郭玉文 班金龍 沈聰 秦榮峰 包海斌 俞駿

1.上海環(huán)境物流有限公司 上海市 200063 2.上海格菱堡專用車有限公司 上海市 201802

1 引言

經(jīng)濟(jì)全球化促進(jìn)港口等物流中心不斷發(fā)展擴(kuò)大，港口牽引車作為港口重要的運(yùn)輸機(jī)械，其需求量也持續(xù)攀升。但傳統(tǒng)牽引車在港口運(yùn)行時(shí)工況惡劣、能耗高，不利于港口經(jīng)濟(jì)效益，且對(duì)港口所處城市造成嚴(yán)重污染[1]。近年來(lái)，各大汽車廠商也把目光聚焦于新能源純電領(lǐng)域。本文闡述的純電動(dòng)港口牽引車是在傳統(tǒng)牽引車基礎(chǔ)之上，為其匹配一套由動(dòng)力型鋰電池與超級(jí)電容組成的雙電系統(tǒng)。

2 純電動(dòng)汽車的發(fā)展背景

19至21世紀(jì)，汽車的逐漸普及推動(dòng)了全球經(jīng)濟(jì)的巨大發(fā)展，給世界各國(guó)人民帶來(lái)了極大的便利，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)、軍事、科技、人文等各方面的發(fā)展。但同時(shí)伴隨著內(nèi)燃機(jī)汽車的種類及數(shù)量越來(lái)越多，來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)汽車排放出的尾氣和噪聲污染嚴(yán)重影響了現(xiàn)代人的綠色生活[2]。目前新能源汽車主要有三種：混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車及氫燃料電池車?；旌蟿?dòng)力汽車介于傳統(tǒng)汽車與純電動(dòng)汽車之間，同時(shí)采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。氫燃料電池車是通過氫與氧化劑的作用將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，無(wú)機(jī)械損耗，然而此技術(shù)尚不成熟，還存在一定的安全隱患。純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，具有環(huán)保、無(wú)污染、噪聲低、節(jié)能、能源來(lái)源多樣化、能量效率高等優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷完善，得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

3 純電動(dòng)港口牽引車的優(yōu)勢(shì)

3.1 純電動(dòng)牽引車的經(jīng)濟(jì)性

下表1為傳統(tǒng)柴油機(jī)牽引車與純電動(dòng)牽引車行駛百公里消耗的能源對(duì)比：

由表1可知，傳統(tǒng)柴油機(jī)牽引車每百公里消耗價(jià)值約462元的柴油，而純電動(dòng)牽引車只消耗約為90元的電費(fèi)，從經(jīng)濟(jì)性角度看，純電動(dòng)牽引車的使用成本遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)柴油機(jī)牽引車。

3.2 港口內(nèi)無(wú)需加設(shè)加油站，消除安全隱患

作為港口物流牽引車日常工作量大，需要大功率的車輛才能維持港口物流正常流動(dòng)，若要使用一般的燃油車輛，將會(huì)消耗大量的燃油。而為了消除安全隱患，港口不允許設(shè)立加油站，且港口牽引車為特色車輛，是不可以駛?cè)肫胀ǖ缆返郊佑驼炯佑?，這將會(huì)造成港口牽引車輛燃油供應(yīng)斷層，影響港口貨物正常流動(dòng)。然而，使用純電動(dòng)港口牽引車，無(wú)需擔(dān)心動(dòng)力來(lái)源，只需給車輛充電，便可維持港口物流的正常流動(dòng)。使用純電動(dòng)港口牽引車，不僅解決了車輛動(dòng)力來(lái)源問題，還保障了港口的安全。

3.3 能源效率高，來(lái)源多樣化

純電動(dòng)汽車能源效率已超過汽油機(jī)汽車。特別是在城市運(yùn)行，汽車走走停停，行駛速度不高，電動(dòng)汽車更加適宜。電動(dòng)汽車停止時(shí)不消耗電量，在制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速時(shí)能量的再利用。另一方面，電動(dòng)汽車的應(yīng)用可有效地減少對(duì)石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽(yáng)能、風(fēng)力、潮汐等能源轉(zhuǎn)化。除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網(wǎng)均衡負(fù)荷，減少費(fèi)用。

