純電動環(huán)衛(wèi)車電驅動系統(tǒng)構型設計方案

趙金寶

（河南工業(yè)貿易職業(yè)學院 汽車工程學院，河南 鄭州 450000）

電動環(huán)衛(wèi)車是一種節(jié)能環(huán)保的新能源汽車，不僅可以實現(xiàn)清運垃圾，同時還可以緩解能源和環(huán)境污染問題，電動環(huán)衛(wèi)車在城市居民日常生活中占據了重要地位。市場上的純電動環(huán)衛(wèi)車，動/力平臺大多延續(xù)傳統(tǒng)作業(yè)車輛，主要采用主副電機分別驅動行駛和作業(yè)機構，由于主副電機工作工況不同，存在較大的功率冗余，影響整車效率，未能有效發(fā)揮純電驅動的技術優(yōu)勢。

1 研究對象

本文以某款8.5噸壓縮式純電動垃圾車為研究對象，整車基本參數如表1所示。

表1 車型基本參數表

結合產品實際運營工況，所要求的動力性指標有30分鐘最高車速≥100 km/h；最大爬坡度≥ 35%；0～50 km/h加速時間≤12 s；續(xù)駛里程≥250 km。

2 設計方案

2.1 當前主流方案構型

電驅動系統(tǒng)作為純電動商用車動力平臺的核心，其構型歷來是相關機構研究的重點。目前，國內外純電動商用車的驅動系統(tǒng)，一般分為集中式驅動系統(tǒng)和分布式驅動系統(tǒng)兩類。集中式驅動，主要有電機直驅和電機加變速箱兩種結構；分布式驅動，主要有輪轂電機+減速器、輪邊電機+減速器、輪轂電機等型式三種構型方式。

不同構型系統(tǒng)優(yōu)劣點對比如圖1所示。

目前市場上在售的純電動環(huán)衛(wèi)車，多采用驅動電機與后橋連接做為動力輸入，直接驅動車輛行駛，清掃/垃圾作業(yè)等裝置的動力源，則由搭載的獨立作業(yè)電機提供。

圖1 不同系統(tǒng)構型優(yōu)劣點對比

針對以上構型的優(yōu)缺點分析及當前市場應用情況，研發(fā)一種覆蓋作業(yè)和運輸用途，且具有多種工作模式的電驅動系統(tǒng)新構型。新構型動力系統(tǒng)要能夠實現(xiàn)車輛行駛/作業(yè)解耦、雙電機耦合驅動、單電機獨立驅動或獨立作業(yè)等不同的模式，通過兩個電機高效區(qū)的互補設計，實現(xiàn)換擋無動力中斷和驅動/作業(yè)電機可分離控制，來提高電驅動系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)功率的冗余。

2.2 新構型選取

針對純電動環(huán)衛(wèi)車種類繁多、電驅動系統(tǒng)集成度差、綜合效率低的問題，基于純電動環(huán)衛(wèi)車工作原理，以及行星排功率耦合與分流的特性，論文中所研究的電驅動系統(tǒng)總體構型方案，采用雙電機分別通過平行軸變速箱和行星排，進行動力耦合的電驅動系統(tǒng)新構型。

鑒于不同的連接方式，此結構可行成不同的構型方案，在構型設計的過程中，主要形成的構型方案如圖2所示。

方案（a）工作模式設計為中低速行駛，采用單電機驅動，驅動電機在一擋/二擋擋位工作，作業(yè)電機不參與工作，太陽輪制動器分離，太陽輪 與行星架（拖動作業(yè)電機轉動）自由轉動；高速或大爬坡度行駛，驅動電機工作，驅動電機二擋或一擋工作，作業(yè)電機工作，參與驅動，太陽輪制動；行駛過程同步作業(yè)模式，驅動電機一擋工作，車輛低速行駛，太陽輪制動器分離，作業(yè)電機用于作業(yè)。

圖2 過程構型方案

方案（b）工作模式設計為中速與低速行駛，單電機驅動，驅動電機一擋或者二擋工作，作業(yè)電機不參與工作，行星架制動器分離，太陽輪（拖動作業(yè)電機轉動）與行星架自由轉動；高速或大爬坡度行駛時，驅動電機與作業(yè)電機聯(lián)合驅動，驅動電機二擋或者一擋工作，行星架制動，作業(yè)電機輔助驅動；行駛同時作業(yè)，驅動電機一擋驅動車輛低速行駛，行星架制動器分離，作業(yè)電機用于驅動作業(yè)裝置作業(yè)。

