純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車作為新能源汽車中的重要部分，大力推進(jìn)該領(lǐng)域不同類型車型的大力發(fā)展，已成為當(dāng)下新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。為此，重點(diǎn)對(duì)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的市場(chǎng)概況、結(jié)構(gòu)類型及結(jié)構(gòu)組成、近期公告車型及未來(lái)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)車型等方向進(jìn)行了分析，掌握了當(dāng)前環(huán)衛(wèi)車領(lǐng)域的總體現(xiàn)狀，這對(duì)后期企業(yè)有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車、保障所開(kāi)發(fā)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車具有高性價(jià)比具有重點(diǎn)指導(dǎo)作用。

1 環(huán)衛(wèi)車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)指標(biāo)及分析

1.1 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)

本次設(shè)計(jì)的純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)主要是最高車速、爬坡性能和綜合電耗，其次為加速性能：最高車速Vmax，km/h；最大爬坡度imax；綜合工況電耗Q，kWh/100 km；加速時(shí)間t，s。

1.2 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的行駛阻力

根據(jù)整車縱向動(dòng)力學(xué)特性，純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車在行駛過(guò)程中，所受阻力包括空氣阻力Fw、滾動(dòng)阻力Ff、加速阻力Fj及坡道阻力Fi，其驅(qū)動(dòng)力Ft與阻力關(guān)系可表示為

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi（1）

（2）

考慮到實(shí)際上正常道路的坡道角不大，cosα≈1，sinα≈tanα，常將上式寫為

（3）

式中，Tm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩；ig為變速器傳動(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；m為環(huán)衛(wèi)車總質(zhì)量；r為輪胎滾動(dòng)半徑；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；α為坡道角；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；u為車速；ua為環(huán)衛(wèi)車與空氣相對(duì)速度（風(fēng)速為0時(shí)，ua=u）[1]。

1.3 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的功率平衡

純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車行駛過(guò)程中，電機(jī)的有效功率和行駛阻力功率相互平衡。假定風(fēng)速為0，其驅(qū)動(dòng)功率Pm與阻力平衡關(guān)系可表示為

（4）

電機(jī)的額定功率應(yīng)滿足整車對(duì)最高車速的要求，額定功率應(yīng)不小于車輛以最高車速平路勻速行駛時(shí)的阻力功率，同時(shí)考慮電機(jī)的過(guò)載要求[2]。

即

（5）

電機(jī)的峰值功率應(yīng)能滿足車輛的爬坡性能要求，即

（6）

電機(jī)的峰值功率也應(yīng)滿足車輛的加速性能要求，即

（7）

式中，uf為加速后的車速，m/s；ub為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的車速，m/s；ρα為空氣密度；tα為預(yù)期加速時(shí)間，s；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)[3]。

1.4 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的最高車速

純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的最高車速是指在水平良好的路面（混凝土或?yàn)r青）上環(huán)衛(wèi)車能達(dá)到的最高行駛車速。最高車速計(jì)算公式為

（8）

確定最高車速時(shí)，需要同時(shí)考慮功率平衡（式（5）），聯(lián)合得出最高車速。

1.5 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的加速時(shí)間

純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車加速時(shí)間表示其加速能力，分為原地起步加速時(shí)間和超車加速時(shí)間。本文提到的純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車由于其低速作業(yè)特性，只關(guān)注其原地起步加速時(shí)間，且加速時(shí)間不作為重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)。計(jì)算公式為

（9）

式中，a為車輛直線行駛加速度，m/s2。

1.6 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的最大爬坡度

純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的最大爬坡度一般指滿載良好路面I擋最大爬坡度。爬坡度用坡道角正切值的百分比表示，計(jì)算公式為

（10）

1.7 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的綜合工況電耗

本次設(shè)計(jì)的純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的經(jīng)濟(jì)性采用綜合工況下車輛行駛百公里的耗電量來(lái)衡量。

在進(jìn)行純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)整車總體性能指標(biāo)，設(shè)定動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)參數(shù)，再據(jù)此選定動(dòng)力鏈系統(tǒng)參數(shù)[4]。

2 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車設(shè)計(jì)實(shí)例

以某款純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車為例，該車組成如圖1所示。

圖1 某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車組成

整車參數(shù)如表1所示。

表1 某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車整車參數(shù)

整車性能要求：

1）最高車速Vmax=89 km/h；

2）最大爬坡度imax≥20%；

3）綜合工況電耗Q＜100 kWh/100 km；

4）0～30 km/h加速時(shí)間t≤15 s。

2.1 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的動(dòng)力需求

根據(jù)式（5）可得，動(dòng)力需求額定功率P額=97 kW；

根據(jù)式（6）、式（7）可得，動(dòng)力需求額定功率P峰=125 kW；

根據(jù)式（3）可得，動(dòng)力需求峰值扭矩T峰= 25 000 Nm。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，確定動(dòng)力鏈需求如表2所示。

表2 某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車動(dòng)力鏈需求

2.2 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的路譜采集

選取主銷區(qū)域環(huán)衛(wèi)車典型作業(yè)行駛工況，利用speedbox車載記錄儀跟車采集環(huán)衛(wèi)車路譜數(shù)據(jù)，作為車輛仿真輸入，開(kāi)展整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性分析。

圖2 環(huán)衛(wèi)車實(shí)車路譜

2.3 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的動(dòng)力鏈技術(shù)路線

根據(jù)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車整車動(dòng)力需求，充分考慮電驅(qū)橋、中央直驅(qū)、雙電機(jī)3種技術(shù)路線，共匹配8條動(dòng)力鏈方案，如圖3所示。