表1 傳統(tǒng)柴油機(jī)牽引車與純電動(dòng)牽引車能耗對(duì)比

4 純電動(dòng)港口牽引車的動(dòng)力與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)是純電動(dòng)港口牽引車的源動(dòng)力核心部分，其重要性等價(jià)于燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。在動(dòng)力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了車輛的平穩(wěn)啟動(dòng)與運(yùn)行過程中的舒適性。從電氣控制的角度而言，是驅(qū)動(dòng)過程中將多種變量進(jìn)行有機(jī)的合成與算法控制，將驅(qū)動(dòng)的過程始終運(yùn)行在動(dòng)力性能最優(yōu)、能耗最低的點(diǎn)。同時(shí)將制動(dòng)過程中車輛的動(dòng)能在車載控制器的指令下，完成動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換，并且將這個(gè)裝置得到的電能反饋送抵電堆系統(tǒng)，從而提高了車輛的制動(dòng)減速度，降低了制動(dòng)摩擦的磨損程度，減少了因制動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦分成，這一過程的實(shí)現(xiàn)充分體現(xiàn)了其環(huán)保節(jié)能的特征。

本系統(tǒng)中，電堆是由超級(jí)電容和動(dòng)力型鋰電池所組成，這兩種不同的電能載體肩負(fù)著不同的任務(wù)，當(dāng)有大電流大功率需要進(jìn)行傳遞時(shí)，超級(jí)電容就是非常適用的載體，由于超級(jí)電容的能量密度較低，因此，在車輛的續(xù)航里程需要較大時(shí)，同時(shí)功率波動(dòng)相對(duì)較小時(shí)，該能量分配管理系統(tǒng)就能進(jìn)行合理適時(shí)的調(diào)整，以使形成最為合理的工況與之相匹配。當(dāng)系統(tǒng)需要將它們進(jìn)行有效地混合，就必須關(guān)注設(shè)計(jì)的理念和算法的支持?；旌希姵?電容）電堆非常適合電動(dòng)汽車所需的瞬間動(dòng)力，采用了專門研發(fā)的耦合器和專用控制器，用以完成超級(jí)電容和蓄電池之間的切換。

4.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本純電動(dòng)港口牽引車系統(tǒng)采用超級(jí)電容與動(dòng)力型鋰電池混合的方法，在控制系統(tǒng)核心算法的支持下，通過耦合器將超級(jí)電容和動(dòng)力型鋰電池的能量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，具有動(dòng)力性能優(yōu)、能量回收效果好等優(yōu)點(diǎn)，從而形成獨(dú)特的控制模式，此項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

控制系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中完成一個(gè)最為核心的作用，其高速的輸入輸出功能和算法分析功能，將人機(jī)操縱與合理算法因子進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行中的過程優(yōu)化。

圖1 服務(wù)對(duì)象

如圖1所示，環(huán)保型混合超級(jí)電容控制系統(tǒng)利用了元器件、芯片級(jí)的設(shè)計(jì)組合而成，主核心部件采用了DSP數(shù)字處理器芯片，DSP的外部邏輯輔助控制電路采用了CPLD邏輯處理單元進(jìn)行整合，所有單元的合成都采用了CAN光纖通訊的方式實(shí)現(xiàn)。

在本系統(tǒng)中，有低壓的人機(jī)操作部分、高壓的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、處于高頻載波干擾的變頻驅(qū)動(dòng)裝置、以及由于車輛不能與大地相連產(chǎn)生的電荷集聚而產(chǎn)生的高壓對(duì)CAN本身的干擾。本系統(tǒng)中，對(duì)鏈接單元進(jìn)行了特殊的處理。包括通訊電纜介質(zhì)的選取、干擾旁路的選擇等等。

控制器、顯示器、踏腳板，設(shè)計(jì)者都采用了自行設(shè)計(jì)的成果，采用了獨(dú)立的模塊結(jié)構(gòu)形式而成就，充分地與車載系統(tǒng)的需求緊密結(jié)合，這完全依照了電動(dòng)汽車控制的功能需求，是由電動(dòng)汽車的需求元素為最小單元而組成。

5 結(jié)語(yǔ)

新能源電動(dòng)汽車是國(guó)家大力扶持的項(xiàng)目，它具有無(wú)需燃油作為動(dòng)力來(lái)源、無(wú)污染，噪聲低、能源效率高，多樣化、充電速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便等特點(diǎn)，新能源電動(dòng)汽車是市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。港口作為物流的主要集散中心，港口牽引車是不可或缺的交通運(yùn)輸工具，究其使用工況，電能是最理想的動(dòng)力來(lái)源。對(duì)比傳統(tǒng)牽引車，純電動(dòng)港口牽引車具有更加經(jīng)濟(jì)性、安全和環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)。