电气化单发洗扫车节能技术探究

2020-10-26李伟文黄荣明

专用汽车 2020年10期

李伟文黄荣明

福建龙马环卫装备股份有限公司福建龙岩 364028

1 前言

随着环卫市场化进程的加快，用户对环卫设备油耗、维护保养等使用成本的关注度越来越高，居民对清扫车辆的作业噪声影响、排放等要求也越来越高[1,2]。

目前，城市道路保洁车辆普遍采用底盘行驶与上装工作装置分别由主发动机和副发动机提供动力的形式，主发动机用于驱动整车行驶，所需功率大，但清扫保洁类车作业速度一般在20 km/h以下，以5～15 km/h居多，由于长期在低转速工况下作业，因此工作效率低。加上副发动机同时运作，整车排放和噪音难以得到有效的控制，整车能耗效率低下，油耗及作业排放量大[3]。

2 单发动力技术

单发动力技术是通过一个底盘发动机同时提供行驶和上装大功率动力需求技术的研究。由于其在节能降耗、降低作业噪声和整车排放方面可起到显著的效果，因此在近年得到快速的发展。市面上单发技术路线根据提供的第二路大功率动力能量形式可简单分为机械式、液压式和电气化三种[4,5]。机械式结构相对简单但普遍存在两组动力耦合的问题；液压式可实现2组动力解耦但由于液压的传递效率较低，因此整车节油效果较差；而电气化技术路线则更便于发动机及电机运行工况控制，其实现动力解耦及节油效果普遍优于机械式与液压式。

三种技术路线的效率分析计算情况如下：油电混动，ISG电机95%×控制器AC/DC98%×控制器DC/AC98%×驱动电机95%+发动机工作区域控制5%=92%；液压驱动，全功率取力器95%×液压泵85%×液压马达85%+发动机工作区域控制5%=74%；机械驱动，全功率取力器95%×带传动92%=87%，因此总体效率：油电混动＞机械传动＞液压驱动，传动效率如表1所示。

表1 传动效率

王鹏[6]研究了现有双发动机洗扫车的结构原理，分析了客车等领域的各种形式混合动力系统应用在洗扫车上的利弊。根据原型车的结构特点和功能要求，对混合动力洗扫车动力系统进行设计；宗泱[7]提出较为典型的串联式油电混合动力结构应用。但是，现有研究却未对比出不同单发技术路线的优劣，且未进行单发与传统双发在节能效果、NVH性能、排放等方面的深入对比。

本文以某公司的大型洗扫车为研究对象，通过电气化技术在发动机与变速箱之间加装一个大功率发电机，由发电机带动驱动电机从而为上装提供动力，底盘行驶动力仍由主发动机通过变速箱提供。此方案既采用单发动机为整车提供动力，又能够保证上装系统具有相对独立稳定的动力源，使整车获得良好的作业状态和使用性能。

3 电气化单发洗扫车系统与工作原理

3.1 洗扫车概况

市面上绝大部份洗扫车属于吸扫式，即通过离心抽吸风机将垃圾箱抽至真空负压，采用气力输送的形式将路面清扫归拢后的垃圾利用高速流动的气流和负压将垃圾随车带走。而洗扫车还配备有高、低压水路系统，可在清扫道路的同时清洗路面。

从上装功率（能量）消耗的角度分析，消耗能量的部件主要有离心风机，其功率占总功耗的75%；高压水泵，用于洗扫作业时冲洗地面，功率占总功耗的15%；液压泵用于带动清扫装置旋转和卸垃圾时后门开启与箱体举升，功率占总功耗的5%。

3.2 电气化单发洗扫车动力原理

由于突出解决的问题在动力部分，因此上装等作业部分未做大的设计变动。为实现从底盘发动机输出第二路大功率动力，电气化单发系统构架如下：如图1、2所示通过ECM（汽车发动机控制模块）控制发动机的运转，发动机连接MG发电机，MG发电机连接变速箱，从而给环卫车行驶与发电机提供动力。PE控制器控制输出至电气化附件如驱动电机等的电流大小，以此实现各个总成的单独控制。同时，PE控制器会反馈信息至ECM，保证上装正常工作的同时使发动机处在一个相对经济的区间工况下运转。

图1 单发电气化系统构架

图2 动力系统结构剖视图

为确保动力解耦及不影响正常的行驶动力链，电气化单发的动力输出系统方案为在底盘发动机与变速箱之间串联大功率发电机，发电机上的动力轴同时作为发电机转子和行驶动力输出轴，发动机的输出轴与发电机动力轴的前端传动连接，发电机的动力轴后端通过相互配合的飞轮和离合器与变速箱的输入轴传动连接，发动机的一部分动力通过变速箱直接驱动车辆行驶，另一部分输出电能驱动上装作业系统，如图3所示。

