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[轻量化客车] 全铝车身在纯电动公交客车车身上的应用研究

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发表于 2011-6-24 21:36:51 | 显示全部楼层 |阅读模式

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随着城市汽车保有量的增加,汽车尾气对城市环境的污染日益严峻,减低汽车尾气对城市环境的污染已刻不容缓。环保是我国的基本国策之一,由于我国的排污控制的整体水平相对落后,因此控制汽车排气污染,发展环保汽车特别是环保型城市公交车已迫在眉睫,已成为我国汽车工业发展面临的瓶颈制约性难题。电动汽车的发展可为大量节省石油能源,控制汽车排气污染提供了重要途径,同时也是汽车工业技术进步的最重要的动力。
政府对电动汽车的研发给予了高度重视,20011125日,国家又正式宣布启动“十五”期间“863计划”电动汽车重大专项,其重要位置仅次于“超大规模集成电路”而名列第二,电动汽车再次成为我国业内外人士关注的焦点。计划在十五期间投入8.8亿元引导资金进行电动汽车开发。
在城市公交客车上采用纯电动技术的意义在行业内已取得普遍共识,但在其产业化过程中,除了电池、电机等技术瓶颈外,其与普通内燃机驱动客车相比,电动公交客车的车身底盘等机械构件的设计与生产也存在着一系列的问题,电动公交客车在使用中存在续驶里程不足等诸多类因素都是限制电动客车广泛采用的重要原因。其中电动汽车的续驶里程是指电动汽车上动力蓄电池以全充满状态开始到标准规定的试验结束时所走过的里程,它是电动汽车重要的评价指标。电动汽车续驶里程短,是造成电动汽车商业化发展的瓶颈,因此,在电池技术没有实质性突破的情况下,研究分析电动汽车续驶里程中的能量转换及其影响因素,减少电动汽车运行中的能量消耗,提高电动汽车的能量利用效率,对电动汽车的发展有着重要的意义。
针对以上问题,根据研究分析,提出了改善纯电动公交客车行驶里程的解决方案——全铝车身纯电动公交客车。下面首先从能量平衡角度分析提出该建议的重要理论依据,再结合金旅公司产品做一些分析。

1 纯电动客车行驶续驶里程中的能量计算模型

电动汽车在续驶里程中的的能量转换主要是指能量源所输出的能量转换为电动汽车行驶时所消耗掉的能量,国内外对电动汽车续驶里程中的能量计算提出过很多种方法,但都基于这种能量相等的原则来进行理论分析的。
电动汽车电池携带的额定总能量为:

式中,Pf为滚动阻力所消耗的功率;Pw为空气阻力所消耗的功率;Pi为坡度阻力所消耗的功率;Pj为加速阻力所消耗的功率。
根据功率平衡公式,只有当汽车在行驶中电池所能允许的放电深度内所能释放的能量大于公交车行驶中所需消耗的能量,即
W0 Pm       3
当电池规定的所能提供的能量(即电池放电深度)小于汽车行驶所需的能量时的行驶里程,也即为该电动车的续驶里程。
在电池所能提供的最大电能不能改变的情况下,我们只能从搭载电动系统的车辆上来找解决措施。根据对汽车功率平衡方程的分析,影响车辆行驶能耗主要有以下几个因素:
1)车辆风阻系数DC ,影响车辆的行驶时的空气阻力;
2)传动系效率η ,影响整车能量的使用效率;
3)整车质量m,影响车辆的滚动阻力、坡度阻力及加速阻力。
以上3个因素当中,前2个因素可以通过不断研究和优化设计去改进,以降低车辆行驶时的风阻系数和提高车辆传动系的机械效率。但从功率平衡公式中共有4种阻力消耗功率,其中就有3个阻力受整车重量因素影响,因此通过改变整车重量去影响整车行驶时的阻力将是一个重要途径和解决突破口之一。

2 整车整备质量对纯电动公交车续驶里程的影响

车辆整备质量加上车辆的额定乘员的质量总和为车辆满载运行时的车辆质量,对功率平衡公式进行分析,可以发现车辆的质量跟滚动阻力、坡度阻力成正比关系,与加速阻力也成一定比例关系,因此如果能降低公交客车的整车整备质量,那么在额定乘员数相同的情况下,车辆行驶时的最大总质量将相应降低,根据前面的分析,车辆在行驶时各种阻力消耗的功率将会降低,对电动车来说单位续驶里程所需消耗的能量将降低。在电动系统所能提供总能量不变的情况下,车辆的总续驶里程将会提高,从而可以大大改善纯电动公交客车的使用性能。
以安凯HFF6112GK50电动公交车为例,该车整车整备质量12485Kg,最大总质量18000 Kg,所使用的能量源是12 V(85Ah)水平铅酸电池,用32块电池串联成一组,然后3组并联,电池组额定电压384 V,额定容量255 Ah,额定总能量=384×255=97.92 kW·h
根据该车在上海的运行情况进行测算,该车的百公里平均耗能为118 kW左右,其续驶里程大约为158 km。根据该数据测算该电动公交客车的供电系统在整个续驶里程内可提供电能为186.44 kW,单位质量的功率消耗为:186.44÷180=1.026×10-2 kW/kg换算成车辆行驶里程,整车总质量每降低百公斤将增加行驶里程为:
1.026÷118=0.0087 km/kg
以上分析均是基于静态分析的结果,如果考虑在动态运行下的整车质量对整车各种行驶阻力的影响,整车整备每降低百公斤其增加的续驶里程将会更大。
从以上数据可以看出,从电动公交客车的轻量化入手,降低整车整备质量从而降低车辆行驶时的最大总质量,对提高电动公交客车的最大续驶里程具有重要的意义。