方案（c）工作模式設計為低速與中速行駛，單電機驅動，驅動電機一擋或者二擋工作，作業(yè)電機不參與工作，行星架制動器分離，太陽輪（拖動作業(yè)電機轉動）與行星架自由轉動；高速或大爬坡度行駛時，驅動電機與作業(yè)電機聯(lián)合驅動，驅動電機二擋或者一擋工作，行星架制動，作業(yè)電機輔助驅動；行駛同時作業(yè)，驅動電機一擋驅動車輛低速行駛，行星架制動器分離，作業(yè)電機用于驅動作業(yè)裝置作業(yè)。

方案（d）工作模式設計為中低速行駛，單電機驅動，驅動電機一擋（行星架鎖止）或二擋工作，變速箱空擋，作業(yè)電機不工作；高速或者大爬坡度行駛，雙電機聯(lián)合驅動，驅動電機二擋或者一擋工作，變速箱一擋，作業(yè)電機工作；邊行駛邊作業(yè)，驅動電機一擋工作，行星架鎖止，車輛低速行駛，變速箱空擋，作業(yè)電機驅動作業(yè)裝置工作。

鑒于（a）方案鎖止太陽輪，作業(yè)電機需要低速大扭矩，致使電機細長，工藝性差，且轉速與使用需求匹配不當，需要更改為鎖止行星架；（b）方案、（c）方案的行星架鎖止以及制動需求扭矩大，約為2 200 Nm，對結構強度要求高，結構不易實現(xiàn)；（d）方案控制齒圈和行星架的鎖止機構較大，存在結構工藝性差，不易制造，可靠性差等問題與不足。

進而設計了如圖3所示的構型方案，鎖止機構鎖止行星架，實現(xiàn)整車對動力系統(tǒng)的需求。該構型采用行星排連接2AMT結構，當變速箱結合套掛在Ⅰ位置，驅動電機端齒輪通過從動輪①連接傳動齒輪，動力由齒圈輸出，此時處于變速箱的一擋；當變速箱結合套在Ⅱ位置，從動輪①②空轉，動力不輸出，為空擋；當結合套掛在Ⅲ位置，驅動電機端齒輪通過從動輪②連接傳動齒輪，通過齒圈進行動力輸出，此時速比關系為變速箱的二擋。

作業(yè)裝置可通過氣壓離合器與作業(yè)電機端齒輪伸出軸相連，作業(yè)電機端齒輪通過從動輪③和行星架連接齒圈、太陽輪進行動力輸出。行星排結合套在兩個位置，分別用于對行星架的鎖止或分離，Ⅳ位置鎖止行星架與變速箱殼體，Ⅴ位置將行星架與殼體分離。

當氣壓離合器分離時，行星排結合套位于Ⅳ 位置，行星排結合套鎖止，作業(yè)電機端齒輪通過從動輪③與太陽輪連接，動力最終由齒圈輸出，動力由驅動電機和作業(yè)電機共同提供；當氣壓離合器結合，行星排的結合套在Ⅴ位置，行星排與結合套分離，行星架和太陽輪空轉，行駛動力由驅動電機提供，作業(yè)裝置由作業(yè)電機驅動。

圖3 純電動環(huán)衛(wèi)車動力系統(tǒng)構型圖

2.3 新構型工作模式

此構型共有六種工作模式，如表2所示。

表2 動力系統(tǒng)工作模式表

模式一和模式二狀態(tài)，行星架分離，驅動電機工作，作業(yè)電機不工作，車輛只行駛不作業(yè)，此時變速箱在一擋或二擋。

模式三和模式四狀態(tài)，行星架鎖止，驅動電機與作業(yè)電機同時工作，驅動車輛行駛，作業(yè)裝置不工作，此時變速箱為一擋或二擋。

模式五狀態(tài)，行星架分離，驅動電機不工作，作業(yè)電機可驅動作業(yè)裝置，車輛原地作業(yè)。

模式六狀態(tài)，行星架分離，驅動電機提供驅動動力，同時作業(yè)電機為作業(yè)裝置提供動力，車輛邊行駛邊作業(yè)。

3 參數匹配

電驅動系統(tǒng)參數匹配，包括雙電機性能參數、電驅動系統(tǒng)傳動比和動力電池參數的設計計算與匹配。

基于純電動環(huán)衛(wèi)車整車參數和動力性能指標，以整車動力性要求為輸入，匹配電機的持續(xù)功率和峰值功率，獲取動力系統(tǒng)總功率需求。依據純電動環(huán)衛(wèi)車運行工況進行參數匹配與優(yōu)化設計，并考慮冗余小、通用化程度高等因素，以此來匹配驅動電機和作業(yè)電機峰值、額定功率、轉矩及最高轉速、變速箱各擋速比等參數，最終的參數匹配結果如表3所示。

