純電動(dòng)抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

顏仁喆楊斌王英豪馬軍偉

1.甘肅建投重工科技有限公司 甘肅蘭州 730000

2.甘肅省建設(shè)投資（控股）集團(tuán)總公司 甘肅蘭州 730000

1 前言

為響應(yīng)國(guó)家“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”計(jì)劃號(hào)召，城市霧霾以及工地、礦區(qū)漂浮顆粒物的治理尤為重要。抑塵車作為一種專門針對(duì)大氣霧霾和施工現(xiàn)場(chǎng)漂浮顆粒物治理的專用車輛在近幾年已經(jīng)被廣泛使用，但是市場(chǎng)上大多數(shù)抑塵車都是在燃油底盤的基礎(chǔ)上采用副發(fā)動(dòng)機(jī)或者車載發(fā)電機(jī)作為噴霧機(jī)和低壓水路系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)，這種模式的抑塵車在工作狀態(tài)下噪聲大、安全系數(shù)低，且副發(fā)排放往往達(dá)不到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，因此就出現(xiàn)了“一邊治理，一邊污染”的尷尬局面。針對(duì)這種不足，本文設(shè)計(jì)了一種適用于純電動(dòng)二類底盤的抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)，為抑塵車噴霧機(jī)和低壓水路能夠在純電動(dòng)底盤上可靠應(yīng)用提供了解決方案。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

純電動(dòng)抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)主要包括噴霧機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和低壓水路動(dòng)力系統(tǒng)，其中噴霧機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由三部分組成：即風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、離心泵動(dòng)力系統(tǒng)和液壓站動(dòng)力系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

設(shè)計(jì)依托變頻器控制技術(shù)、CAN網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、PLC控制技術(shù)、組態(tài)控制技術(shù)等，搭建了一個(gè)適用于純電動(dòng)二類底盤的抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)。系統(tǒng)的總動(dòng)力源取自底盤動(dòng)力電池組，通過CAN網(wǎng)絡(luò)通信從底盤VCU向上裝控制分配直流高壓電能，電機(jī)控制器一方面將直流高壓電能直接分配到噴霧機(jī)動(dòng)力柜，另一方面通過內(nèi)部的逆變模塊和功率模塊將調(diào)制好的三相交流電輸出至永磁同步電機(jī)。

噴霧機(jī)動(dòng)力柜內(nèi)安裝三臺(tái)矢量變頻器，變頻器直流母線獲取上裝控制器分配到的直流電能，三臺(tái)變頻器負(fù)載分別為噴霧機(jī)的風(fēng)扇電機(jī)、多級(jí)離心式水泵電機(jī)和液壓站油泵電機(jī)，為噴霧機(jī)完成水霧化、吹霧和噴霧機(jī)舉升和回轉(zhuǎn)工作提供動(dòng)力。

3 低壓水路動(dòng)力系統(tǒng)搭建

3.1 電機(jī)及電機(jī)控制器選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是低壓水路動(dòng)力系統(tǒng)的核心動(dòng)力部件，不僅要有利于整車上裝輕量化和上裝部件安裝空間節(jié)約化，還要能根據(jù)實(shí)際使用需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速切換，以保證上裝執(zhí)行部件能夠滿足各種工況需求。傳統(tǒng)使用的三相交流異步電動(dòng)機(jī)具有電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修費(fèi)用低的特點(diǎn)，但是其功率損耗大，電機(jī)發(fā)熱量高并且啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊大，逐漸不能適應(yīng)車載狀態(tài)下的應(yīng)用。然而永磁同步電機(jī)則是一種具有永磁體勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的電機(jī)，這種電機(jī)幾乎沒有勵(lì)磁功率損耗，而且水冷式的永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在車載狀態(tài)下裝配[1]。

圖2所示為本次選用某型永磁同步電機(jī)，其額定功率為35 kW、額定轉(zhuǎn)速為2 100 r/min、額定扭矩160 N M，液冷式結(jié)構(gòu)，能夠滿足負(fù)載水泵的動(dòng)力需求。永磁同步電機(jī)控制器，選用了一款型號(hào)為Q123-54-040LHD的電機(jī)控制器，該控制器適用于三相永磁同步電機(jī)，且支持直流分配，可以在驅(qū)動(dòng)低壓水泵電機(jī)的同時(shí)向噴霧機(jī)系統(tǒng)分配電能，以滿足本次設(shè)計(jì)的需要，CAN通訊網(wǎng)接口可與底盤動(dòng)力網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)有載情況下的預(yù)充上電流程。雙面液冷式結(jié)構(gòu)可以有效提高系統(tǒng)效率，并且和電機(jī)單元能夠融洽地結(jié)合，提高系統(tǒng)的整體性[2]。

圖2 低壓水路系統(tǒng)布局

3.2 底盤動(dòng)力網(wǎng)通訊

整車選用的底盤是一種開放了預(yù)充的純電動(dòng)二類底盤，因此在搭建上裝動(dòng)力系統(tǒng)的時(shí)候必須要應(yīng)用一種基于CAN總線通訊技術(shù)的控制設(shè)備，譬如在本次設(shè)計(jì)中選用的永磁同步電機(jī)控制器。因此上裝系統(tǒng)裝配的時(shí)候，要將電機(jī)控制器與底盤CAN動(dòng)力網(wǎng)進(jìn)行連接，其組網(wǎng)對(duì)接形式如圖3所示。

