全鋁車身在純電動公交客車車身上的應(yīng)用研究

姚 成

全鋁車身在純電動公交客車車身上的應(yīng)用研究

姚 成

廈門金龍旅行車有限公司

考慮到純電動公交客車的排放特點(diǎn)，其幾乎是一種0污染的城市公共交通工具，因此國家相關(guān)政策和一些企業(yè)也正在投入資金和人力開展深入研究，但純電動公交客車的充電問題和每次充電后的續(xù)駛里程問題是限制了純電動公交客車普及采用的重要障礙。 本文首先對公交采用全鋁車身后整車輕量化潛力，然后分析了公交車整車整備質(zhì)量對純電動公交車?yán)m(xù)駛里程的影響，并對純電動采用全鋁車身技術(shù)后提高其續(xù)駛里程潛力進(jìn)行分析，認(rèn)為采用全鋁車身技術(shù)是提高純電動公交車?yán)m(xù)駛里程的一種有效的解決方案之一。

純電動公交客車 全鋁車身 續(xù)駛里程

隨著城市汽車保有量的增加，汽車尾氣對城市環(huán)境的污染日益嚴(yán)峻，減低汽車尾氣對城市環(huán)境的污染已刻不容緩。環(huán)保是我國的基本國策之一，由于我國的排污控制的整體水平相對落后，因此控制汽車排氣污染，發(fā)展環(huán)保汽車特別是環(huán)保型城市公交車已迫在眉睫，已成為我國汽車工業(yè)發(fā)展面臨的瓶頸制約性難題。電動汽車的發(fā)展可為大量節(jié)省石油能源，控制汽車排氣污染提供了重要途徑，同時也是汽車工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的最重要的動力。

政府對電動汽車的研發(fā)給予了高度重視，2001年11月25日，國家又正式宣布啟動“十五”期間“863計劃”電動汽車重大專項(xiàng)，其重要位置僅次于“超大規(guī)模集成電路”而名列第二，電動汽車再次成為我國業(yè)內(nèi)外人士關(guān)注的焦點(diǎn)。計劃在十五期間投入8.8億元引導(dǎo)資金進(jìn)行電動汽車開發(fā)。

在城市公交客車上采用純電動技術(shù)的意義在行業(yè)內(nèi)已取得普遍共識，但在其產(chǎn)業(yè)化過程中，除了電池、電機(jī)等技術(shù)瓶頸外，其與普通內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動客車相比，電動公交客車的車身、底盤等機(jī)械構(gòu)件的設(shè)計與生產(chǎn)也存在著一系列的問題，電動公交客車在使用中存在續(xù)駛里程不足等諸多類因素都是限制電動客車廣泛采用的重要原因。其中電動汽車的續(xù)駛里程是指電動汽車上動力蓄電池以全充滿狀態(tài)開始到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)結(jié)束時所走過的里程，它是電動汽車重要的評價指標(biāo)。電動汽車?yán)m(xù)駛里程短，是造成電動汽車商業(yè)化發(fā)展的瓶頸，因此，在電池技術(shù)沒有實(shí)質(zhì)性突破的情況下，研究分析電動汽車?yán)m(xù)駛里程中的能量轉(zhuǎn)換及其影響因素，減少電動汽車運(yùn)行中的能量消耗，提高電動汽車的能量利用效率，對電動汽車的發(fā)展有著重要的意義。

針對以上問題，根據(jù)研究分析，提出了改善純電動公交客車行駛里程的解決方案——全鋁車身純電動公交客車。下面首先從能量平衡角度分析提出該建議的重要理論依據(jù)，再結(jié)合金旅公司產(chǎn)品做一些分析。

1 純電動客車行駛續(xù)駛里程中的能量計算模型

電動汽車在續(xù)駛里程中的的能量轉(zhuǎn)換主要是指能量源所輸出的能量轉(zhuǎn)換為電動汽車行駛時所消耗掉的能量，國內(nèi)外對電動汽車?yán)m(xù)駛里程中的能量計算提出過很多種方法，但都基于這種能量相等的原則來進(jìn)行理論分析的。

