薛占刚， 阎备战
（1.傲蓝得环境科技有限公司， 河南 郑州 450016；
2.宇通客车股份有限公司， 河南 郑州 450016）
经过近20 年来的发展，国内环卫服务行业的道路清扫保洁，已经从过去的人工清扫完全实现了机械清扫，目前正在从基于传统燃油车辆的机械清扫向基于新能源车辆的机械清扫。
由于传统燃油扫路车， 主要在城市道路上进行低速作业，车辆除了需求有驱动行驶主发动机，还需要有驱动作业装置的副发动机，两个发动机低速行驶条件下，由于转速和负荷低， 柴油机污染物的排放明显差于高速行驶的车辆，所以在环卫服务中道路保洁车辆的新能源化，是实现节能减排的重要途径。
因此开发纯电动环卫车辆，是专用车行业亟待解决的问题。
传统燃油环卫车辆，对油箱不需要专门的计算校核，但纯电动环卫车辆的电池，除了电压与电机的匹配计算，还需要按车辆的用途和电耗进行对电量的匹配计算。
因此， 本文重点探讨纯电动环卫车辆动力系统与电池系统在各种工况下的匹配计算方法， 并通过实际样车的开发验证这种匹配方法的可行性和合理性。
1.1 扫路车的典型作业循环工况
扫路车是指用于清除、 收集并运送路面垃圾尘土等污物的环卫专用车辆。
其主要用途是在行驶过程中对道路的清扫作业，同时在其他辅助时间，由于也需要在城市道路上行驶，还要有一定的动力性和经济性。
典型的扫路车作业循环见表1。
表1 扫路车典型作业循环Tab.1 Typical running cycles of the road sweeper
扫路车的上装系统，主要部件包括清扫系统、风机、吸嘴、垃圾箱、风道和过滤除尘装置、气力输送系统等。
根据传统燃油扫路车的开发与应用经验，此类车辆在使用过程中，其上装作业装置需求功率通常大于行驶所需求的功率，所以纯电动扫路车的开发中，对电池系统有很大挑战。
1.2 整车性能指标要求
拟开发的纯电动扫路车，基本参数见表2，动力性指标见表3。
表2 扫路车基本参数表Tab.2 Main parameters of the road sweeper
表3 动力性主要指标Tab.3 Dynamic performance index of the road sweeper
2.1 动力系统功率与转矩需求计算
纯电动汽车整车总功率要求的确定原则与传统汽车相似，都是根据整车的动力性 （最高车速、爬坡性能、加速性能）来确定。作业类专用车辆，其作业装置的动力来源于上装动力， 需要另外单独设计， 因此只考虑整车动力指标即可。
整车驱动电机的峰值功率、 峰值扭矩是由爬坡性能指标决定，即只要满足爬坡性指标，其它动力性指标也可满足。驱动电机的额定功率必须满足最高车速要求。
纯电动扫路车的动力性指标包括最高车速vmax、v0-vm加速时间T（s）及最大爬坡要求imax（%）。
首先，最高车速vmax1需求的功率Pmax1，根据式（1）来计算确定：
式中：αmax=tan-1（imax）；
vi—爬坡车速；
r—轮胎滚动半径；
i0—后桥主减速比。
根据上述由动力性三项指标计算的各项工况的功率需求，电机的峰值功率Pmax必须满足：
电机的峰值扭矩必须满足：
电机的额定功率必须满足：
根据整车基本参数及式（1）、（2）可求得满足最高车速及加速时间功率需求Pmax1＝30.86kW，Pmax2＝31kW。
由于以上计算， 均是针对无坡度的平路最高功率需求，还需要考虑坡道行驶的需求功率。
因此，还要根据整车基本参数及式（3）、（4），计算不同爬坡度下的电机功率、电机扭矩需求，计算结果分别见表4、表5。
表4 不同坡度和车速下的电机功率需求Tab.4 Power in different rampway&velocity
表5 不同坡度和车速下的电机转矩需求Tab.5 Torque in different rampway&velocity
由下面的公式（5）计算不同车速对应电机的电机转速，用于确定电机的基速参数，计算结果见表6。
表6 不同车速对应的电机转速（r/min）Tab.6 Motor speed in different velocity
式中ig—变速箱传动比（由于本车型无变速箱，所以ig=1）。
电机基速选择：当峰值转矩一定，基速越大，其电机的峰值功率也越大，因此，按小基速并考虑电机高效区位置，电机基速ne选取如下：
ne=1000r/min
峰值扭矩的选取：考虑到留有一定余量，最大爬坡度按20%，爬坡车速按15km/h，根据表6 进行匹配，电机扭矩需求为：
Tmax=945.14Nm
峰值功率的选取：根据式（6）计算电机峰值功率，计算结果需同时满足最大爬坡度、最高车速、加速时间功率需求：
计算可得峰值功率为Pmax=99.06kW。
电机额定功率及额定扭矩的选取：
