浅谈全电洗扫车的行走系统

黄耀武

摘 要：以混合电能超级电容技术为平台，研究了超级电容在环卫洗扫车上的应用，分析了行走系统的控制技术;瞩望了该技术的发展前景。

关键词：洗扫车;混合电能;超级电容;能量回收

1 引言

当前从国际大环境来看，全球能量紧张，石油价格暴涨，机动车数量激增，城市污染日趋严重，石油供给与市场需求的矛盾日趋突出。面对能源和环境问题的严峻挑战，高效，节能和绿色电动汽车的发展将成为下一代汽车产业发展的主要方向。其中，混合动力电动汽车（锂电池+超级电容器[1]，称为电动汽车）由于其在行驶中的技术性能和环保优势而引起了广泛的关注。

2 超级电容

超级电容是近年来兴起的一种新型储能元件，具有使用寿命长、可瞬间释放大电流、重量轻、低温特性好、工作温度范围宽及环保等特点，已经在电动汽车、风力发电、太阳能光伏产品、汽车电子、智能仪表、工业UPS电源、航空等重多领域得到了应用。尤其在电动车及混合电动车领域，采用电池与超级电容共用的复合电源，可明显提高电动车及混合动力车的启动性能[2]、加速性能、低温性能，同时还可在制动时回收能量，安全性及可靠性能高，避免和緩解了单一使用电池所带来的问题，已越来越多的被电动车及混合动力车生产商所采用。

电动汽车的发展受到诸如电池寿命，车辆加速性能等电池技术的限制。如何解决与电池使用相关的问题已经成为电动汽车推广和应用的最大瓶颈。加装超级电容，并将超级电容与各类动力电池配合组成复合电源应用于各类电动车辆，是现有科技水平下可行的解决办法之一。

电动汽车正常行驶期间电池所需的平均功率不高，但制动，加速和爬坡时的最大功率非常高。根据相关汽车研究部门的数据，当前开发的电动汽车的最高功率与平均功率之比达到16：1[3]。显然，如果仅使用电池，则当车辆需要瞬时大功率时，电池的放电容量显然不足，很容易造成电池损坏。当超级电容器与电池一起使用时，超级电容器可提供车辆在上坡或下坡时所需的瞬时大功率，避免了大电流对电池寿命致命影响的问题，除了提高车辆启动和加速性能外，电池寿命也大大延长。

另外电动汽车在刹车过程中的能量回收也必须考虑，这样可以降低能量消耗，减少充电次数，延长续驶里程，减少充电时对电网的冲击。由于电池是通过化学反应充电的，因此需要较长时间，车辆制动时间短，能量回收效果不佳，混合超级电容器和电池后车辆正在制动。在过程中产生的反馈能量可以被超级电容器[4]迅速吸收。特别是在城市中行驶时，频繁出现红灯，车辆的起步速度和制动频繁发生，并且单独使用电池对电池寿命和电能使用效率具有重大影响。相关研究表明，如果能够有效地恢复制动能量，在频繁制动和启动的城市道路上行驶可以使电动汽车的行驶里程延长10%～40%。

综上所述，超级电容器和电池的使用简单地解决了使用电池所面临的问题，并具有以下优点：1）提高车辆的起步和加速性能。超级电容器可以立即释放大电流，为加速电动汽车提供必要的能量保护;2）改善电池的工作条件并延长电池寿命。超级电容器的充电和放电特性使您可以平滑车辆电流的变化程度。它为蓄电池提供了相对良好的工作环境，并使电池在放电过程中处于相对稳定的阶段，避免了电池的瞬时大电流充电和放电，并延长了电池寿命。3）超级电容器有助于提高电动汽车的冷启动性能，具有-40至65°C的宽温度范围，克服了电池在低温下难以操作的缺点，并解决了汽车在低温下启动的问题;4），可回收电动汽车的制动能量：超级电容器的内阻非常低，可以在短时间内用大电流充电，并且可以在频繁的制动过程中回收车辆产生的能量，延伸。5）减少对电网的影响，提高充电质量：在电动汽车的充电过程中，超级电容器起到稳压和滤波的作用，降低充电过程中的纹波系数，提高充电质量，保护电池。

3 行走系统

3.1 车头控制器

车头控制器主要任务是完成人机交互，对脚踏板指令进行处理后，通过CAN光纤通讯将执行指令传送给其他控制器;并通过CAN光纤通讯采集其他控制器和管理系统各方面的运行参数，显示在面板上，方便读取。其液晶显示面板采用7英寸彩色显示屏，显示内容分别是锂电池总电压总电流、牵引电机电流、故障代码、车辆时速、运行状态、行驶总里程数等。主显示画面如图2所示。

