港口传统燃油集装箱牵引车纯电动改造方案

齐永志

为了践行绿色发展理念，实现港口节能减排，广州港股份有限公司南沙集装箱码头分公司对部分传统燃油集装箱牵引车（以下简称“牵引车”）实施纯电动改造。改造后的电动牵引车的技术性能和安全性能全部达标，平均能耗成本与燃油牵引车相比大幅下降，取得较好的改造效果。本文以广州港股份有限公司南沙集装箱码头分公司的项目实践为例，介绍传统燃油牵引车纯电动改造方案，并提出改造方案涉及的技术要点，以期为港口相关设备“油改电”项目提供参考。

1 改造思路及整体布局

燃油牵引车纯电动改造思路如下：保持车辆原有底盘和主体结构不变，拆除原车发动机和变速箱及相关部件，保留车架、车桥、轮胎和鞍座等相关结构件，不改变车架原有固件特性;整车驱动依靠动力电池组和驱动电机，并对电气控制系统、散热系统、气路制动系统和空调系统等实施相应改造，从而使车辆的动力性能、安全性能及各项功能满足港区正常生产需求。根据上述改造思路确定电动牵引车整体布局（见图1）。

（1）整车共设置2组动力电池组，均置于特制的电池箱内。电池箱布置在车体大梁左右两侧前后轮之间，即原燃油箱位置及与其相对的启动电池位置，并且不超出车身宽度，从而利用原车空间结构保护动力电池组。

（2）拆除原车发动机和变速箱，将驱动电机安装于车体大梁中部位置，从而便于对驱动电机实施日常检查和维护，防止驱动电机受到外力冲击。

（3）五合一控制器、高压盒、充气泵和24 V蓄电池（低压电源）布置在驾驶室下方原发动机位置，从而有效防止电气元件因受到外力冲击或日晒雨淋而损坏。

（4）散热器布置在驾驶室下方保险杠后方位置，以便充分利用车辆行驶过程中的自然风提高散热效果，并且便于维修更换。

（5）高压线束布置在大梁内侧和电池箱内，以免撞击或沙石溅击引发高压短路故障。左电池箱左上角设置双枪充电接口（单枪充电电流不大于250 A），支持快充模式。

2 动力电池组

2.1 动力电池类型选择

对目前市场应用较为成熟的三元锂电池和磷酸铁锂电池进行比较：三元锂电池的优点是能量密度较高，缺点是安全性相对较差、成本较高、高低温适用性较差;磷酸铁锂电池的优点是安全性较好、使用寿命较长、高温性能较好、质量较轻、对环境无污染等，缺点是能量密度较低。考虑到港区用车特点，最终选用磷酸铁锂电池。

2.2 动力电池组容量计算

动力电池组容量越大，改造成本就越高;因此，在满足港区生产使用需求的前提下，应当严格控制动力电池组容量。结合牵引车在港区实际生产中的利用率、行驶速度和平均载质量等，分步计算所需的动力电池组容量。

2.2.1 牽引车驱动力

牵引车在行驶过程中的受力平衡公式为

F=F1+F2+F3+F4 （1）

式中：F为牵引车驱动力，N;F1为牵引车滚动阻力，N;F2为牵引车空气阻力，N;F3为牵引车坡度阻力，N;F4为牵引车加速阻力，N。

港区地面平整，并且牵引车在港区内长期低速行驶，坡度阻力和加速阻力可忽略不计，故式（1）可简化为

F=F1+F2（2）

牵引车滚动阻力可按牵引车平均载荷计算，即

F1=f譵譯（3）

式中：f为滚动阻力系数，港区采用水泥路面，取f=0.018;m为牵引车平均载质量，按实际数据，取m=25 800 kg;g为重力加速度，取g=9.8 m/s2。将以上参数代入式（3），计算后得到牵引车滚动阻力F1=4 551.12 N。

牵引车空气阻力的计算公式为

F2=證譇住譾2（4）

式中：C为风阻系数，港区内取C=0.28;A为牵引车迎风面积，牵引车宽2.65 m，高3.55 m，故A=9.407 5 m2; 为海平面空气密度，取 =1.225 kg/m3;v为牵引车行驶速度，按实际数据，取v=15 km/h。将以上参数代入式（4），计算后得到牵引车空气阻力F2=28.02 N。