电机的额定功率是指电机可以持续输出的功率，对于电动汽车来说，其持续输出功率的工况， 就是持续以最高车速行驶所需求的功率。根据整车性能指标中最高车速为80km/h，所以电机额定功率就是可以满足最高车速的功率。
根据公式（1）可计算出电机额定功率Pe’＞30.86kW，根据公式（6）计算出的电机峰值功率P’max=99.06kW。结合电机产品型谱，适当圆整并使电机的额定功率适当留有冗余， 选取电机的额定功率50kW，峰值功率100kW。
2．1 初筛和复筛基本情况 调查发现，2006－2011年总出生人口数为29 698例，共筛查27 662例，初筛率为93．14%，初筛率逐年上升，年度间差异有统计学意义，P＜0．01）。初筛通过24 928例，通过率90．12%。应复筛2 734例，实际复筛1 644例，复筛率60．13%，复筛率逐年上升，年度间差异有统计学意义（χ2＝117．56，P＜0．01）。复筛通过1 413例，通过率85．95%。见表1。
2.2 动力系统转速需求计算
电机最高转速的选取：
根据最高车速80km/h 按式（5）计算电机的最高转速：nmax=3464r/min。
2.3 动力系统参数确定
综合以上计算，选取电机参数见表7。
表7 电机各项参数Tab.7 Motor parameters
动力电池系统由于其电量需要分别给驱动行驶电机、上装作业电机提供电能，所以需要对两方面的电能需求进行核算，将两者相加才能满足使用需求，另外还需要考虑到电池系统放电深度不能把所用电量用尽。
3.1 续航里程对电池电量的需求计算
根据GB/T18386-2005《电动汽车 能量消耗率及续驶里程试验方法》，整车续航里程按40km/h 等速考核评价，并有不同里程的要求。
采用上文中式（1），可求得40km/h等速行驶的功率需求P＝8.27kW， 再针对150、180、210、240km 等不同续航里程进行计算，计算结果见表8。
表8 不同续航里程需求电量表Tab.8 Battery energy for different endurance mileage
3.2 作业装置对电池电量的需求计算
上装系统消耗的功率，来自于风机和液压油泵，因此需要对两者的功率进行核算，并结合作业时长的需求，计算所需电量。
3.2.1 上装风机功率
风机的功率，针对两种不同挡位转速进行核算，具体结果见表9。
表9 上装风机功率计算表Tab.9 Calculation table of power for sweeper fan
3.2.2 液压油泵功率
表10 上装液压泵功率计算表Tab.10 Calculation table of power for hydraulic pump
3.2.3 作业模式下的底盘驱动功率
作业模式下车辆的行驶速度一般为8km/h，消耗功率按前文中式（1）计算，可得P=1.25kW。
3.2.4 作业循环电耗根据上文的功率核算结果， 结合环
卫车辆的清扫作业模式， 一般每班清扫三遍（凌晨一遍4：00～6：00；
上午一遍9：00～11：00；
下午一遍2：00～4：00，交通高峰期不工作），计算结果见表11。
表11 扫路车典型作业循环Tab.11 Typical running cycles of the road sweeper
因此，为保证最大可能地满足各类作业需求，按每班3 个作业循环， 且按强扫模式， 则最大耗电量需求为24.51×3=73.53kWh。
3.3 动力电池的衰减特性
本项目车型采用磷酸铁锂动力电池，此类电池容量随充放电循环次数的增加会有一定的衰减，为了其衰减特性的测试结果见图1。
考虑到电池需要与整车同寿命即8 年（约3000 次充放电）， 在车辆全生命周期内，电池衰减后的容量保持率为80%。
图1 动力电池衰减特性曲线Fig.1 Attenuation curve of battery
3.4 总电量
根据车辆等速行驶续航里程的要求， 与每天两次作业循环的要求，可知：
进一步考虑整车生命周期内电池衰减约80%，因此：
根据动力电池的成组参数，与总电量需求，选择动力电池系统电量为92.24kWh。
本文结合一款新能源纯电动环卫扫路车的开发，探索了作业类车辆纯电动力系统的计算校核方法， 特别是结合车辆的实际使用过程中的功率与电量需求， 进行了动力电池系统电量计算方法的探索， 并最终完成了整车的开发，结果表明各项指标达到了设计目标要求。
整车开发完成后，样车的测试结果表明，整车的续航里程达到了设计目标要求。
产品批量上市后，满足了各类用户使用过程中的续航里程需求。
表明了此方法的合理性与可行性。
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