带有CNG 增程器的电动垃圾清运车的开发

周慧琴 常丽达

概要：德国曼商用车公司和IAV 公司合作开发了一款电动垃圾清运车。该车拥有纯电动传动系统和增程器模块。增程器模块基于使用压缩天然气(CNG)的内燃机和通常用于驱动乘用车的发电机。通过使用增程器模块，将大大增加电动卡车的续驶里程。

德国曼商用车公司和IAV公司在名为“Assured”项目的框架下合作开发了一款带有CNG(压缩天然气)增程器的纯电动垃圾清运车。其中，曼公司负责整车开发，IAV公司负责增程器模块的开发。Assured 项目受到“欧盟地平线2020 计划”的资金支持。

增程器模块基于以压缩天然气(CNG)为燃料的内燃机而开发，并配置一台通常用于为电动轿车提供驱动力的发电机。通过使用增程器模块，电动垃圾清运车的续航里程大大增加，而且在城市中心运行时不会产生任何排放。图1为该电动垃圾清运车的测试样车。

图1 CNG 增程式电动垃圾清运车

1 整车布置方案

电动垃圾清运车的原型车是MAN TGM 6×2/4 底盘，车辆总质量26 t，轴距4 125 mm，有效载荷约10 t，由峰值输出250 kW 的电驱动轴驱动。车辆搭载的700 V 蓄电池可存储约150 kWh 的能量。蓄电池可以通过CCS 2 型(充电功率最高150 kW DC)充电接口或通过增程器模块进行充电。

图2 为该样车的底盘布置示意图。8 个高压(HV)蓄电池中的6 个悬挂在专门为蓄电池安装而开发的梯形框架内，其他2个蓄电池安装在梯形框架以外(和带副气箱的增程器模块一起)。考虑到电磁兼容性，高压(LV)和低压(LV)电缆在车辆的右侧和左侧尽可能分开，并集中在单独的分配器中。MicroAutoBox 集成在低压分配器中。研发团队为此专门开发了用于行车控制以及能源和热管理的软件。通过使用热泵减少了驾驶室供暖所需的能量，从而增加了续驶里程。

图2 样车底盘部件和子系统布置图

2 能量和热管理系统

冷却系统和空调系统的结构如图3所示。3 个耦合的冷却回路可以通过适当的阀位相互交换冷却剂，从而交换热流，即：带有高压(LV)蓄电池的低温(LT)冷却回路，带电驱动器的高温(HT)冷却回路-轮轴和辅助单元(DC/ DC 转换器和空气压缩机)以及驾驶室供暖回路。高温(HT)回路通过主冷却器将热量散发到周围区域，或者在需要时散发到驾驶室供暖回路。在低温(LT)回路中，高压(HV)蓄电池通过冷却器套件中的热交换器或可切换的热泵进行冷却。驾驶室供暖回路由高温(HT)回路和增程器模块以及热泵的余热提供热量。

图3 冷却系统与热泵系统示意图

冷却回路主要由700 V 压缩机、2个空气冷却器和2 个冷却液冷却-热交换器以及用于调节和切换热泵的电子冷却阀组成。这个空气-水热泵使动力电池及其内部得以冷却，并由环境热和高压(HV)电池的余热向驾驶室供暖。此外，可以在行车开始前以节能的方式对蓄电池进行预处理，而无需将车辆连接到充电桩上充电。

在由轿车部件组成的可切换式热泵系统中，使用R744(CO2)作为冷却剂，在加热效率和环境兼容性方面，它比目前常见的制冷剂R134a 和R1234yf 具有优势。与纯电加热操作相比，借助该系统，车辆行驶距离最多可以增加8%。通过使用来自电动牵引部件的废热，还能够进一步提高能源效率。

3 发动机和增程器电机

增程器模块(基于天然气发动机)是为本研究项目专门开发的，将用于提升续驶里程和能量管理。电机的驱动装置选用1.4 L 的CNG 增压发动机，这款发动机通常在大众高尔夫轿车中使用。该发动机在转速达到4 800 r/min 时可提供81 kW 的最大输出功率，在转速达到1 500 r/min 时可提供200 Nm 的最大转矩。使用这种紧凑型发动机，可以在低于3 000 r/min 转速下以低噪声运转获得所需的充电功率。除废气系统外，这款发动机不需要进行其他大的改动。

所选的HEM80 型80 kW 电机是大众汽车的横置式模块化系统DQ400e 变速器的一部分，因此可以直接与发动机连接；不需要的变速器位置由铝板填补。与原本采用的400 V蓄电池不同，项目车辆采用700 V蓄电池，为之充电的永久励磁三相同步电动机需要进行一些修改。

由于电压较高，大众车型中使用的逆变器被Aradex 组件所取代。该组件的设计电压高达800 V。由于没有集成的DC/DC 转换器，因此增程器模块的12 V 组件通过单独的电压转换器供电，该电压转换器由车辆的24 V 电气系统供电。