3.2 车尾控制器

1）动态操控的实现

车尾控制器对操作指令进行解析，然后向驱动系统发出驱动指令，根据电堆的状态和车辆的瞬间过程，给予驱动装置一个运动讯息，从而使车辆运动或制动。

2）能量回收算法的实现

具有能量回收功能是本系统的特征之一。当整车在运动过程中接到需要制动的指令时，车辆能够依照内嵌的算法给出能量回馈的讯息，将动能在瞬间完成向电能的转换，并且完成向超级电容和动力锂电池组的充电。回收能量的瞬间大小将取决于车辆的动态情况和超级电容及锂电池组能量状态。

3）动力驱动控制

动力驱动控制是一个将电能直接转化成动能的过程，车尾控制器在逻辑上向驱动系统及控制装置发送指令，并实现动力驱动的平稳运行指标。

3.3 控制装置

控制装置实现动力强电与控制弱电接口的过渡，完成车尾控制器执行指令的相关动作。

3.4 动力驱动部分

动力驱动部分是直接完成调速控制的装置。电动机完全依照该驱动装置所给出的电压、频率讯息进行运动，同时又完成将电能与机械运动进行交互的过程。该装置既是整车动能的驱动装置，又是一个电制动刹车能量转换装置。

3.5 运动电机

电动机是车辆运行的动力部分，从驱动器接收电动机旋转命令，在此期间，电动机通常会更改扭矩控制和速度控制模式。

电机的旋转部分通过机械速度编码器反馈到驱动单元，因此驱动系统以闭环控制模式运行。转矩和速度的闭环控制模式使行驶中的车辆稳定舒适。

3.6 电堆驱动控制器

电堆驱动控制器用于对超级电容和动力型锂电池两种能量载体的能量输出切换和互补输出。在车辆启动或制动过程中，将由超级电容担负着能量载体，当车辆进入平稳运动时，超级电容和动力锂电池之间的能量又能通过电堆驱动控制器进行平衡。电堆驱动控制器的主要作用是将动力锂电池与超级电容实现动态切换。

3.7 电堆动态管理系统

车辆动力锂电池和超级电容器的每个单元必须执行动态监视和管理，管理信息必须发送回车辆的驱动系统，以指导驱动控制器的驱动操作模式。

1）超级电容平衡控制系统

在模块组合的超级电容中具有自平衡装置，当超级电容在运行中，某个单体达到上限值时，该平衡装置会将其的能量进行自动平衡，以使所有的单体能量趋于一致。

2）动力锂电池管理系统

管理系统监视和管理动力锂电池每个单元的参数，并将监视参数传输到车辆驱动系统，以指导驱动过程的能量输出控制。

3.8 蓝牙信息传送装置

电堆的充电过程必须实现全程的监控，必须依照动力锂电池组的参数特征进行控制。蓝牙信息传送的过程就能实现这个目标，在充电过程中，地面充电站的充电过程的参数给出必须严格按照锂电池的参数进行，电堆动态管理系统对其进行全程监控。

4 结论

本研究是在产品样车的基础上，通过实测得出的结果，设计的原则符合国家对车辆的强制性标准和法规，经过分析可得出如下结论：

（1）基本提供了在原有基础上开发混合动力超级电容器环卫专用车的技术基础;

（2）混合动力超级电容环卫专用车辆已通过测试，与能耗相比价格差异较大的车型具有明显的经济优势。与电动汽车价格差异较大的车型相比，低能耗（每日能耗）和总体经济效益较为明显。

（3）混合超级电容器和环卫专用车辆通过节约能源，减少环境污染，减少对環境治理的投资并减少了对传统能源渠道的保护，对整个国民经济具有极大的帮助[5]。

（4）增加电容器的充电量不仅会降低使用成本，而且还能保持电网的平衡。

（5）电池工业化和大规模发展的进步将继续改善电池的一致性，可靠性和安全性，并充分体现出用于环卫专用车辆的混合电动超级电容器的经济和社会效益[6，7]。

因此，发展混合电能在城市中的特殊应用具有巨大的社会和经济优势，可以在城市运营和管理领域积极推广和应用。

参考文献：

[1]吴孟强，张绪礼，高能武，等.电化学超级电容器-科学原理及技术应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]陈永真，宁武，孟丽囡，等.超级电容改善汽车启动性能[J]. 今日电子， 2004（5）：106-107.

[3]崔淑梅，张千帆，宋立伟，等. 超级电容电动车动力性能的研究[J].微电机，2005（4）：38-41.

[4]李珂，张承慧，崔纳新.电动汽车用高效回馈制动控制策略[J].电机与控制学报，2008（3）：324-330.

[5]陈清泉.环境保护和电动车的开发[J].江苏机械制造与自动化，2000（1）：3-7.

[6]王静.电动车发展现状及前景分析[J].汽车运用，2000（7）：13-14.

[7]崔淑梅，段甫毅.超级电容电动汽车的研究进展与趋势[J].汽车研究与开发， 2005（6）： 35-40.