将式（3）和式（4）的计算结果代入式（2），得到牵引车驱动力F=4 579.14 N。

2.2.2 牵引车耗电量

牵引车耗电量由驱动系统耗电量和辅助系统耗电量组成，即

W=W1+W2（5）

式中：W为牵引车每天耗电量，kW h;W1为牵引车驱动系统每天耗电量，kW h;W2为牵引车辅助系统每天耗电量，kW h。

牵引车驱动系统每天耗电量

（6）

式中：F为牵引车驱动力，F=4 579.14 N;s为牵引车平均每天行驶里程，按2021年实际数据，取s=120 km; 1为电机驱动效率，取 1=0.92; 2为动力电池组放电效率，取 2=0.98; 3为机械传动效率，取 3=0.92。将以上参数代入式（6），计算后得到牵引车驱动系统每天耗电量W1=184 kW h。

牵引车辅助系统每天耗电量

W2=P譼（7）

式中：P为牵引车辅助系统功率，取P=1 kW;t为牵引车平均每天作业时间，取t=20 h。将以上参数代入式（7），计算后得到牵引车辅助系统每天耗电量W2=20 kW h。

将式（6）和式（7）的计算结果代入式（5），得到牵引车每天耗电量W=204 kW h。

2.2.3 动力电池组容量

考虑到长期深度放电会缩短动力电池组使用寿命，将动力电池组的放电深度控制在80%～90%为宜。当动力电池组放电至荷电状态为15%时，由于电压随荷电状态降低而降低，从而使动力电池组的实际剩余能量占额定能量的比例略低于15%。按动力电池组剩余能量占额定能量的比例不低于15%计算，动力电池组额定能量至少应为204 kW h /（1 15%）=240 kW h，故动力电池组额定能量大于240 kW h即可满足牵引车使用要求。取动力电池组电压为600 V，则动力电池组额定容量应不小于 h/600 V=400 A h。

2.3 电池箱设计

为了有效保护动力电池组，防止动力电池组在使用过程中因过充、过放、过热或受外力冲击等而引发安全事故，应当将动力电池组集中放置于特制的电池箱内。电池箱设计要点如下：第一，防护等级不低于IP67，以确保在路面积水的情况下动力电池组不受损坏;第二，具有减震效果和足够的强度，并且内部空间足以保护动力电池组免受冲击;第三，在空间允许的情况下，尽量布置在远离驾驶室的位置;第四，方便对动力电池组实施维护检查和更换。

基于以上设计要点，在改造过程中设置2个电池箱，分别布置在车体大梁左右两侧前后轮之间（见图2）。将8组电池模块分别安装于2个电池箱内，每个电池箱内含4组电池模块。根据牵引车的轴距和轮距，将电池箱外形尺寸设计为？59.5 mm？915 mm，底部离地高度为，内部电池组离地高度为450 mm（见图3）。电池箱加工技术要求如下：（1）箱体结构支架焊接牢固，关键位置采用破口满焊方式，焊缝高度不低于5 mm;（2）箱体经喷漆防腐处理;（3）箱体盖板选用花纹板制作或粘贴防滑装置。

3 驱动系统

3.1 驱动系统设计方案

驱动系统主要由驱动电机、电机控制器、传动轴和驱动轮等组成，负责将动力电池组的电能转化为车轮的动能，是燃油牵引车纯电动改造的重要组成部分。驱动系统可选用以下设计方案。

方案一是参照原装电动牵引车驱动系统设置简单的变速箱。该方案无法使用原车出厂配置的变速箱，只能根据需求另行配置变速箱，从而导致改造成本增加。

方案二是取消设置变速箱，采用逆变器传递动力。该方案对驱动电机的启动转矩有较高要求。

方案三是将驱动电机安装在传动轴上，从而由驱动电机直接实现变速。[1]该方案无须另行配置变速箱，具有结构简单、动力输出平稳、传动可靠性较高、维护保养简单、操控灵活轻便和改造成本较低等优点;但该方案对驱动电机的要求较高，即驱动电机必须有较大的启动转矩和后备功率。

通过比较以上可选方案的优缺点，综合考虑改造成本以及牵引车在港区内长期低速行驶、载荷多变、启动频繁等工况，最终采用方案三作为驱动系统设计方案（见图4和图5）。该方案下动力传递路线为驱动电机→传动轴→驱动桥→轮胎，能量传递路线为动力电池组→高压配电箱→电机控制器→驱动电机。

3.2 驱动电机类型及参数

与交流异步电机相比，永磁同步电机的优点是：在功率和扭矩相同的情况下，永磁同步电机的体积较小且质量较轻，能够为其他部件提供更为充裕的布局空间。通过市场调研，最终选定符合实际应用需求的永磁同步电机作为驱动电机，主要技术参数见表1。

