機，驅動車輛行駛。如果在停車過程中手動將變速箱由D擋置于空擋位置，并不影響臨時置空信號，即不影響車輛停車運行狀態。但在車輛啟動行駛時需手動將變速箱置于D擋位置。

自動變速箱臨時置空控制方法如圖5所示。當變速箱控制器TCU無臨時置空請求信號輸入時，其按操縱手柄輸入的信號執行命令。當有置N信號輸入時，TCU從內部切斷操縱手柄輸入信號，并接通N擋信號，在操縱手柄不動作的情況下使變速箱置于N擋位置，切斷變速箱與主傳動軸的動力傳輸，變速箱與取力器的動力傳輸仍保持。當駕駛員踩下油門踏板，TCU接收置D信號，退出臨時置空狀態，并接收操縱手柄的信號輸入控制變速箱擋位。

如上所述，在整車運行過程中，由于取力器始終處于運轉狀態，這就保證了攪拌罐運轉不間斷。當作業結束需要停車休班時，先按上述步驟使車輛停車，變速箱置N擋、拉起駐車制動，然后手動關閉驅動電動機即可。車輛啟動時駕駛員手動啟動驅動電機，攪拌罐便一起開始運轉。

33 倒車時驅動電機反轉對攪拌罐運轉的影響

首先，攪拌罐只有在卸料時才反轉，其他工況下（如裝料、行駛、停車等待、倒車）都需要正向旋轉，且需要連續旋轉，不能中斷。其次，柴油車通過發動機取力，倒車時發動機旋向不改變，不影響液壓油泵的轉向。而電動汽車的行車和倒車是通過改變驅動電機的旋轉方向來實現的，與變速箱取力器相連的液壓油泵的轉向取決于驅動電機的轉向。當車輛倒車時驅動電機反轉，液壓油泵的轉向會隨之改變，這會導致液壓馬達的轉向改變，從而帶動攪拌筒反轉，而攪拌筒在非卸料工況下是不允許反轉的。如果要想利用液壓系統驅動攪拌罐，就必須使液壓油泵的轉向不受電機旋轉方向的影響。

為解決此問題，筆者設計了一套液壓系統，如圖6所示，雙向液壓泵的第一油口分別與單向閥1的出油口和電磁閥1的第一油口連接，雙向液壓泵的第二油口分別與單向閥2的出油口和電磁閥2的第一油口連接，電磁閥1的第二油口和電磁閥2的第二油口均與換向閥的進油口P連接，單向閥1的進油口、單向閥2的進油口、換向閥出油口T均與液壓油箱相聯通，液壓馬達的第一油口與換向閥出油口A連接，液壓馬達的第二油口與換向閥回油口B連接。

當取力器隨驅動電機正轉時，控制電磁閥1打開，控制電磁閥2關閉，壓油箱中的液壓油依次經過單向閥2、雙向液壓泵和電磁閥1進入換向閥進油口P。當取力器隨驅動電機反轉時，控制電磁閥1關閉，控制電磁閥2打開，液壓油箱中的液壓油依次經過單向閥1、雙向液壓泵和電磁閥2進入換向閥的進油口P。由此，無論驅動電機正轉還是反轉，液壓油在雙向液壓泵的作用下均會流入換向閥的進油口P，這樣驅動電機的轉動方向的改變就不會影響攪拌罐的轉動方向。即車輛前進和倒車都不會影響攪拌罐的轉動方向。攪拌罐需要反轉卸料時，只需操作換向閥切換液壓馬達的旋轉方向即可。

在圖6所示的液壓系統中，也可以如圖1所示增加高、低壓溢流回路和補油回路，以提高液壓系統的穩定性。

通過采取上述技術方案，可以使純電動攪拌車的操作方式與柴油攪拌車的操作方式基本相同，這樣就不會影響駕駛員的操作習慣。

4 純電動攪拌車攪拌系統改進效果

通過上述方式將純電動攪拌車攪拌罐區驅動系統驅動電機控制系統改為液壓驅動系統，使整車成本單臺下降12萬元左右（表1）。

表1 攪拌罐純電驅動系統與液壓驅動系統成本對比

[攪拌罐純電驅動系統? 攪拌罐液壓驅動系統??? 零部件名稱??? 價格，元?????? 零部件名稱??? 價格，元?????? EV500電機及控制器?????? 21 000??? 液壓泵總成A10VGT090????? 8 000????? 液壓馬達總成A2FMT090??? 液壓進油管??? 液壓回油管??? QH50變速箱取力器?????? 1 000????? 合計?????? 21 000?????????? 9 000????? 差價???????????????????? -12 000?? ]

另外，現有純電動攪拌車都配備后背動力電池，如圖7所示，動力電池在整車長度方向上占據900 mm左右的空間，相比燃油車改裝空間小了900 mm左右，同時整備質量增加了2～3 t左右，在受整車長度和整車總質量及載質量利用系數限制的情況下，攪拌罐的容積受到較大壓縮，運輸效率明顯下降。所以純電動攪拌車對改裝空間的要求更高。用體積較小的液壓馬達取代體積較大的驅動電機，會使改裝空間相對增大，提升改裝便利性，提升運輸效率。

同時，在采用驅動電機驅動攪拌罐時，由于驅動電機體積較大，驅動電機與動力電池間的空間很小，如圖7所示，維修空間不足。當攪拌車在工作過程中驅動電機出現故障需要應急救援時，不能在短時間內打開驅動電機并連接外接驅動設備驅動攪拌罐，會造成“悶罐”，使攪拌罐報廢，造成巨大損失。改用液壓馬達后，維修空間顯著增大，而且在出現故障時，可在短時間連接外接驅動設備驅動攪拌罐，防止悶罐。

5 結語

在對比分析了純電動攪拌車和柴油攪拌車的攪拌驅動系統后，在純電動攪拌車上采用液壓驅動系統來驅動攪拌罐，并對取力方式、車輛運行控制方式、液壓系統結構進行技術改進，使純電動攪拌在采用液壓驅動系統驅動攪拌罐后，其整車操作方式與柴油攪拌車的操作方式基本相同，這樣就不會影響駕駛員的操作習慣。

純電動攪拌車采用此改進方案后，不僅可以降低整車成本，還可有效改善其改裝便利性及提升運輸效率，改善其維修便利性，減少悶罐情況的發生。

另外上述方案中整車行駛的控制方案及液壓系統改進方案也可以應用到其他純電動專用車上，以解決車輛停車等待及倒車時對上裝液壓系統的影響。

參考文獻：

[1]蔡應強混凝土攪拌輸送車液壓控制系統設計[J]橋梁機械與施工技術，2025（11）：44-46.

[2]魏雪玲，徐展混凝土攪拌運輸車傳動系統選型分析[J]商品混凝土，2016（8）：65-66.

作者簡介：

魏文義，男，1972年生，高級工程師，研究方向為新能源載貨汽車設計。