圖3 8種動(dòng)力鏈方案

技術(shù)路線一：從整車降重和提升動(dòng)力鏈效率出發(fā)，匹配電驅(qū)橋方案，初選3條電驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)力鏈，其中，第1條為電機(jī)直接與驅(qū)動(dòng)橋主減速器集成，未增加變速器，動(dòng)力性較弱，且應(yīng)用較少；第2、3條電驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)力鏈為電機(jī)+4AMT+驅(qū)動(dòng)橋集成方案，路況適應(yīng)性好，動(dòng)力較強(qiáng)。

技術(shù)路線二：從動(dòng)力鏈總體成熟度與可靠性出發(fā)，初選4條中央直驅(qū)動(dòng)力鏈方案，其中，第4、5、6條為電機(jī)+6AMT+傳動(dòng)軸+驅(qū)動(dòng)橋組合，僅對(duì)電機(jī)+6AMT進(jìn)行優(yōu)化匹配，動(dòng)力強(qiáng)勁，可靠性高；第7條為電機(jī)+4AMT+傳動(dòng)軸+驅(qū)動(dòng)橋組合，爬坡稍遜于6擋，但有成熟應(yīng)用案例。

技術(shù)路線三：從競(jìng)品對(duì)標(biāo)角度出發(fā)，針對(duì)某競(jìng)品雙電機(jī)技術(shù)方案，選型某成熟雙電機(jī)動(dòng)力鏈，由于電控非自主提供，成本較高，且爬坡性能稍遜于直驅(qū)。

2.4 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的多動(dòng)力鏈配置計(jì)算

根據(jù)該純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車整車和各總成部件參數(shù)，基于Cruise工具軟件，建立如圖4所示的整車仿真模型，輸入整車及電機(jī)、動(dòng)力電池等各功能模塊參數(shù)，并添加機(jī)械、電氣、總線信息連接。

圖4 某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車Cruise仿真模型

模塊之間的機(jī)械連接完成后建立總線信息連接，如圖5所示。

圖5 某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車模型信號(hào)連接

圖6 某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車模型參數(shù)輸入

模塊之間的機(jī)械連接和總線信息連接完成后，需要設(shè)置模型中各模塊參數(shù)，這些參數(shù)其實(shí)在前期整車方案設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)完成了梳理，可直接填入。如圖6所示為整車參數(shù)的設(shè)置。

表3 電驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)路線動(dòng)力鏈仿真參數(shù)

表4 中央直驅(qū)技術(shù)路線動(dòng)力鏈參數(shù)

基于圖3多動(dòng)力鏈配置方案，3種技術(shù)路線對(duì)應(yīng)的仿真計(jì)算所用動(dòng)力鏈參數(shù)如表3－表5所示。

表5 雙電機(jī)技術(shù)路線動(dòng)力鏈參數(shù)

基于以上參數(shù)輸入，分別設(shè)置最高車速、爬坡性能計(jì)算任務(wù)；然后，結(jié)合環(huán)衛(wèi)車實(shí)采路譜，定義循環(huán)作業(yè)工況，設(shè)定百公里電耗計(jì)算任務(wù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可得該純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車不同動(dòng)力鏈動(dòng)力性能及百公里綜合電耗。

匯總上述計(jì)算結(jié)果，同時(shí)整理8條動(dòng)力鏈重量、成本數(shù)據(jù)，如表6所示。

表6 某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車多動(dòng)力鏈性能

注：表中價(jià)格僅用于方案對(duì)比。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，動(dòng)力鏈1動(dòng)力參數(shù)不滿足整車要求（其中最高車速要求89 km/h，爬坡≥20%），故不采用；

動(dòng)力鏈2和3電驅(qū)動(dòng)橋方案，由于其系統(tǒng)匹配尚不成熟，成本太高且電耗及重量不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在本次產(chǎn)品設(shè)計(jì)中暫不采用；

動(dòng)力鏈4、5、6、7中央電驅(qū)動(dòng)力鏈方案為本次優(yōu)化的重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)電機(jī)和變速器均進(jìn)行了優(yōu)化選型，提高電機(jī)高效區(qū)同時(shí)控制成本同時(shí)采用多擋方案。動(dòng)力鏈5就是在控制成本、質(zhì)量基礎(chǔ)上，選擇了map優(yōu)于其余3條動(dòng)力鏈的高效電機(jī)，電機(jī)高效區(qū)范圍增加的同時(shí)，成本和重量控制最低，為本次動(dòng)力鏈設(shè)計(jì)最優(yōu)化方案。電機(jī)系統(tǒng)map如圖7所示。

圖7 某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車部分動(dòng)力鏈電機(jī)系統(tǒng)map

動(dòng)力鏈8為某競(jìng)品車型方案，考慮競(jìng)品為自主開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，忽略動(dòng)力鏈成本和重量數(shù)據(jù)，僅從表6中動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性可以看出，競(jìng)品方案并不具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

綜上，經(jīng)過(guò)動(dòng)力鏈匹配優(yōu)化，確定動(dòng)力鏈5為本次純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車整車動(dòng)力鏈。

3 結(jié)論

本文根據(jù)某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，通過(guò)理論計(jì)算，初步選型動(dòng)力鏈系統(tǒng)參數(shù)，然后結(jié)合實(shí)車路譜采集，建立該純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車仿真模型，完成多動(dòng)力鏈配置動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證，最后，從動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、成本、質(zhì)量等方面綜合分析，確定最佳動(dòng)力鏈配置組合。

審核編輯：湯梓紅