纯电动城市港口牵引车系统设计及优势

郭玉文 班金龙 沈聪 秦荣峰 包海斌 俞骏

1.上海环境物流有限公司 上海市 200063 2.上海格菱堡专用车有限公司 上海市 201802

1 引言

经济全球化促进港口等物流中心不断发展扩大，港口牵引车作为港口重要的运输机械，其需求量也持续攀升。但传统牵引车在港口运行时工况恶劣、能耗高，不利于港口经济效益，且对港口所处城市造成严重污染[1]。近年来，各大汽车厂商也把目光聚焦于新能源纯电领域。本文阐述的纯电动港口牵引车是在传统牵引车基础之上，为其匹配一套由动力型锂电池与超级电容组成的双电系统。

2 纯电动汽车的发展背景

19至21世纪，汽车的逐渐普及推动了全球经济的巨大发展，给世界各国人民带来了极大的便利，促进了经济、军事、科技、人文等各方面的发展。但同时伴随着内燃机汽车的种类及数量越来越多，来源于内燃机汽车排放出的尾气和噪声污染严重影响了现代人的绿色生活[2]。目前新能源汽车主要有三种：混合动力汽车、纯电动汽车及氢燃料电池车。混合动力汽车介于传统汽车与纯电动汽车之间，同时采用传统的内燃机和电动机作为动力源。氢燃料电池车是通过氢与氧化剂的作用将化学能转化为电能，无机械损耗，然而此技术尚不成熟，还存在一定的安全隐患。纯电动汽车作为新能源汽车的代表，具有环保、无污染、噪声低、节能、能源来源多样化、能量效率高等优点，随着技术的不断完善，得到了越来越多的应用。

3 纯电动港口牵引车的优势

3.1 纯电动牵引车的经济性

下表1为传统柴油机牵引车与纯电动牵引车行驶百公里消耗的能源对比：

由表1可知，传统柴油机牵引车每百公里消耗价值约462元的柴油，而纯电动牵引车只消耗约为90元的电费，从经济性角度看，纯电动牵引车的使用成本远小于传统柴油机牵引车。

3.2 港口内无需加设加油站，消除安全隐患

作为港口物流牵引车日常工作量大，需要大功率的车辆才能维持港口物流正常流动，若要使用一般的燃油车辆，将会消耗大量的燃油。而为了消除安全隐患，港口不允许设立加油站，且港口牵引车为特色车辆，是不可以驶入普通道路到加油站加油，这将会造成港口牵引车辆燃油供应断层，影响港口货物正常流动。然而，使用纯电动港口牵引车，无需担心动力来源，只需给车辆充电，便可维持港口物流的正常流动。使用纯电动港口牵引车，不仅解决了车辆动力来源问题，还保障了港口的安全。

3.3 能源效率高，来源多样化

纯电动汽车能源效率已超过汽油机汽车。特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。另一方面，电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。

表1 传统柴油机牵引车与纯电动牵引车能耗对比

4 纯电动港口牵引车的动力与控制系统设计

4.1 动力系统的设计

动力系统是纯电动港口牵引车的源动力核心部分，其重要性等价于燃油车的发动机系统。在动力系统中实现了车辆的平稳启动与运行过程中的舒适性。从电气控制的角度而言，是驱动过程中将多种变量进行有机的合成与算法控制，将驱动的过程始终运行在动力性能最优、能耗最低的点。同时将制动过程中车辆的动能在车载控制器的指令下，完成动能向电能的转换，并且将这个装置得到的电能反馈送抵电堆系统，从而提高了车辆的制动减速度，降低了制动摩擦的磨损程度，减少了因制动而产生的摩擦分成，这一过程的实现充分体现了其环保节能的特征。

本系统中，电堆是由超级电容和动力型锂电池所组成，这两种不同的电能载体肩负着不同的任务，当有大电流大功率需要进行传递时，超级电容就是非常适用的载体，由于超级电容的能量密度较低，因此，在车辆的续航里程需要较大时，同时功率波动相对较小时，该能量分配管理系统就能进行合理适时的调整，以使形成最为合理的工况与之相匹配。当系统需要将它们进行有效地混合，就必须关注设计的理念和算法的支持。混合（电池+电容）电堆非常适合电动汽车所需的瞬间动力，采用了专门研发的耦合器和专用控制器，用以完成超级电容和蓄电池之间的切换。

4.2 控制系统的设计

本纯电动港口牵引车系统采用超级电容与动力型锂电池混合的方法，在控制系统核心算法的支持下，通过耦合器将超级电容和动力型锂电池的能量进行优化调度，具有动力性能优、能量回收效果好等优点，从而形成独特的控制模式，此项应用技术达到国际领先水平。

控制系统在电动汽车中完成一个最为核心的作用，其高速的输入输出功能和算法分析功能，将人机操纵与合理算法因子进行调节，从而实现了运行中的过程优化。

图1 服务对象

如图1所示，环保型混合超级电容控制系统利用了元器件、芯片级的设计组合而成，主核心部件采用了DSP数字处理器芯片，DSP的外部逻辑辅助控制电路采用了CPLD逻辑处理单元进行整合，所有单元的合成都采用了CAN光纤通讯的方式实现。

在本系统中，有低压的人机操作部分、高压的动力驱动系统、处于高频载波干扰的变频驱动装置、以及由于车辆不能与大地相连产生的电荷集聚而产生的高压对CAN本身的干扰。本系统中，对链接单元进行了特殊的处理。包括通讯电缆介质的选取、干扰旁路的选择等等。

控制器、显示器、踏脚板，设计者都采用了自行设计的成果，采用了独立的模块结构形式而成就，充分地与车载系统的需求紧密结合，这完全依照了电动汽车控制的功能需求，是由电动汽车的需求元素为最小单元而组成。

5 结语

新能源电动汽车是国家大力扶持的项目，它具有无需燃油作为动力来源、无污染，噪声低、能源效率高，多样化、充电速度快、结构简单，使用维修方便等特点，新能源电动汽车是市场发展的趋势。港口作为物流的主要集散中心，港口牵引车是不可或缺的交通运输工具，究其使用工况，电能是最理想的动力来源。对比传统牵引车，纯电动港口牵引车具有更加经济性、安全和环保等诸多优势。