纯电动环卫车电驱动系统构型设计方案

赵金宝

（河南工业贸易职业学院 汽车工程学院，河南 郑州 450000）

电动环卫车是一种节能环保的新能源汽车，不仅可以实现清运垃圾，同时还可以缓解能源和环境污染问题，电动环卫车在城市居民日常生活中占据了重要地位。市场上的纯电动环卫车，动/力平台大多延续传统作业车辆，主要采用主副电机分别驱动行驶和作业机构，由于主副电机工作工况不同，存在较大的功率冗余，影响整车效率，未能有效发挥纯电驱动的技术优势。

1 研究对象

本文以某款8.5吨压缩式纯电动垃圾车为研究对象，整车基本参数如表1所示。

表1 车型基本参数表

结合产品实际运营工况，所要求的动力性指标有30分钟最高车速≥100 km/h；最大爬坡度≥ 35%；0～50 km/h加速时间≤12 s；续驶里程≥250 km。

2 设计方案

2.1 当前主流方案构型

电驱动系统作为纯电动商用车动力平台的核心，其构型历来是相关机构研究的重点。目前，国内外纯电动商用车的驱动系统，一般分为集中式驱动系统和分布式驱动系统两类。集中式驱动，主要有电机直驱和电机加变速箱两种结构；分布式驱动，主要有轮毂电机+减速器、轮边电机+减速器、轮毂电机等型式三种构型方式。

不同构型系统优劣点对比如图1所示。

目前市场上在售的纯电动环卫车，多采用驱动电机与后桥连接做为动力输入，直接驱动车辆行驶，清扫/垃圾作业等装置的动力源，则由搭载的独立作业电机提供。

图1 不同系统构型优劣点对比

针对以上构型的优缺点分析及当前市场应用情况，研发一种覆盖作业和运输用途，且具有多种工作模式的电驱动系统新构型。新构型动力系统要能够实现车辆行驶/作业解耦、双电机耦合驱动、单电机独立驱动或独立作业等不同的模式，通过两个电机高效区的互补设计，实现换挡无动力中断和驱动/作业电机可分离控制，来提高电驱动系统的效率，降低系统功率的冗余。

2.2 新构型选取

针对纯电动环卫车种类繁多、电驱动系统集成度差、综合效率低的问题，基于纯电动环卫车工作原理，以及行星排功率耦合与分流的特性，论文中所研究的电驱动系统总体构型方案，采用双电机分别通过平行轴变速箱和行星排，进行动力耦合的电驱动系统新构型。

鉴于不同的连接方式，此结构可行成不同的构型方案，在构型设计的过程中，主要形成的构型方案如图2所示。

方案（a）工作模式设计为中低速行驶，采用单电机驱动，驱动电机在一挡/二挡挡位工作，作业电机不参与工作，太阳轮制动器分离，太阳轮 与行星架（拖动作业电机转动）自由转动；高速或大爬坡度行驶，驱动电机工作，驱动电机二挡或一挡工作，作业电机工作，参与驱动，太阳轮制动；行驶过程同步作业模式，驱动电机一挡工作，车辆低速行驶，太阳轮制动器分离，作业电机用于作业。

图2 过程构型方案

方案（b）工作模式设计为中速与低速行驶，单电机驱动，驱动电机一挡或者二挡工作，作业电机不参与工作，行星架制动器分离，太阳轮（拖动作业电机转动）与行星架自由转动；高速或大爬坡度行驶时，驱动电机与作业电机联合驱动，驱动电机二挡或者一挡工作，行星架制动，作业电机辅助驱动；行驶同时作业，驱动电机一挡驱动车辆低速行驶，行星架制动器分离，作业电机用于驱动作业装置作业。

方案（c）工作模式设计为低速与中速行驶，单电机驱动，驱动电机一挡或者二挡工作，作业电机不参与工作，行星架制动器分离，太阳轮（拖动作业电机转动）与行星架自由转动；高速或大爬坡度行驶时，驱动电机与作业电机联合驱动，驱动电机二挡或者一挡工作，行星架制动，作业电机辅助驱动；行驶同时作业，驱动电机一挡驱动车辆低速行驶，行星架制动器分离，作业电机用于驱动作业装置作业。

方案（d）工作模式设计为中低速行驶，单电机驱动，驱动电机一挡（行星架锁止）或二挡工作，变速箱空挡，作业电机不工作；高速或者大爬坡度行驶，双电机联合驱动，驱动电机二挡或者一挡工作，变速箱一挡，作业电机工作；边行驶边作业，驱动电机一挡工作，行星架锁止，车辆低速行驶，变速箱空挡，作业电机驱动作业装置工作。

鉴于（a）方案锁止太阳轮，作业电机需要低速大扭矩，致使电机细长，工艺性差，且转速与使用需求匹配不当，需要更改为锁止行星架；（b）方案、（c）方案的行星架锁止以及制动需求扭矩大，约为2 200 Nm，对结构强度要求高，结构不易实现；（d）方案控制齿圈和行星架的锁止机构较大，存在结构工艺性差，不易制造，可靠性差等问题与不足。

进而设计了如图3所示的构型方案，锁止机构锁止行星架，实现整车对动力系统的需求。该构型采用行星排连接2AMT结构，当变速箱结合套挂在Ⅰ位置，驱动电机端齿轮通过从动轮①连接传动齿轮，动力由齿圈输出，此时处于变速箱的一挡；当变速箱结合套在Ⅱ位置，从动轮①②空转，动力不输出，为空挡；当结合套挂在Ⅲ位置，驱动电机端齿轮通过从动轮②连接传动齿轮，通过齿圈进行动力输出，此时速比关系为变速箱的二挡。