表3 整車關鍵部件匹配參數表

4 整車模型建立

本文基于Matlab/Simulink，搭建純電動環(huán)衛(wèi)車的動力學模型，根據純電動環(huán)衛(wèi)車的動力系統(tǒng)構型和能量流向，建立六自由度動力學模型。

整車控制器是車輛動力學的核心，此模塊設計制動力矩分配策略或驅動力矩分配策略，并根據滑移率控制踏板開度；駕駛員模型能夠模擬駕駛員駕駛，使用PI控制方法跟隨目標工況；輪胎模型采用“魔術公式”方法建立，描述輪胎分力與車輪運動參數之間的關系；車體模型包括車輛橫擺角位移、側向位移、縱向位移3個自由度。

車體數學模型如下

車輪模型，車輪坐標系中橫向以與車輪前進方向垂直的左邊為正，垂向以豎直向上為正，縱向以車輪前進方向為正。

車輪數學模型為

路面模型，將路面模型簡化為滾動阻力系數、路面坡度和附著系數三個輸入量，搭建仿真模型，即

5 仿真分析

世界統(tǒng)一的重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)（China- World Transient Vehicle Cycle, C-WTVC）， 0～900 s為市區(qū)部分，901 s～1 368 s為公路部分，1 369 s～1 800 s為高速部分。由于純電動環(huán)衛(wèi)車只在市區(qū)和公路工況中運行，本文選取的仿真工況為前1 368 s的工況。

在運行過程中，純電動環(huán)衛(wèi)車的總需求轉矩和驅動電機的轉矩變化情況，純電動環(huán)衛(wèi)車動力電池芯片級系統(tǒng)（System on Chip, SOC）變化。在整個循環(huán)工況下，SOC變化平緩，在某些時段內，有小幅度上升的趨勢，如圖4所示。

圖4 運行過程中扭矩及SOC變化曲線

基于平行軸變速箱與行星排集成的多模高效電驅動系統(tǒng)構型，采用雙電機高效區(qū)互補設計，換擋無動力中斷，驅動/作業(yè)電機可分離，可實現(xiàn)雙電機的耦合驅動、單電機獨立驅動/作業(yè)、行駛與作業(yè)解耦等多種工作模式，一套動力系統(tǒng)可滿足運輸和作業(yè)兩種用途的使用需求，可降低系統(tǒng)功率及轉矩冗余，提高系統(tǒng)效率。

該動力系統(tǒng)構型可組合多種行駛、作業(yè)，以及行駛+作業(yè)的工作如下：

模式一：驅動電機1擋單獨驅動；

模式二：驅動電機2擋單獨驅動；

模式三：驅動電機1擋+作業(yè)電機；

模式四：驅動電機1擋+作業(yè)電機聯(lián)合驅動；

模式五：驅動電機2擋+作業(yè)電機聯(lián)合驅動。

不同行駛模式下，純電動環(huán)衛(wèi)車爬坡曲線如圖5（a）所示，驅動電機在變速箱1擋和作業(yè)電機耦合工作時，最大爬坡度超過35%。

圖5 動力性曲線圖

當驅動電機在1擋且和作業(yè)電機耦合工作時，此時加速最快，純電動環(huán)衛(wèi)車仿真加速曲線如圖5（b）所示，0～50 km/h加速時間小于10 s。

整車的經濟性仿真基于等速法與工況法（C-WTVC）進行，結果如表4所示。驅動電機在變速箱1擋和作業(yè)電機耦合工作時，最大爬坡 度可超過35%，驅動電機1擋和作業(yè)電機耦合工作時，加速時間約為6.1 s，動力性、經濟性指標達到了要求，證明新構型電驅動系統(tǒng)參數匹配的有效性。

表4 純電動環(huán)衛(wèi)車仿真結果

6 結論

本文從分析當前純電動環(huán)衛(wèi)車構型，主要存在系統(tǒng)集成度差、綜合能效低等問題?；诖颂岢隽艘环N基于平行軸變速箱與行星排集成的多模高效電驅動系統(tǒng)新構型。通過分析對比該構型的不同連接方式，最終確定方案，用一套動力系統(tǒng)同時滿足運輸和作業(yè)兩種用途的使用需求，同時還降低電驅動系統(tǒng)的功率和轉矩冗余并提高電驅動系統(tǒng)效率。仿真分析也證明了各項性能指標達到了要求，驗證了設計方案的有效性。