纯电动环卫车水泵与底盘动力匹配研究

杨辉，马宇，王旭，李政贤，李鹏，康武



纯电动环卫车水泵与底盘动力匹配研究

杨辉，马宇，王旭，李政贤，李鹏，康武

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

通过水泵性能研究，在不同工况下，电机、自动变速器、取力器动力匹配计算，研究纯电动环卫车水泵与底盘动力匹配设计的方法。

水泵；取力器；电机

前言

随着城市化进程的推进，环卫车已经成为市政环卫不可或缺的作业工具。纯电动车有着零排放，低噪音，清洁环保的优点，可在任何时段作业而不扰民。在政府的大力推广下，纯电动环卫车已逐渐出现在城市保洁的一线。水泵作为路面保洁喷洒类环卫车的必要设备，对作业效果至关重要，水泵与纯电环卫底盘的匹配设计也与传统柴油环卫车有着明显区别。本文以驱动电机带AMT通过传动轴驱动底盘行走的纯电动环卫车方案为示例进行研究，探讨纯电动环卫车水泵与底盘动力匹配设计。

1 水泵的性能分析

水泵的性能参数包括流量、扬程、输入轴转速、轴功率、自吸高度、自吸时间、效率等，不同改装厂家对整车作业效果、成本、工艺要求不一样，导致水泵选型的标准也不一样。本文以洒水车及洗扫车等环卫车常用的杭州威龙自吸式离心泵作为参考进行分析。表1为杭州威龙水泵主要性能参数表。

表1 杭州威龙水泵主要性能参数（20°C常温清水）

水泵、取力器的正确匹配是保证具有洒水功能的环卫车正常运行的重要设计因素，这只是洒水车可靠使用的前提条件。当水泵转速在±20%范围内变化时，其流量、扬程、轴功率、效率的变化关系如下[1]：

流量比：Q/Q'=n/n'

扬程比：H/H'=（n/n'）2

轴功率比：P/P'=（n/n'）3

效率：η=η'

即水泵的流量与转速成正比，其扬程压力与转速的平方成正比，其轴功率与转速的立方成正比（当转速差相差较大时，其换算误差也增大，特别是效率误差增大，需通过实验验证）。

当选用的取力器速比一定时，其动力源驱动电机的转速也相应确定。水泵在额定转速下运行时，其性能达到最佳状态。当取力器转速低于或者超过水泵输入轴额定转速时，则驱动水泵所需的功率及扭矩也低于或超过额定转速时对应的功率与扭矩。当车型一定，行走作业车速一定时,此时对应电机转速确定，取力器速比是一定的，因此对应的取力器转速是确定的，从而水泵输入轴转速是确定的。水泵转速的快慢直接影响了水泵及取力器的寿命，根据经验，当水泵转速超过1600转后易引发故障，影响可靠性。

2 底盘动力与水泵匹配设计

2.1 不同工况下整车动力需求计算

以某一中型纯电动洒水车设计方案为例，进行底盘动力与水泵匹配分析，其整车主要设计参数见表2。汽车底盘以永磁同步电机为动力源，通过AMT变速器、传动轴驱动车辆后桥行走，上装水泵通过底盘AMT变速器带的取力器驱动洒水泵在车辆低速行走时进行洒水作业。

表2 整车主要设计参数

2.1.1 无坡度工况

在无坡度工况，忽略坡度阻力与加速阻力，环卫车作业时需求功率与最高车速（不作业）需求功率取二者较大值，作为该工况下整车需求功率的下限值。

根据受力分析，可求得在作业车速ua=10km/h时，底盘驱动行走需求电机功率：

若变速器在二档Ig=3.73，后桥速比I0=6.17，电机对应转速n1=1256r/min，取力器对应转速n2=1256×1.138=1429 r/min＜1500r/min＜1600r/min，此时取力器可正常工作，为保证取力器及水泵可靠性，行车作业时应限制变速箱档位，即起步时变速箱即在二档。此时水泵功率P泵=24×（1429/ 1480）3=21.60kw。