图3 单发电气化系统构架

将发电机串联至发动机和变速箱之间，发电机后段设置飞轮盘再连接常规的离合器盘以维持原有最为成熟的动力链布置形式，此布置形式同时申请了实用新型专利（已授权）和发明专利。

除上述发动机部分电气化一分二路大功率动力外，其发电机输出的为三相交流电，其电压随着发动机转速的波动而波动，最高可达720 V。而带动风机和高压水泵作业转动的驱动电机输入电压需求为380 V交流电，因此采取的稳压方案为在发电机与驱动电机之间设置2个电机控制器将交流电先转化成560 V稳定直流电，再逆变成380 V稳压交流电。发电机控制器布置在靠近发电机的位置，同样驱动电机控制器布置靠近驱动电机，中间较长距离的高压电传输则用直流电更加安全。驱动电机通过皮带传输驱动风机、高压水泵、液压泵，高压水泵与传动轴通过气动离合器控制结合分离，液压泵为上装的箱体举升、清扫马达的转动、后门开启和吸盘的升降等提供动力。

发电机、驱动电机及控制器通过水冷系统进行冷却，系统控制器检测各项执行系统的运作，包括发动机、发电机、驱动电机的扭矩情况、是否有故障信息等。电能交直流通过控制器转换效率高于95%，相比传统的发动机运转损耗能耗低，系统控制器的各项参数控制更加精确。

3.3 功率的确定

功率的确定对上述系统中发动机的选型包括其马力的大小甚至外特性的标定、发电机和驱动电机的功率需求提供基础，功耗匹配是设计计算的重点。首先了解现有上装各部件在各种工况下的功率（扭矩）情况，其方法是在现有采用副发动机的双发车辆通过 C AN总线采集各个工况下发动机的净输出功率（扭矩）情况。计算如下。

3.3.1 系统总需求功率

系统总需求功率公式为：

分别在标准工况作业状态和强力清扫状态下，对应副发动机转速分别在1 650 r/min和1 850 r/min工况下通过CAN总线读取副发动机输出扭矩。系统输出功率即包含抽吸风机、高压水泵、液压齿轮泵全部负载的功率需求情况如下。

在全洗扫作业即抽吸风机、高压水泵、液压泵同时作业，副发转速1 650 r/min情况下，实测扭矩248 N m，反算功率W=248×1650÷9550=42.85 kW。全洗扫工况功率测算如表2所示。

表2 全洗扫工况功率测算

用同样的公式算法计算风机的输入功率，即将高压水泵、液压齿轮泵的输入断开，副发动机输出扭矩则为风机输入扭矩，风机功率测算如表3所示。

表3 风机功率测算

液压齿轮泵功率测算如表4所示。

表4 液压齿轮泵功率测算

进一步验证以上功耗分布满足实际作业需求，进行测试样车以在相应测试工况下进行作业洁净率试验，如表5所示。

从上述测试数据及验证结果可得出，按强力作业效果情况下核算系统最大功率需求为55 kW，即电气化系统（发电机、驱动电机）需满足该功率需求。

表5 测试样机洁净率试验数据

各主要零部件的选型取最大功率进行计算，即上装最高功率消耗为55 kW，即：P电≥P风max+P水max。由于洗扫车运行工况稳定，因此无需预留一定比例的富余上装功率，上装驱动电机功率选型按额定转速下功率达60 kW以上即可。为了满足设计通用性，风机、高压水泵等皮带轮和皮带可借用现有型号，驱动电机最高转速取1 900 r/min，驱动电机选取300 Nm即可。发电机考虑到清扫作业时发动机转速运行区间在低转速区间、能耗转换效率和备选供应商通用性选型，选取精进电动1 000 N m电机。

3.3.2 发动机功率（型号）的确定

该项目选取的平台为总质量18 t的某品牌底盘配置ISD210 50或ISD270 50动力，该底盘公告内可选的以上2组动力在物理硬件上相同，仅在发动机的标定上差别。针对以上2款发动机的外特性进行动力性分析，其外特性曲线如图4、5所示。

图4 ISD210 50外特性曲线

图5 ISD270 50外特性曲线

考虑到发动机转速与车速的线形关系，洗扫车作业状态均处于5～15 km的低速状态，即发动机低转速运行区间，因此发动机选择在低转速区间扭矩相对较大的类型。而ISD270 50的外特性曲线可明显地观察到当转速在1 100～1 700 r/min时，其扭矩达到最大趋于平稳，其动力性能可很好地满足该方案需求。

