電機直驅(qū)上裝技術(shù)在攪拌車上的應(yīng)用

吳濤 陳俊平

摘要：根據(jù)多年的設(shè)計和市場營銷經(jīng)驗，結(jié)合當前市場傳統(tǒng)燃油攪拌車客戶痛點，摸索出了新的攪拌車電機直驅(qū)上裝的技術(shù)路線，和傳統(tǒng)燃油底盤組成了混合動力攪拌車，并引入了并聯(lián)混合動力控制策略。與傳統(tǒng)攪拌車液壓驅(qū)動技術(shù)路線相比，電機直驅(qū)技術(shù)路線提高了傳動效率，攪拌車在行駛過程中罐體勻速轉(zhuǎn)動，制動能回收，發(fā)動機熄火作業(yè)，最終形成相比傳統(tǒng)攪拌車節(jié)油30%以上的明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：攪拌車;電機直驅(qū);技術(shù)路線;節(jié)油

中圖分類號：U469.6*5

收稿日期：2021-11-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.006

1前言

攪拌車做為混凝土的運輸工具，在基建的拉動下，這幾年在專用車市場的占比越來越大。但隨著國家對貨車超載超限的治理，混凝土運輸行業(yè)回歸理性，當年的大方量攪拌車逐漸退出歷史舞臺，取而代之的是輕量化的標準車型。攪拌車車型標準化后，隨著一些大中型城市對環(huán)保管控提升、柴油價格的進一步上漲及客戶用車成本最優(yōu)化的需求，促使著混凝土運輸行業(yè)向節(jié)能減排的方向發(fā)展。

某企業(yè)的純電動攪拌車在行業(yè)內(nèi)首先推出并實現(xiàn)了銷售，但純電動攪拌車購買成本較高，在沒有政府強制要求和補貼的情況下，成本和技術(shù)等是商業(yè)化的“絆腳石”。在充電或換電方面也需要花費大量的成本建設(shè)充電樁或換電站，需要配套進一步完善。即便是配套齊全，充滿一次電基本也只能行駛160km（約3趟），純電動攪拌車的行駛范圍受到很大限制，這些都限制了純電動攪拌車商業(yè)化的進程。

根據(jù)前期混合動力城市客車的研究數(shù)據(jù)，混合動力城市客車循環(huán)油耗仿真值為33.4L/100km，節(jié)油率達273%。但攪拌車與城市客車的使用工況存在很大差異，如攪拌車在工地等待卸料，塔吊卸料時間長等，這些時間都要求攪拌罐體一直處于攪拌狀態(tài)，傳統(tǒng)的發(fā)動機不能熄火。發(fā)動機長期處于怠速狀態(tài)，油耗很高，且柴油不能充分燃燒，發(fā)動機容易積碳，尿素消耗加大，尾處理壽命減少。某專用汽車生產(chǎn)企業(yè)及時了解市場，抓住客戶痛點，基于傳統(tǒng)燃油底盤之上開發(fā)了電機直驅(qū)上裝，和傳統(tǒng)燃油底盤組成了混合動力攪拌車（圖1），并引入了并聯(lián)混合動力控制策略，該車型不改變傳統(tǒng)二類底盤的任何結(jié)構(gòu)，成本增加不多，但節(jié)油率可達30%以上，達到了真正意義上的節(jié)能減排。且該車型很容易實現(xiàn)商業(yè)化，該技術(shù)已申報國家重大發(fā)明專利。

2電機直驅(qū)上裝技術(shù)原理

如圖2所示，在傳統(tǒng)攪拌車取力器和減速機之間裝配發(fā)電機、電機控制器、蓄能裝置、電機、中控屏、后控屏及遙控器。

在車輛行駛過程中遇到紅綠燈或下坡需要減速時，輕踩制動踏板，發(fā)電機開始工作，將車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能，儲存進儲能裝置，實現(xiàn)了制動能回收，直至儲能裝置被充滿，充滿后發(fā)電機不再進行發(fā)電，但是車輛在混凝土運輸過程中，罐體持續(xù)轉(zhuǎn)動，儲能裝置持續(xù)供電，屬于隨用隨充，可以大幅提高能量回收效率。