4 增程器冷却系统的设计和操作条件

增程器模块具有3 个分冷却回路。用于冷却电气部件的回路，通过液压方式断开，如图4。图4 中，这3 个冷却器采用串联方式连接。电风扇带有抽气装置，即使在进气口温度为40 ℃(环境温度为35 ℃，由于再循环需要再增加5℃)时，也必须提供全部所需的冷却空气，而无需借助风力的支持。组合式水泵恒温器模块安装在内燃机上，该模块将废热引导至高温冷却器。

图4 增程器模块的冷却系统结构图

发动机和涡轮增压器的增压空气通过单独的低温(LT)子回路进行冷却。

由于电机和电力电子设备要求最低的冷却液温度，因此需要提供另一个低温(LT)回路。由于最小流量是电力电子设备中最重要的因素，因此该冷却回路与发电机和低温(LT)冷却器2 串联连接。另外，来自增程器模块的废热通过接口向车辆供热，以便在冬天向驾驶室供暖。

5 增程器控制系统的架构和策略

增程器控制器是增程器模块的控制中心，它与车辆通信并接收产生电能的请求。它还将命令提供给发动机控制模块(ECM)和逆变器，并确定这些组件的执行参数。此外，它通过监视组件温度并通过激活冷却泵和风扇来调节组件温度，并管理冷却系统。另外，增程器控制器监控系统完整性，并在必要时节流或关闭增程器。在设计软件和诊断功能时，研发人员分析并考虑了风险及其对安全的影响。图5 为增程器模块的控制系统架构。

图5 增程器模块的控制系统架构

增程器模块的控制软件在Dragoon控制单元上运行。该设备由IAV 开发，作为通用控制单元(UCU)，可用于多种用途。该软件由硬件接口程序、系统协调器、诊断功能和实际组件控制组成。系统协调器定义诊断功能和组件控件的系统行为。它还提供其设定值，从中可以计算出内燃机、整流器和冷却系统的指令信号。此外，系统的完整性通过诊断功能进行监控，例如在CAN 总线超时或出现不允许的温度偏差的情况下。

电力的调节需要一种策略来控制发动机-发电机网络的速度和转矩。由于整流器已经具有可以校准的内部速度控制模式，因此可用于速度控制。转矩由内燃机施加，因此逆变器的内部速度控制器可以将反转矩施加到电机上，从而输出所需的电能。

6 电机的温度监控

内燃机和变流器具有自己的温度控制和监控功能，而电机的温度必须由增程器控制器进行监控。定子的温度由负温度系数(NTC)传感器记录在绕组中，但转子磁体的温度无法直接测量。为了能够间接确定磁体的温度，已经实现了一种特殊模式；在该模式中，增程器模块在空闲模式下工作。在这种状态下，可通过在几秒内测量开路电压来间接得出磁体温度。根据磁体温度达到临界值的接近程度，以不同的时间间隔进行测量。目前已经实现了一个简单的经验温度模型，以延长空闲测量之间的时间间隔。每次从自由运行模式获得新的温度测量值时，都会重新进行校准。

7 CNG 气瓶和增程器模块的结构

CNG 模块的结构如图6 所示，共包括4 个1 型钢制气瓶以及相关的阀门。每个气瓶的长度为700 mm，直径为287 mm，容量为34.5 L。如果所有4 个气瓶都充满20 MPa 的压力，则气体质量约为22 kg，相当于使用氢气时的能量含量约为286 kWh。

图6 带有4 个不锈钢气瓶的CNG 模块

图7 所示为具有主要组件而没有管道和电缆的增程器模块的结构。出于布局原因，必须将冷却风扇模块对角安装在机架中。以此方式，可以将热敏电子部件和逆变器放置在冷却器的冷空气入口侧。左下角的框架包含增程器控制单元和DC/ DC 电压转换器(24/12 V)。冷却液膨胀箱也位于此区域。

所有适用于高达100°C 环境条件的组件均位于冷却器模块的后面。在图7 中，由冷却模块覆盖的发电机位于发动机的前面。在计算机辅助确定必要强度的基础上，框架在主要载荷点处进行了专门加固。

图7 带有主要组件的增程器模块

8 总结

曼商用车公司和IAV 公司正在合作开发一款电动垃圾收集车，该垃圾收集车具有纯电动传动系统以及增程器模块。在该项目范围内，曼负责卡车底盘开发，IAV 负责增程器模块的开发。增程器模块基于使用压缩天然气(CNG)运行的内燃机和通常用于驱动乘用车的发电机。

增程器模块在车辆运行时可以为电池提供高达100 kWh 的额外电能。通过使用一种专门开发的充电策略，该模块将尽可能地在城区以外提供这种能量，以避免在市区内产生噪声和废气排放。如果测试成功，则该增程器模块也可用于其他车型。通过将CNG 转换为氢气运行，未来增程器模块还可实现完全零排放的应用。