3.3.3 低压24 V系统的功率

低压24 V系统的功率也需重新核算，由于增加了水冷系统的循环驱动直流水泵、散热风扇、系统控制器和电机控制器等低压耗电元件，该底盘标配采用2组12V蓄电池并联为整车提供24 V用电，发动机自带75 A直流发电机。若直流发电机发电功率小于系统最大低压耗电功率，则持续作业有造成馈电的风险。系统最大低压24 V耗电情况为夜间作业时，开启底盘大灯、上装作业长排警示灯、音乐喇叭、冷却直流水泵、散热风扇和液压控制的电池阀等，总计641 W。因此由于增加了冷却水泵和散热风散的持续作业耗电元件，需加大发动机自带的直流发电机，目前该款发动机可选配件中可增加至110A型。

3.4 控制方案概况

该电气化路线单发洗扫车的控制方案是发动机直接带动发电机将能量传递给发电机，利用AC/DC控制器将发电机发出的交流电逆变成电压恒定的直流电，直流电再经DC/AC控制器逆变为电压恒定的交流电后控制电机的运行。上装控制器通过CAN总线将转速需要指令发送给AC/DC及DC/AC控制器，AC/DC及DC/AC控制器根据当前的转速需求转换为发电机功率扭矩需求，利用发电机的外特性控制发电机的扭矩，最终实现电机、风机的定转速控制而不受底盘发动机转速挡位等的影响。

发电机由发动机和离合器由轴连接，并位于它们之间，发电机工作与否不会影响到车辆的正常行驶，解决了由断轴取力方案带来的车辆不好挂挡位等问题。发电机与AC/DC控制器间采用高压三相线连接，AC/DC控制器与D C/A C控制器间采用直流高压线传输连接，DC/AC控制器与电机间采用高压三相线连接，电机通过输出装置连接带动风机、水泵、齿轮泵等负载。

4 安全防护系统设计

由于电气化系统涉及高压电气系统，因此安全防护系统的设计是核心之一。该系统的最高电压可达720 V，结合现有国内外纯电动车辆的安全防护构架，该系统相对纯电动车具有大容量动力电池的特点是无常电，仅需将发动机停止运行便无高压电源。因此相对纯电动元器件设置开盖断电保护，电气化单发系统在维护保养时仅需将发动机熄火即可。除了系统各部件电压显示，故障提示外，设置有绝缘监测、熔断保护功能。安全防护措施选择如表6所示。

表6 安全防护措施选择

5 电气化单发动机洗扫车的效果

5.1 节油效果

根据能量守恒原理，车辆作业时并未减少底盘行驶和上装作业的功耗，因此理论上所取得的节油一方面是由于减少了副发动机本身运行的功率损耗，另外是底盘主发动机运行在相对更加节油的区间工况。其原理是发动机运行过程中，其自身用于润滑、散热、热效率等损耗在3～5 kW之间，而输出同样的功率，不同转速其比油耗值也有所不同。再结合高压电气传输的效率更高，因此理论上各作业工况不同可节油15%～25%。

通过笔者单发洗扫车与普通双发环卫车辆进行对比测试，所选取的对比车辆区别仅在上装的动力系统，其他作业装置相同。由于油耗与路面工况如摩擦系数、平整度、天气（气温和是否下雨等）、甚至所经过的红绿灯情况等均有很强的关联。因此所采用的试验对比方法则为“背靠背”式作业对比，即试验车辆在相同时间，相同路段前后背靠背挨着以设定的模式进行作业对比。所消耗的燃油则直接利用称重法作为第一参考数据，CAN总线读取的油耗值作为第二参考数据，对比相同车速及作业模式的几组数据。作业路段选龙岩市新罗区开发区龙工路至龙腾路，包含有坡度路段、红绿灯、减速带等是较为典型的接近实际综合作业城市路段。计算原始数据得出电气化路线单发洗扫车可节油20%以上，与理论分析一致。测试数据如表7所示。

5.2 排放效果

项目实施阶段，底盘执行的为国Ⅴ排放标准，副发动机执行的为非道路国Ⅲ排放标准。因此对比电气化单发洗扫车与双发动机洗扫车的排放标准。首先，作业相同的时间工况减少了15%～25%的燃油消耗，其排放便相应减少了15%～25%；其次，原上装国Ⅲ排放的发动机燃油消耗排放均通过底盘国Ⅴ发动机及其后处理系统，因此通过对比非道路国Ⅲ排放标准与道路国Ⅴ排放值的计算便可得出电气化单发洗扫车整车的尾气排放减少情况。