在駐車熄火狀態(tài)下該發(fā)電機由電機控制器進行控制，如果儲能裝置電量低于設(shè)定值，電機控制器控制儲能裝置給發(fā)電機供電，此時發(fā)電機就變成了一個電機，儲能裝置給該電機供電，反向帶動全功率取力器，全功率取力器帶動發(fā)動機啟動，實現(xiàn)輔助啟動功能。在車輛加速或上坡過程中，發(fā)動機輸出功率和扭矩需要加大，按照以上控制策略，發(fā)電機此時也變成了電機，通過取力器給車輛一個除發(fā)動機以外的動力，讓車輛加速或上坡更省力，更節(jié)油，實現(xiàn)輔助加速功能。

在駐車熄火狀態(tài)下該發(fā)電機由電機控制器進行控制，發(fā)動機帶動發(fā)電機開始工作給蓄能裝置充電，當蓄能裝置電量高于設(shè)定值，電機控制器控制發(fā)動機自動熄火，實現(xiàn)自動控制。

電機由電機控制器的電池管理系統(tǒng)控制，電池管理系統(tǒng)與整車控制器通訊，使蓄能裝置給電機供電，電機驅(qū)動減速機并帶動罐體轉(zhuǎn)動;中控屏、后控面板和遙控器設(shè)置有按鍵和屏幕，可以控制罐體轉(zhuǎn)向及罐體轉(zhuǎn)速，中控屏、后控面板和遙控器屏幕可以數(shù)字化顯示罐體轉(zhuǎn)速，達到精準控制。同時該車還加裝了駐車空調(diào)，在駐車狀態(tài)下發(fā)動機熄火，駐車空調(diào)自動打開，給駕駛室降溫，發(fā)動機點火后自動關(guān)閉，以達到最大化的節(jié)能效果。

該電機直驅(qū)系統(tǒng)能輕松實現(xiàn)罐體勻速轉(zhuǎn)動，防止行車過程中罐體轉(zhuǎn)動速度隨車輛速度變化而加減速，節(jié)能的同時增加了行駛安全性，取消了傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，提高了能量傳遞效率。

3整車優(yōu)勢

3.1綜合節(jié)油30%以上

a.制動能回收。攪拌車走走停停，反復(fù)起步和反復(fù)剎車，通過混合動力的制動能回收功能節(jié)油6%～12%。

b.減少發(fā)動機怠速工作時間。裝卸料和堵車時，發(fā)動機不能熄火，發(fā)動機仍舊在轉(zhuǎn)動，通過怠速啟停功能，實現(xiàn)駐車時罐體大部分轉(zhuǎn)動時間發(fā)動機處于熄火狀態(tài)，可以節(jié)油10%以上。

c.攪拌罐勻速轉(zhuǎn)動功能。液壓驅(qū)動攪拌罐，隨著油門深淺和發(fā)動機轉(zhuǎn)速快慢變化，攪拌罐轉(zhuǎn)速忽高忽低很費油。電驅(qū)攪拌罐可以隨時保持勻速轉(zhuǎn)動，節(jié)油約10%。

d.電驅(qū)上裝傳動效率的提升。驅(qū)動攪拌罐的液壓系統(tǒng)的傳動效率只有30%～60%，這部分低效率損失轉(zhuǎn)化為熱量并從液壓系統(tǒng)的散熱器消耗掉，混合動力的電機直驅(qū)系統(tǒng)傳動效率大于92%，節(jié)油約5%。

3.2綜合節(jié)省費用40%以上

除了以上節(jié)油節(jié)省下來的成本外，制動能回收階段可以減少剎車片和輪胎的磨損，延長剎車片和輪胎的使用壽命;取消了液壓系統(tǒng)，每年減少液壓系統(tǒng)的保養(yǎng)換油費用約800元;減少了發(fā)動機怠速時間，可以延長發(fā)動機保養(yǎng)時間，減少使用尿素量，同時增加了發(fā)動機尾處理的使用壽命。

3.3車輛智能控制，更省力、更精準

與傳統(tǒng)機械式控制方式相比，該車型的控制系統(tǒng)更省力，附帶屏幕顯示，同時加裝了遙控控制，讓控制更為方便。

3.4車輛附帶基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)覆蓋裝卸料監(jiān)控系統(tǒng)、遠程故障診斷系統(tǒng)、綜合能耗分析、駕駛員駕駛行為能力分析等功能，可以隨時地查看和管理車輛，精準掌握車輛情況，掌握駕駛員駕駛習(xí)慣，及時糾正不良駕駛習(xí)慣。

