18T,电动洗扫车动力系统匹配与性能仿真研究

夏靖武， 赵斌良， 徐 舟， 温淑萍， 杜素青， 邓湘武

（长沙中联重科环境产业有限公司， 湖南 长沙 410221）

“碳达峰”、“碳中和”是国家制定的重要战略决策，助力中国经济实现从“高增长”过渡到“高质量”的战略转型。我国制定的目标从“碳达峰”到“碳中和”只有30年，时间短、强度高，必须大力推广新能源汽车，推动城市公共服务车辆的电动化[1]。一辆18T的燃油洗扫车，作业时通常为10～15km/h的车速，不仅油耗高达120L/100km，同时还产生大量的含碳尾气排放，每台18T燃油洗扫车一年的碳排放大约是50吨，相当于15台乘用车一年碳排放量的总和。如果改成纯电动车，那么其每年的碳排放将降低18吨。如果将我国现有的环卫车全部换成纯电动车，每年可减排二氧化碳超过1100万吨。在“双碳”目标下，新能源环卫车迎来了快速发展期，预计到2025年，新增新能源环卫车的比例会达到20%左右，到2035年环卫车将基本实现电动化[2]。

电动洗扫车是一种特种作业车辆，和普通的电动汽车不同，它是由纯电动底盘和用于洗扫作业的上装共同组成。电动洗扫车的动力系统，除了需给整车行驶提供动力，还需给上装作业提供电能[3]，因此，在进行电动洗扫车动力系统匹配设计时需同时考虑底盘和上装的用电功率和能耗。本研究以某18T电动洗扫车为研究车辆，根据其特殊作业场景，对研究车型动力系统关键参数进行匹配设计，并通过对整车动力经济性的仿真分析，验证参数的合理性，得到一种性能较好的动力系统方案。

18T电动洗扫车是洗扫车市场占有率最高的吨位级别，采用4×2后轮驱动型式，电池组后背于驾驶室后方，其整车参数如表1所示。

表1 研究车型整车参数

为了满足洗扫车特种作业工况，参考行业同吨位竞品车型性能指标，研究车型动力性设计目标如下：整车最高车速umax≥89km/h，0～30km/h加速时间t1≤3.5s，30～50km/h加速时间t2≤3.5s，满载状态下最大爬坡度i≥30%[4]。经济性设计目标如下：C-WTVC综合工况续驶里程LC≥250km，40km/h匀速工况续驶里程L40≥400km，标准洗扫作业时间t≥8h。

2.1 驱动系统匹配与选型

驱动系统的匹配与选型包括驱动系统型式的选择、驱动电机参数的匹配、变速器或减速箱速比的选择等。首先对驱动系统型式进行选择，电动洗扫车总成本价格偏高，不宜做成低端产品，为了获得良好的驾驶平顺性，放弃采用AMT变速器的方案。研究车型满载设计质量为18T，此时要想达到30%以上的爬坡度，驱动力Ft可根据下列方程式计算出：

式中：m——整车满载质量；
g——重力加速度；
α——最大爬坡度对应角度。

计算可得出整车驱动力Ft为50472N，轮端总驱动扭矩为26234Nm，驱动桥输入端扭矩为4252Nm，又因传动系统效率只有92%，最后计算出驱动系统输出端输出扭矩Tm不能小于4476Nm。市面上车用驱动电机单个电机峰值扭矩做到这么大的非常少见，因此本驱动系统采用双电机驱动的型式。洗扫车标准洗扫作业车速只有15km/h，这么低的车速如采用电机直驱，电机将经常工作在低转速状态下，系统效率无法提高，所以本方案拟增加一级减速器，从而提高电机转速需求，降低电机扭矩需求。

驱动电机峰值功率首先须满足整车最高车速、加速能力、最大爬坡度的功率需求，另外驱动电机峰值功率的匹配设计需要考虑洗扫车偶尔超载的特殊情况[5]。驱动电机最高转速主要由整车最高车速决定，可根据下列公式计算：

