纯电动抑尘车上装动力系统设计与研究

颜仁喆杨斌王英豪马军伟

1.甘肃建投重工科技有限公司 甘肃兰州 730000

2.甘肃省建设投资（控股）集团总公司 甘肃兰州 730000

1 前言

为响应国家“蓝天保卫战”计划号召，城市雾霾以及工地、矿区漂浮颗粒物的治理尤为重要。抑尘车作为一种专门针对大气雾霾和施工现场漂浮颗粒物治理的专用车辆在近几年已经被广泛使用，但是市场上大多数抑尘车都是在燃油底盘的基础上采用副发动机或者车载发电机作为喷雾机和低压水路系统的动力系统，这种模式的抑尘车在工作状态下噪声大、安全系数低，且副发排放往往达不到国家排放标准，因此就出现了“一边治理，一边污染”的尴尬局面。针对这种不足，本文设计了一种适用于纯电动二类底盘的抑尘车上装动力系统，为抑尘车喷雾机和低压水路能够在纯电动底盘上可靠应用提供了解决方案。

2 系统结构设计

纯电动抑尘车上装动力系统主要包括喷雾机动力系统和低压水路动力系统，其中喷雾机动力系统由三部分组成：即风机动力系统、离心泵动力系统和液压站动力系统，其系统结构组成如图1所示。

图1 抑尘车上装动力系统结构拓扑图

设计依托变频器控制技术、CAN网络通信技术、PLC控制技术、组态控制技术等，搭建了一个适用于纯电动二类底盘的抑尘车上装动力系统。系统的总动力源取自底盘动力电池组，通过CAN网络通信从底盘VCU向上装控制分配直流高压电能，电机控制器一方面将直流高压电能直接分配到喷雾机动力柜，另一方面通过内部的逆变模块和功率模块将调制好的三相交流电输出至永磁同步电机。

喷雾机动力柜内安装三台矢量变频器，变频器直流母线获取上装控制器分配到的直流电能，三台变频器负载分别为喷雾机的风扇电机、多级离心式水泵电机和液压站油泵电机，为喷雾机完成水雾化、吹雾和喷雾机举升和回转工作提供动力。

3 低压水路动力系统搭建

3.1 电机及电机控制器选择

驱动电机是低压水路动力系统的核心动力部件，不仅要有利于整车上装轻量化和上装部件安装空间节约化，还要能根据实际使用需要进行转速切换，以保证上装执行部件能够满足各种工况需求。传统使用的三相交流异步电动机具有电机结构简单、维修费用低的特点，但是其功率损耗大，电机发热量高并且启动时对电网冲击大，逐渐不能适应车载状态下的应用。然而永磁同步电机则是一种具有永磁体励磁机构的电机，这种电机几乎没有励磁功率损耗，而且水冷式的永磁同步电机具有体积小、质量轻等优点，尤其适合在车载状态下装配[1]。

图2所示为本次选用某型永磁同步电机，其额定功率为35 kW、额定转速为2 100 r/min、额定扭矩160 N M，液冷式结构，能够满足负载水泵的动力需求。永磁同步电机控制器，选用了一款型号为Q123-54-040LHD的电机控制器，该控制器适用于三相永磁同步电机，且支持直流分配，可以在驱动低压水泵电机的同时向喷雾机系统分配电能，以满足本次设计的需要，CAN通讯网接口可与底盘动力网通讯，实现有载情况下的预充上电流程。双面液冷式结构可以有效提高系统效率，并且和电机单元能够融洽地结合，提高系统的整体性[2]。

图2 低压水路系统布局

3.2 底盘动力网通讯

整车选用的底盘是一种开放了预充的纯电动二类底盘，因此在搭建上装动力系统的时候必须要应用一种基于CAN总线通讯技术的控制设备，譬如在本次设计中选用的永磁同步电机控制器。因此上装系统装配的时候，要将电机控制器与底盘CAN动力网进行连接，其组网对接形式如图3所示。

图3 对接组网图

当驾驶员需要实施上装系统操作的时候，在底盘“OK”点亮的情况下，首先需要开启驾驶室内的上装取电开关，为保证底盘VCU及上装控制系统安全，此时VCU内部给上装送电单元的主继电器并不会立即闭合，而是BMS会开始给上装走预充上电流程，此时上装控制器需要将实际获取到的预充电压立即反馈至底盘VCU VCU在接收到某一帧报文后对当前报文进行判断，整个上装系统上电流程如图4所示。

图4 上装系统上电流程

4 喷雾机动力系统搭建

4.1 主回路系统设计

喷雾机作为抑尘车的核心单元主要承担着将水罐的清水通过过滤器再经过多级离心泵送到喷雾机的喷头处，由轴流风机产生的巨大风量将喷头雾化后的水滴吹至几十米高的空中，雾化水滴在空气中会和空气中的微小颗粒粘合，最后在重力的作用下落至地面，从而起到净化空气的作用。而液压动力系统则给喷雾机底座提供动力，驱动底座液压马达旋转和举升油缸的举升动作。

喷雾机底座配电柜安装三台变频器，直流高压接口分别对接在三台变频器的直流母线上，通过变频器内部的直-交逆变模块将DC524V调制成供负载电机使用的三相交流电，变频器单元可右基于PLC5单元的控制系统进行控制和调节，整个喷雾机主回路动力系统结构如图所示。

图5 喷雾机主回路系统原理图

4.2 控制网络系统设计

喷雾机控制系统选用西门子SMART系列PLC和MCGS组态系统搭建，PLC和MCGS组态控制系统采用以太网通讯，组态系统中可以对喷雾机系统进行开启和关闭，喷雾机工作开启流程是：接收到启动信号后，风机先开始运行，当转速达到内部设定阈值后，开始启动水泵。组态系统和变频器之间通过RS485通讯，可以在组态系统内直接读取变频器直流母线电压和电流参数，以供驾驶员随时监控喷雾机高压母线带电情况[3]。为了方便驾驶员操作，设计在组态系统旁安装了四向主令开关和旋钮电位器，驾驶员可以通过四向主令摇杆开关控制喷雾机举升和回转动作，除此之外，还能使用旋钮电位器，通过调节风机变频器输出频率，以实现平滑调节风机转速，这为驾驶员在行车过程中调节喷雾机工况提供了很大的方便，从而提升了驾驶安全性，其控制界面和外观如图6所示。

图6 喷雾机操作系统

设计还将低压水路控制系统集成在组态控制系统中，通过向低压水路控制器发送调速和启动信号控制低压水泵的开启和转速调节，本次设计了三种速度适应于低压水泵电机工作，能够进行前冲、后洒、侧喷、吸水和水炮多种工作，如图7所示，以满足低压水路系统在不同情况下使用。

5 结语

本文为抑尘车上装动力系统在纯电动底盘上的应用提供了解决方案，该方案能够实现抑尘车喷雾机系统和低压水路系统在纯电动底盘行车情况下正常工作，并且运行工况较传统燃油底盘抑尘车更为经济和环保，以本次设计选用的某型底盘为例，其动力电池组标称电量为348 kWh，平台电压为524 V，因此电池标称容量：348×1 000/524=664 AH，考虑到效率系数，实际电池容量则为664×0.8=531 AH，单独考虑喷雾机工作的情况下，喷雾机系统功率39 kW，平台电压524 V，效率0.9，计算得最大放电电流：39×1 000÷524÷0.9=83 A；因此放电速率为：83÷531=0.16 C，依据放电速率表估算出该型号底盘单次充电能够满足喷雾作业连续进行6 h[4]。

图7 低压水路控制系统