圖3 對(duì)接組網(wǎng)圖

當(dāng)駕駛員需要實(shí)施上裝系統(tǒng)操作的時(shí)候，在底盤“OK”點(diǎn)亮的情況下，首先需要開啟駕駛室內(nèi)的上裝取電開關(guān)，為保證底盤VCU及上裝控制系統(tǒng)安全，此時(shí)VCU內(nèi)部給上裝送電單元的主繼電器并不會(huì)立即閉合，而是BMS會(huì)開始給上裝走預(yù)充上電流程，此時(shí)上裝控制器需要將實(shí)際獲取到的預(yù)充電壓立即反饋至底盤VCU VCU在接收到某一幀報(bào)文后對(duì)當(dāng)前報(bào)文進(jìn)行判斷，整個(gè)上裝系統(tǒng)上電流程如圖4所示。

圖4 上裝系統(tǒng)上電流程

4 噴霧機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)搭建

4.1 主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴霧機(jī)作為抑塵車的核心單元主要承擔(dān)著將水罐的清水通過過濾器再經(jīng)過多級(jí)離心泵送到噴霧機(jī)的噴頭處，由軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的巨大風(fēng)量將噴頭霧化后的水滴吹至幾十米高的空中，霧化水滴在空氣中會(huì)和空氣中的微小顆粒粘合，最后在重力的作用下落至地面，從而起到凈化空氣的作用。而液壓動(dòng)力系統(tǒng)則給噴霧機(jī)底座提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)底座液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)和舉升油缸的舉升動(dòng)作。

噴霧機(jī)底座配電柜安裝三臺(tái)變頻器，直流高壓接口分別對(duì)接在三臺(tái)變頻器的直流母線上，通過變頻器內(nèi)部的直-交逆變模塊將DC524V調(diào)制成供負(fù)載電機(jī)使用的三相交流電，變頻器單元可右基于PLC5單元的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，整個(gè)噴霧機(jī)主回路動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖5 噴霧機(jī)主回路系統(tǒng)原理圖

4.2 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴霧機(jī)控制系統(tǒng)選用西門子SMART系列PLC和MCGS組態(tài)系統(tǒng)搭建，PLC和MCGS組態(tài)控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊，組態(tài)系統(tǒng)中可以對(duì)噴霧機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開啟和關(guān)閉，噴霧機(jī)工作開啟流程是：接收到啟動(dòng)信號(hào)后，風(fēng)機(jī)先開始運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到內(nèi)部設(shè)定閾值后，開始啟動(dòng)水泵。組態(tài)系統(tǒng)和變頻器之間通過RS485通訊，可以在組態(tài)系統(tǒng)內(nèi)直接讀取變頻器直流母線電壓和電流參數(shù)，以供駕駛員隨時(shí)監(jiān)控噴霧機(jī)高壓母線帶電情況[3]。為了方便駕駛員操作，設(shè)計(jì)在組態(tài)系統(tǒng)旁安裝了四向主令開關(guān)和旋鈕電位器，駕駛員可以通過四向主令搖桿開關(guān)控制噴霧機(jī)舉升和回轉(zhuǎn)動(dòng)作，除此之外，還能使用旋鈕電位器，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這為駕駛員在行車過程中調(diào)節(jié)噴霧機(jī)工況提供了很大的方便，從而提升了駕駛安全性，其控制界面和外觀如圖6所示。

圖6 噴霧機(jī)操作系統(tǒng)

設(shè)計(jì)還將低壓水路控制系統(tǒng)集成在組態(tài)控制系統(tǒng)中，通過向低壓水路控制器發(fā)送調(diào)速和啟動(dòng)信號(hào)控制低壓水泵的開啟和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，本次設(shè)計(jì)了三種速度適應(yīng)于低壓水泵電機(jī)工作，能夠進(jìn)行前沖、后灑、側(cè)噴、吸水和水炮多種工作，如圖7所示，以滿足低壓水路系統(tǒng)在不同情況下使用。

5 結(jié)語

本文為抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)在純電動(dòng)底盤上的應(yīng)用提供了解決方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)抑塵車噴霧機(jī)系統(tǒng)和低壓水路系統(tǒng)在純電動(dòng)底盤行車情況下正常工作，并且運(yùn)行工況較傳統(tǒng)燃油底盤抑塵車更為經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，以本次設(shè)計(jì)選用的某型底盤為例，其動(dòng)力電池組標(biāo)稱電量為348 kWh，平臺(tái)電壓為524 V，因此電池標(biāo)稱容量：348×1 000/524=664 AH，考慮到效率系數(shù)，實(shí)際電池容量則為664×0.8=531 AH，單獨(dú)考慮噴霧機(jī)工作的情況下，噴霧機(jī)系統(tǒng)功率39 kW，平臺(tái)電壓524 V，效率0.9，計(jì)算得最大放電電流：39×1 000÷524÷0.9=83 A；因此放電速率為：83÷531=0.16 C，依據(jù)放電速率表估算出該型號(hào)底盤單次充電能夠滿足噴霧作業(yè)連續(xù)進(jìn)行6 h[4]。

圖7 低壓水路控制系統(tǒng)