3.3 驱动电机散热系统结构

为了确保驱动电机和电机控制器在相应的温度范围内持续安全运行，对驱动电机散热系统实施改造。驱动电机散热系统结构如图6所示。

4 电气控制系统

电气控制系统分为低压电气控制系统和高压电气控制系统：低压电气控制系统主要由整车控制器和常規控制电路组成;高压电气控制系统主要由驱动控制电路、电动转向泵控制电路、电动空气压缩机控制电路、24 V蓄电池直流-直流变换电路、电动空调和动力电池管理系统等组成。电气控制系统原理如图7所示。

电气控制系统设计原则和技术要点如下：（1）采用可靠性较高、抗干扰性能较好、反应速度较快的控制器局域网总线系统，并通过综合显示屏显示各项参数，以便于操作和使用;（2）动力电池管理系统具备实时状态监控、数据处理、故障报警和分析等功能;（3）电气线路采用有足够容量的阻燃电缆，高压线束外套波纹管并规范固定。

5 空气制动系统

在原车独立双回路空气制动系统的基础上，加装电动空气压缩机（见图8），以实现空气制动。电动空气压缩机的空气管路中设有除湿装置和自动泄压排水装置，采用弹簧式驻车制动器，配置可快速拆装的标准接头和气管，具有牵拉补偿功能。保留原车的防腐储气筒，配置手拉式放水开关。带节流挂车阀安装于大梁后方，便于日常维修。电动空气压缩机的出气管路上加装空气冷却器，可有效降低气路温度，延长压缩机使用寿命。

电动空气压缩机推荐技术参数如下：额定功率4 kW，额定排气量380 L/min，额定排气压力，最大排气压力1.2 MPa，工作温度范围 30～65℃，噪声等级不大于75 dB。

6 电动空调系统

拆除原车由发动机皮带带动的空调压缩机，另行设计电动空调系统。电动空调系统主要由电动空调压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀和蒸发器等组成（见图9），通过铝管或胶管连接形成密封管路系统，制冷剂在该密封管路系统内运行。电动空调系统工作原理是：电动空调压缩机将制冷产生的冷空气或制热产生的热空气经过管道输送至驾驶室，从而达到调节驾驶室温度的目的。

电动空调系统设计原则和技术要点如下：（1）驾驶室仪表台保留原车空调出风口，采用电控方式调节出风量;（2）要求制冷速度快且制冷效果好，同时兼顾冬季制热功能。

7 电动转向系统

电动转向系统采用原车左置方向盘控制，并加装电动助力装置，主要由转向盘、转向管柱、转向器、转向垂臂、转向直拉杆、电动转向助力泵总成、转向油壶和转向管路等组成（见图10）。

电动转向系统设计原则和技术要点如下：（1）在车速不低于5 km/h的情况下，转向助力能够帮助驾驶员轻松操作方向盘实现转向;（2）采用循环球式转向器，缸径为120 mm，最大输出扭矩不小于 m;（3）电动转向助力泵能够按需求输出相应的扭矩和功率，从而在降低能耗的同时确保牵引车运行顺畅。

8 改造效果

基于以上改造方案，广州港股份有限公司南沙集装箱码头分公司于2021年12月底完成对15辆燃油牵引车的纯电动改造，并委托第三方特种设备检验检测机构核验改造后的电动牵引车的技术性能和安全性能。核验结果显示，改造后的电动牵引车的技术性能和安全性能全部达标。与传统燃油牵引车相比，改造后的电动牵引车不仅续航里程和动力完全满足港区生产作业需求，而且单箱能耗成本和单位里程能耗成本均大幅下降70%左右（见表2），取得显著的经济效益。如果将燃油牵引车全部改造为电动牵引车，或者进一步对集装箱堆高机、正面吊等其他港口设备实施电动改造，必将有效降低港口运行成本，解决传统燃油设备存在的能耗较高、污染物排放量较大等问题[2]，从而有利于实现绿色低碳港口建设目标，取得显著的经济效益、社会效益和环境效益。

参考文献：

[1] 李江，陈奇锋，张伟. 纯电动重卡动力总成结构研究[J]. 汽车实用技术，2021，46（19）：17-19.

[2] 王国川，朱小平，王宗社. 电动技术在卡车上的应用[J]. 汽车实用技术，2010，35（3）：31-34.

（编辑：张敏 收稿日期：2022-05-19）