純電動環(huán)衛(wèi)車作為新能源汽車中的重要部分，大力推進該領(lǐng)域不同類型車型的大力發(fā)展，已成為當下新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。為此，重點對純電動環(huán)衛(wèi)車的市場概況、結(jié)構(gòu)類型及結(jié)構(gòu)組成、近期公告車型及未來重點開發(fā)車型等方向進行了分析，掌握了當前環(huán)衛(wèi)車領(lǐng)域的總體現(xiàn)狀，這對后期企業(yè)有針對性地開發(fā)純電動環(huán)衛(wèi)車、保障所開發(fā)純電動環(huán)衛(wèi)車具有高性價比具有重點指導(dǎo)作用。

1 環(huán)衛(wèi)車動力經(jīng)濟性設(shè)計指標及分析

1.1 純電動環(huán)衛(wèi)車的動力經(jīng)濟性能指標

本次設(shè)計的純電動環(huán)衛(wèi)車動力經(jīng)濟性能指標主要是最高車速、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；加速時間t，s。

1.2 純電動環(huán)衛(wèi)車的行駛阻力

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

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi（1）

（2）

考慮到實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)動電機扭矩；ig為變速器傳動比；i0為主減速器傳動比；ηT為傳動系統(tǒng)效率；m為環(huán)衛(wèi)車總質(zhì)量；r為輪胎滾動半徑；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；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)車與空氣相對速度（風速為0時，ua=u）[1]。

1.3 純電動環(huán)衛(wèi)車的功率平衡

純電動環(huán)衛(wèi)車行駛過程中，電機的有效功率和行駛阻力功率相互平衡。假定風速為0，其驅(qū)動功率Pm與阻力平衡關(guān)系可表示為

（4）

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

即

（5）

電機的峰值功率應(yīng)能滿足車輛的爬坡性能要求，即

（6）

電機的峰值功率也應(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)動電機額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的車速，m/s；ρα為空氣密度；tα為預(yù)期加速時間，s；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)[3]。

1.4 純電動環(huán)衛(wèi)車的最高車速

純電動環(huán)衛(wèi)車的最高車速是指在水平良好的路面（混凝土或瀝青）上環(huán)衛(wèi)車能達到的最高行駛車速。最高車速計算公式為

（8）

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

1.5 純電動環(huán)衛(wèi)車的加速時間

純電動環(huán)衛(wèi)車加速時間表示其加速能力，分為原地起步加速時間和超車加速時間。本文提到的純電動環(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間，且加速時間不作為重點關(guān)注指標。計算公式為

（9）

式中，a為車輛直線行駛加速度，m/s2。

1.6 純電動環(huán)衛(wèi)車的最大爬坡度

純電動環(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，計算公式為

（10）

1.7 純電動環(huán)衛(wèi)車的綜合工況電耗

本次設(shè)計的純電動環(huán)衛(wèi)車的經(jīng)濟性采用綜合工況下車輛行駛百公里的耗電量來衡量。

在進行純電動環(huán)衛(wèi)車設(shè)計時，先根據(jù)整車總體性能指標，設(shè)定動力性、經(jīng)濟性目標參數(shù)，再據(jù)此選定動力鏈系統(tǒng)參數(shù)[4]。

2 純電動環(huán)衛(wèi)車設(shè)計實例

以某款純電動環(huán)衛(wèi)車為例，該車組成如圖1所示。

圖1 某純電動環(huán)衛(wèi)車組成

整車參數(shù)如表1所示。

表1 某純電動環(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加速時間t≤15 s。

2.1 純電動環(huán)衛(wèi)車的動力需求

根據(jù)式（5）可得，動力需求額定功率P額=97 kW；

根據(jù)式（6）、式（7）可得，動力需求額定功率P峰=125 kW；

根據(jù)式（3）可得，動力需求峰值扭矩T峰= 25 000 Nm。

根據(jù)以上計算結(jié)果，確定動力鏈需求如表2所示。

表2 某純電動環(huán)衛(wèi)車動力鏈需求

2.2 純電動環(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，開展整車動力性和經(jīng)濟性分析。

圖2 環(huán)衛(wèi)車實車路譜

2.3 純電動環(huán)衛(wèi)車的動力鏈技術(shù)路線

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

圖3 8種動力鏈方案

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

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

技術(shù)路線三：從競品對標角度出發(fā)，針對某競品雙電機技術(shù)方案，選型某成熟雙電機動力鏈，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 純電動環(huán)衛(wèi)車的多動力鏈配置計算

根據(jù)該純電動環(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、動力電池等各功能模塊參數(shù)，并添加機械、電氣、總線信息連接。

圖4 某純電動環(huán)衛(wèi)車Cruise仿真模型

模塊之間的機械連接完成后建立總線信息連接，如圖5所示。

圖5 某純電動環(huán)衛(wèi)車模型信號連接

圖6 某純電動環(huán)衛(wèi)車模型參數(shù)輸入

模塊之間的機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)其實在前期整車方案設(shè)計過程中已經(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)動橋技術(shù)路線動力鏈仿真參數(shù)

表4 中央直驅(qū)技術(shù)路線動力鏈參數(shù)

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

表5 雙電機技術(shù)路線動力鏈參數(shù)

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

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

表6 某純電動環(huán)衛(wèi)車多動力鏈性能

注：表中價格僅用于方案對比。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，動力鏈1動力參數(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；

動力鏈2和3電驅(qū)動橋方案，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爭優(yōu)勢，在本次產(chǎn)品設(shè)計中暫不采用；

動力鏈4、5、6、7中央電驅(qū)動力鏈方案為本次優(yōu)化的重點，在設(shè)計過程中，對電機和變速器均進行了優(yōu)化選型，提高電機高效區(qū)同時控制成本同時采用多擋方案。動力鏈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條動力鏈的高效電機，電機高效區(qū)范圍增加的同時，成本和重量控制最低，為本次動力鏈設(shè)計最優(yōu)化方案。電機系統(tǒng)map如圖7所示。

圖7 某純電動環(huán)衛(wèi)車部分動力鏈電機系統(tǒng)map

動力鏈8為某競品車型方案，考慮競品為自主開發(fā)系統(tǒng)，忽略動力鏈成本和重量數(shù)據(jù)，僅從表6中動力經(jīng)濟性可以看出，競品方案并不具備絕對優(yōu)勢。

綜上，經(jīng)過動力鏈匹配優(yōu)化，確定動力鏈5為本次純電動環(huán)衛(wèi)車整車動力鏈。

3 結(jié)論

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

審核編輯：湯梓紅