式中：nmax——电机最高转速；
umax——汽车最高车速；
i0——后桥主减速比；
ig——减速器速比；
r——车轮滚动半径。

根据上述计算结果，再结合市面上车用驱动电机资源情况，最终选取的驱动系统参数如表2所示。

表2 驱动系统参数表

2.2 电池参数匹配与选型

当前车用动力电池技术比较成熟，市场份额最大主要是三元锂离子电池和磷酸铁锂电池。三元锂离子电池的比功率和能量密度更大，主要应用在纯电动乘用车行业，而后者的热稳定性更好、成本更具优势，在客车和商用车行业应用较多。因此，本研究动力电池类型采用磷酸铁锂电池。

电池电量的匹配，主要由电动洗扫车纯电续驶里程和特种作业时间决定的，其次还需要考虑电池SOC放电窗口等特殊情况[6]。市场上性能最好18T电动洗扫车，40km/h等速行驶时的底盘百公里能耗大约为63kWh左右，续航400km的电量需求为252kWh。而18T电动洗扫车在标准洗扫作业时整车每小时能耗大约为32kWh，若要达到充满电可连续作业8h的性能目标，整车电量需求约为256kWh。两个需求取大值，电池放电时SOC至少保留10%的余量，再加上一些损耗，整车电池总电量至少要达到285kWh以上。

电池系统的峰值放电功率还需与双电机峰值总功率、高压附件总功率以及上装最大用电功率相匹配，本研究双电机峰值总功率为420kW，所有高压附件最大总功率约20kW，上装最大用电功率为90kW，即电池峰值放电功率不能小于530kW，按电池系统峰值放电倍率2C计算，电池总电量需大于265kWh。

综上所述，结合动力电池供应商资源情况，最终确定本研究的动力电池系统主要参数如表3所示。

表3 动力电池系统参数表

3.1 搭建整车仿真模型

为了验证18T电动洗扫车动力系统匹配设计的合理性，需要对整车动力经济性进行仿真分析。Matlab是一种具有很强计算性能且适合于数值计算、系统仿真的软件，其自带的Simulink工具，是一种基于本身图形化的仿真环境，可以通过图形化的系统模块对动态系统描述，并对其进行求解[7]。在Matlab/Simulink软件中搭建的18T电动洗扫车整车仿真模型如图1所示，包括电池模块、配电盒模块、驱动系统模块、主减模块、整车模块、控制器模块、驾驶员模块。其中驱动系统模块由电机1子模块、电机2子模块以及单级减速器子模块等组成，如图2所示。

图1 18T电动洗扫车整车仿真模型架构示意图

图2 双电机驱动系统模块内部模型图

3.2 整车性能仿真分析

研究车型属于电动汽车的一种，其经济性试验方法需符合电动汽车试验国家标准GB/T 18386的相关要求[8]。输入研究车型整车及动力系统相关参数后，在搭建的仿真模型中对其进行基于C-WTVC循环工况的能耗和续驶里程等经济性能的仿真分析，模型显示绘制出的仿真车速曲线如图3所示。容易看出图中工况车速和仿真车速两条曲线基本重合，表明本研究匹配设计18T电动洗扫车动力系统动力性符合跟随C-WTVC循环工况的基本要求，同时也初步验证了在Matlab/Simulink环境下搭建的18T电动洗扫车整车仿真模型的准确性。为了对整车经济性进行充分的分析，还设置在40km/h等速工况下进行了整车的能耗和续驶里程仿真分析。

图3 18T电动洗扫车C-WTVC工况速度跟随曲线图

18T电动洗扫车的动力性能试验方法首先需符合国家标准GB/T18385的要求[9]，其次应该满足行业的特殊需求，本研究对整车的动力性提出了更高的要求，设定在18T满载状态下对研究车型进行最高车速、加速性能、爬坡性能等动力性能进行仿真分析，输出仿真结果。

最后，18T电动洗扫车的动力性、经济性仿真结果如表4所示。显然，表中所有动力性、经济性指标的仿真值都达到了目标值的要求，因此本研究进行的整车动力系统匹配设计是可靠的，达到了预期要求。

表4 整车动力性、 经济性仿真结果表

电动汽车动力系统参数匹配与优化是一项复杂的系统工程，本研究以某18T电动洗扫车为研究对象，对其电机驱动系统、动力电池等动力系统关键零部件进行了选型和匹配设计，在Matlab/Simulink软件中搭建了电动洗扫车的整车仿真模型，对18T电动洗扫车进行了系统的性能仿真分析，仿真结果达到了预期目标，为项目开发提供了必要的理论依据。

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