4主要優(yōu)化部位介紹

4.1集成化設(shè)計和水冷系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用了集成化的設(shè)計，將控制器、散熱系統(tǒng)和蓄能裝置集成到一個安裝架上，節(jié)省了不必要的連接線，使得整車外形和線路布置更方便、更美觀;中控屏、后控面板和遙控器，采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊且操作精準，出問題后只換不修，大大降低了維修服務(wù)成本，提高效率;散熱系統(tǒng)采用了水冷散熱，散熱效率更高，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4.2中控屏、后控面板和遙控器

該車型對中控屏、后控面板和遙控器進行創(chuàng)新設(shè)計，從駕駛室到后機架再到遙控器，從逐級授權(quán)、聯(lián)動等幾個維度，防水性能達到了IP67級以上，考慮實用性和可靠性的同時兼顧美觀，從而使得該控制系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)成為標桿（圖3）。

由于混凝土本身會凝固，就要求攪拌車的執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可靠并且有應(yīng)急措施。該電驅(qū)上裝采用大扭矩盤式電機驅(qū)動罐體，采取電控系統(tǒng)雙回路設(shè)計和驅(qū)動電機本身自帶救援口的方案，這相當于給整車上了雙保險，即使出問題也可利用電機本身的救援口進行快速救援，救援便捷性比傳統(tǒng)攪拌車更高（圖4）。

4.3駐車空調(diào)的加裝

為了解決特殊工況發(fā)動機停止后駕駛室環(huán)境溫度的問題，工程技術(shù)人員為該車加裝了駐車空調(diào)，有效解決了發(fā)動機停機等待時間內(nèi)駕駛室內(nèi)溫度的問題，增加了發(fā)動機熄火等待的時間，達到節(jié)能減排的目的（圖5）。

5使用實例

某公司從2019年已經(jīng)開始研發(fā)ETM電動上裝系統(tǒng)，截至目前已完成數(shù)輪樣車試制開發(fā)和驗證優(yōu)化，成功開發(fā)了低成本、高可靠、高節(jié)油率的攪拌車電驅(qū)上裝系統(tǒng)。其中第三輪、第四輪樣車從2020年7月開始在重慶、成都、自貢、西安、滑南、咸陽、鄭州、安陽、武漢、長沙、貴陽、梧州等省市推廣試運行，取得了良好的節(jié)油效果，得到了廣大試用客戶的認可。該產(chǎn)品經(jīng)過五代優(yōu)化改進后，2021年5月底進行了上市發(fā)布會，正式面向全國進行銷售，截至目前已經(jīng)有很多客戶在使用該產(chǎn)品（圖6）。表1是使用傳統(tǒng)車和混動車的記錄數(shù)據(jù)，從表中數(shù)據(jù)計算平均每k油耗，傳統(tǒng)車比混動車高0.19L，這就說明混動車節(jié)油約31.2%，加上節(jié)約尿素、發(fā)動機保養(yǎng)、剎車蹄片、液壓油更換、延長輪胎使用壽命等費用，輕松節(jié)省40%以上的費用。綜合單公里運營成本可降低1.2～1.3元，按照一輛車每個月跑100趟，來回50km/趟，每公里按照節(jié)省1.2元計算，每個月輕松節(jié)省6000元，一年按照10個月計算就能節(jié)省60000元。

6結(jié)語

在國家碳排放目標和碳達峰整體戰(zhàn)略驅(qū)動下，攪拌車行業(yè)一方面受到國家交通運輸行業(yè)燃料消耗量限值約束，其對31t攪拌車第四階段的燃油限值為36.2L/100km，不引入混動等新能源技術(shù)很難達到標準。另一方面國內(nèi)環(huán)保管控不斷升級，加之油價逐步攀升，在可預(yù)見的未來，油價將維持高位，這將會成為運輸車輛最大的可變成本?？蛻羝扔谶\營壓力，會改變觀念，優(yōu)先選擇節(jié)油率高的車型。該電驅(qū)上裝配合傳統(tǒng)底盤組成的混合動力攪拌車將逐步被市場接受，在純電攪拌車技術(shù)尚不完善及其成本居高不下的情況下，該車可以達到讓客戶節(jié)能降本增產(chǎn)的目的。因此該車型和傳統(tǒng)車型相比，具有很強的競爭力。

參考文獻

[1]王保華混合動力城市客車控制策略與試驗研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008年

[2]辛世界，隆武強，范立云，等并聯(lián)混合動力城市客車控制策略研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2007（4）：515-520.

[3]JTT719-2016營運貨車燃料消耗量限制及測量方法[S]

作者簡介：

吳濤，男，1979年生，工程師，研究方向為專用車技術(shù)和銷售管理。