作业装置可通过气压离合器与作业电机端齿轮伸出轴相连，作业电机端齿轮通过从动轮③和行星架连接齿圈、太阳轮进行动力输出。行星排结合套在两个位置，分别用于对行星架的锁止或分离，Ⅳ位置锁止行星架与变速箱壳体，Ⅴ位置将行星架与壳体分离。

当气压离合器分离时，行星排结合套位于Ⅳ 位置，行星排结合套锁止，作业电机端齿轮通过从动轮③与太阳轮连接，动力最终由齿圈输出，动力由驱动电机和作业电机共同提供；当气压离合器结合，行星排的结合套在Ⅴ位置，行星排与结合套分离，行星架和太阳轮空转，行驶动力由驱动电机提供，作业装置由作业电机驱动。

图3 纯电动环卫车动力系统构型图

2.3 新构型工作模式

此构型共有六种工作模式，如表2所示。

表2 动力系统工作模式表

模式一和模式二状态，行星架分离，驱动电机工作，作业电机不工作，车辆只行驶不作业，此时变速箱在一挡或二挡。

模式三和模式四状态，行星架锁止，驱动电机与作业电机同时工作，驱动车辆行驶，作业装置不工作，此时变速箱为一挡或二挡。

模式五状态，行星架分离，驱动电机不工作，作业电机可驱动作业装置，车辆原地作业。

模式六状态，行星架分离，驱动电机提供驱动动力，同时作业电机为作业装置提供动力，车辆边行驶边作业。

3 参数匹配

电驱动系统参数匹配，包括双电机性能参数、电驱动系统传动比和动力电池参数的设计计算与匹配。

基于纯电动环卫车整车参数和动力性能指标，以整车动力性要求为输入，匹配电机的持续功率和峰值功率，获取动力系统总功率需求。依据纯电动环卫车运行工况进行参数匹配与优化设计，并考虑冗余小、通用化程度高等因素，以此来匹配驱动电机和作业电机峰值、额定功率、转矩及最高转速、变速箱各挡速比等参数，最终的参数匹配结果如表3所示。

表3 整车关键部件匹配参数表

4 整车模型建立

本文基于Matlab/Simulink，搭建纯电动环卫车的动力学模型，根据纯电动环卫车的动力系统构型和能量流向，建立六自由度动力学模型。

整车控制器是车辆动力学的核心，此模块设计制动力矩分配策略或驱动力矩分配策略，并根据滑移率控制踏板开度；驾驶员模型能够模拟驾驶员驾驶，使用PI控制方法跟随目标工况；轮胎模型采用“魔术公式”方法建立，描述轮胎分力与车轮运动参数之间的关系；车体模型包括车辆横摆角位移、侧向位移、纵向位移3个自由度。

车体数学模型如下

车轮模型，车轮坐标系中横向以与车轮前进方向垂直的左边为正，垂向以竖直向上为正，纵向以车轮前进方向为正。

车轮数学模型为

路面模型，将路面模型简化为滚动阻力系数、路面坡度和附着系数三个输入量，搭建仿真模型，即

5 仿真分析

世界统一的重型商用车辆瞬态循环（China- World Transient Vehicle Cycle, C-WTVC）， 0～900 s为市区部分，901 s～1 368 s为公路部分，1 369 s～1 800 s为高速部分。由于纯电动环卫车只在市区和公路工况中运行，本文选取的仿真工况为前1 368 s的工况。

在运行过程中，纯电动环卫车的总需求转矩和驱动电机的转矩变化情况，纯电动环卫车动力电池芯片级系统（System on Chip, SOC）变化。在整个循环工况下，SOC变化平缓，在某些时段内，有小幅度上升的趋势，如图4所示。

图4 运行过程中扭矩及SOC变化曲线

基于平行轴变速箱与行星排集成的多模高效电驱动系统构型，采用双电机高效区互补设计，换挡无动力中断，驱动/作业电机可分离，可实现双电机的耦合驱动、单电机独立驱动/作业、行驶与作业解耦等多种工作模式，一套动力系统可满足运输和作业两种用途的使用需求，可降低系统功率及转矩冗余，提高系统效率。

该动力系统构型可组合多种行驶、作业，以及行驶+作业的工作如下：

模式一：驱动电机1挡单独驱动；

模式二：驱动电机2挡单独驱动；

模式三：驱动电机1挡+作业电机；

模式四：驱动电机1挡+作业电机联合驱动；

模式五：驱动电机2挡+作业电机联合驱动。

不同行驶模式下，纯电动环卫车爬坡曲线如图5（a）所示，驱动电机在变速箱1挡和作业电机耦合工作时，最大爬坡度超过35%。

图5 动力性曲线图

当驱动电机在1挡且和作业电机耦合工作时，此时加速最快，纯电动环卫车仿真加速曲线如图5（b）所示，0～50 km/h加速时间小于10 s。

整车的经济性仿真基于等速法与工况法（C-WTVC）进行，结果如表4所示。驱动电机在变速箱1挡和作业电机耦合工作时，最大爬坡 度可超过35%，驱动电机1挡和作业电机耦合工作时，加速时间约为6.1 s，动力性、经济性指标达到了要求，证明新构型电驱动系统参数匹配的有效性。

表4 纯电动环卫车仿真结果

6 结论

本文从分析当前纯电动环卫车构型，主要存在系统集成度差、综合能效低等问题。基于此提出了一种基于平行轴变速箱与行星排集成的多模高效电驱动系统新构型。通过分析对比该构型的不同连接方式，最终确定方案，用一套动力系统同时满足运输和作业两种用途的使用需求，同时还降低电驱动系统的功率和转矩冗余并提高电驱动系统效率。仿真分析也证明了各项性能指标达到了要求，验证了设计方案的有效性。