3 采用全铝车身纯电动公交客车续驶里程分析

在纯电动公交客车上采用全铝车身技术的出发点就是通过在公交车采用轻质材料以降低整车整备质量,从而实现提高纯电动公交车续驶里程的目的。下面以金旅XML6115型公交车为例进行分析说明:
金旅XML6115型普通公交客车最大总质量17000 kg,整车整备质量11500 kg,车身焊接总成重量3500 kg,底架重量1000 kg,车身部分2500 kg。如果采用全铝车身技术,整车整备质量较采用钢车身减轻分析如下:
全铝车身车辆,由于考虑到铝合金机械性能特点,其强度极限与钢的强度极限有很大差距,一般为100MPa左右,而公交车的动力系统和行驶系统一般产生的冲击力很大,因此一般底架部分仍采用钢结构骨架,而只是在车身骨架、蒙皮等部分采用铝合金。
铝合金密度为2.7e3 kg/m3,钢的密度为7.8e3 kg/ m3,根据对XML6115型普通公交客车车身材料结构进行统计,车身骨架部分重量约2000 kg,蒙皮重约500 kg
1)蒙皮改用铝板减轻重量分析如下:铁蒙皮厚度为1.2 mm镀锌钢板,如采用铝板一般为2 mm,因此减轻重量计算如下:

考虑到车身骨架如采用钢与采用铝合金管材的厚度一般会有一些差别,钢一般厚度取1.53 mm厚度,根据现有其它公司产品情况,一般取26 mm厚度不等。综合考虑,采用两种材料后整车骨架结构重量比将接近1:2,因此车身骨架部分重量将会减轻:
2000×0.5=1000 kg
3)其它附件采用铝合金材料,引起的质量减轻。整车6个车轮采用铝合金车轮,根据行业公布数据,22.5X8.25车轮 如果采用铁制重量50 kg左右,如果采用铝合金其重量将会是23.6 kg,因此6个车轮将减重138.4 kg.
综合以上两个部分,如果将XML6115公交车换成铝合金车身,整车整备质量将减少:
1000 kg+211 kg+138.4 kg=1349.4 kg
(宇通ZK6126HGE全铝车身,根据其公布的参数,其采用全铝车身后,车身部分减重比例46%,约减重1 460 kg左右,按该车情况,我们针对我公司XML6115采用全铝车身的减重估算是合理的。)
与该车整车整备质量相比,下降:
1349.4 kg/11 500 kg=0.1299=12.99%
相对整车总质量下降:
1 349.4 kg/17 000 kg=0.794=7.94%
根据前面分析,纯电动公交客车整车整备质量每下降100 kg,可延长续驶里程0.87 km,因此XML6115公交车在其它不变的情况下如采用钢车身和与采用铝合金车身,其续驶里程将延长:
0.87 ×(1349.4/100=11.74 km
考虑到我公司XML6115公交车与安凯HFF6112GK50电动公交车属于同一长度公交车系列,因此如果我公司选取XML6115公交车作为纯电动公交车,采用钢骨架车身,电路系统选取一样系统,其续驶里程将会与HFF6112GK50电动公交车应该基本相同(该车整备质量比安凯HFF6112GK50实际质量还要轻,根据检测线统计XML6115公交车整备质量基本上都在11000kg左右),即应该也能达到158 km。在此基础上如果采用全铝车身,续驶里程按上面的推算将增加11.74 km达到170 km左右。
如果考虑到我司XML6115公交车比HFF6112GK50实际质量还要轻因素,续驶里程还要相应延长35 km,将会达到175 km左右。

4 结论

根据以上分析,纯电动公交客车将会在未来的公交车市场具有光明的发展前景,特别是在目前城市污染十分严重的背景下,发展环保汽车特别是环保型城市公交车已迫在眉睫,各大城市都在寻找可替代目前污染严重的纯燃油驱动的传统公交客车,纯电动客车是所有寻求的工具中最环保的交通工具。
由于受到车载电动系统自身缺陷限制(如充电速度、储能问题等)大大限制了纯电动车的发展前景,为合理解决和规避纯电动公交客车的续驶里程问题,将全铝车身技术与纯电动公交客车相结合是解决纯电动公交车续驶里程的一种很好的解决方案,可延长8%10%,因此具有重要的实际意义和广阔的市场及技术前景。
发表于 2012-5-19 14:13:56 | 显示全部楼层
学习了
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唐山钢铁
发表于 2012-9-11 10:16:28 | 显示全部楼层
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唐山钢铁
发表于 2015-12-9 10:37:19 | 显示全部楼层
辛苦楼主了,多谢多谢,对我启发很大
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唐山钢铁
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