在无坡度工况，不考虑加速阻力的前提下，作业车速=10km/h，计算得整车需求功率P作业=7.28+21.60=28.88kw。

在无坡度工况，不考虑加速阻力的前提下，最高车速ua=70km/h时，计算的整车需求功率P车速=67.09 kw。

在无坡度工况，不考虑加速阻力的前提下，P无坡度=fmax{P作业,P车速}=67.09 kw。

2.1.2 极限作业坡度工况

在极限作业坡度12%工况，不考虑加速阻力的前提下，作业车速ua=10km/h时，环卫车极限坡度作业时底盘驱动行走需求功率及需求扭矩为：

综上，在极限作业坡度12%工况，不考虑加速阻力的前提下，作业车速10km/h时，整车需求功率P作业坡度=79.05+21.60 =100.65 kw。

2.1.3 最大爬坡度工况

在最大爬坡度15%工况，不考虑加速阻力的前提下，爬坡车速ua=5km/h，在变速器二档Ig=3.73时，底盘驱动行走需求功率及扭矩为：

在最大爬坡度工况，不考虑加速阻力的前提下，爬坡车速为5km/h时，整车需求功率P爬=48.29 kw。

2.2 水泵与底盘动力适配分析

在无坡度工况，忽略坡度阻力与加速阻力，要实现行车作业时洒水泵可靠工作，水泵转速需控制在1600r/min。同时因取力器最高输出转速为1500r/min,实际要求水泵转速应控制在1500r/min以内，对应电机转速不得超过1319 r/min。因此必需通过整车控制逻辑限制变速器头档，使头档失效，同时限制二档时电机转速不超过1319r/min，才可保证取力器、水泵均不转速、超负荷运转。

在极限作业坡度工况下，比之无坡度工况，底盘驱动所需功率与扭矩均增加以克服坡度阻力，考虑作业工况非短时工况，需校核行走与水泵驱动所需功率之和不超过方案所匹配电机的额定功率，驱动所需变速器输入扭矩与水泵驱动所需变速器输入扭矩之和不超过变速器最大输入扭矩，同时电机最大扭矩需满足变速器极限作业坡度工况下扭矩需求。

在最大爬坡度工况下，需校核驱动所需扭矩是否超过变速箱最大输入扭矩，驱动所需功率根据爬坡用时长短，确定其与电机额定功率、最大功率关系。如爬坡时长不超过电机额定功率允许工作时长，只需电机最大功率满足爬坡驱动需求即可；如爬坡时长超过电机额定功率允许工作时长，则需根据考虑增大电机功率区间以满足持续爬坡功率需求。

综合以上三种工况分析，在不考虑加速阻力的前提下，根据整车实际营运工况，选定以上一种、两种或三种工况进行计算，确定整车需求功率、扭矩的下限值，据此确定整车方案中驱动电机选型，其功率、扭矩需满足所选工况最大需求功率及扭矩。变速器需满足所选工况下分析的扭矩、转速边界条件，取力器的转速、扭矩、功率也应能满足水泵正常工作及适当超速超负荷，即1600r/min下水泵工作的转速、扭矩、功率需求。

3 结论

根据水泵的性能分析及整车实例在不同工况下的需求核算，可知电机、AMT变速器、取力器的功率、转速、扭矩均会影响到水泵的使用性能与可靠性。纯电动环卫车水泵与底盘动力匹配选型及设计需做好不同工况下各动力部件性能参数匹配设计及选型，同时应根据实际工况制定相应整车控制逻辑，以避免出现水泵、甚至取力器超转速、超负荷运转，多发故障，从而严重影响整车使用性能与可靠性。

[1] 杨春来.洒水车取力器与水泵的配套应用.[J]专用汽车,2005.

[2] 余志生.汽车理论第5版.[M]机械工业出版社.2009.

Study on the power matching of EV sanitation vehicles'water pumps and chassis

Yang Hui, Ma Yu, Wang Xu, Li Zhengxian, Li Peng, Kang Wu

( Shaanxi Heavy Duty Automobile CO. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

The study is to find a matching method of electric sanitation vehicle,By analyzing the performance of water pump and calculating the parameter values of EV's electric motors, automated mechanical transmission and power-take-off in different working conditions.

pump; power-take-off; electric motor

A

1671-7988(2018)18-28-03

U469.7

A

1671-7988(2018)18-28-03

CLC NO.: U469.7

杨辉，就职于陕重汽汽车工程研究院新能源所。从事新能源专用车研发设计。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.011