電動汽車電池攜帶的額定總能量為：

汽車功率平衡方程式為

式中，f為滾動阻力所消耗的功率；w為空氣阻力所消耗的功率；i為坡度阻力所消耗的功率；j為加速阻力所消耗的功率。

根據(jù)功率平衡公式，只有當(dāng)汽車在行駛中電池所能允許的放電深度內(nèi)所能釋放的能量大于公交車行駛中所需消耗的能量，即

當(dāng)電池規(guī)定的所能提供的能量（即電池放電深度）小于汽車行駛所需的能量時的行駛里程，也即為該電動車的續(xù)駛里程。

在電池所能提供的最大電能不能改變的情況下，我們只能從搭載電動系統(tǒng)的車輛上來找解決措施。根據(jù)對汽車功率平衡方程的分析，影響車輛行駛能耗主要有以下幾個因素：

（3）整車質(zhì)量，影響車輛的滾動阻力、坡度阻力及加速阻力。

以上3個因素當(dāng)中，前2個因素可以通過不斷研究和優(yōu)化設(shè)計去改進(jìn)，以降低車輛行駛時的風(fēng)阻系數(shù)和提高車輛傳動系的機(jī)械效率。但從功率平衡公式中共有4種阻力消耗功率，其中就有3個阻力受整車重量因素影響，因此通過改變整車重量去影響整車行駛時的阻力將是一個重要途徑和解決突破口之一。

2 整車整備質(zhì)量對純電動公交車?yán)m(xù)駛里程的影響

車輛整備質(zhì)量加上車輛的額定乘員的質(zhì)量總和為車輛滿載運(yùn)行時的車輛質(zhì)量，對功率平衡公式進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)車輛的質(zhì)量跟滾動阻力、坡度阻力成正比關(guān)系，與加速阻力也成一定比例關(guān)系，因此如果能降低公交客車的整車整備質(zhì)量，那么在額定乘員數(shù)相同的情況下，車輛行駛時的最大總質(zhì)量將相應(yīng)降低，根據(jù)前面的分析，車輛在行駛時各種阻力消耗的功率將會降低，對電動車來說單位續(xù)駛里程所需消耗的能量將降低。在電動系統(tǒng)所能提供總能量不變的情況下，車輛的總續(xù)駛里程將會提高，從而可以大大改善純電動公交客車的使用性能。

以安凱HFF6112GK50電動公交車為例，該車整車整備質(zhì)量12 485Kg，最大總質(zhì)量18 000 Kg，所使用的能量源是12 V (85Ah)水平鉛酸電池，用32塊電池串聯(lián)成一組，然后3組并聯(lián)，電池組額定電壓384 V，額定容量255 Ah，額定總能量 =384× 255=97.92 kW·h。

根據(jù)該車在上海的運(yùn)行情況進(jìn)行測算，該車的百公里平均耗能為118 kW左右，其續(xù)駛里程大約為158 km。根據(jù)該數(shù)據(jù)測算該電動公交客車的供電系統(tǒng)在整個續(xù)駛里程內(nèi)可提供電能為186.44 kW,單位質(zhì)量的功率消耗為：

186.44÷180=1.026×10-2kW/kg

換算成車輛行駛里程，整車總質(zhì)量每降低百公斤將增加行駛里程為：

1.026÷118=0.0087 km/kg

以上分析均是基于靜態(tài)分析的結(jié)果，如果考慮在動態(tài)運(yùn)行下的整車質(zhì)量對整車各種行駛阻力的影響，整車整備每降低百公斤其增加的續(xù)駛里程將會更大。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，從電動公交客車的輕量化入手，降低整車整備質(zhì)量從而降低車輛行駛時的最大總質(zhì)量，對提高電動公交客車的最大續(xù)駛里程具有重要的意義。

3 采用全鋁車身純電動公交客車?yán)m(xù)駛里程分析

在純電動公交客車上采用全鋁車身技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)就是通過在公交車采用輕質(zhì)材料以降低整車整備質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)提高純電動公交車?yán)m(xù)駛里程的目的。下面以金旅XML6115型公交車為例進(jìn)行分析說明：

金旅XML6115型普通公交客車最大總質(zhì)量17 000 kg，整車整備質(zhì)量11 500 kg，車身焊接總成重量3 500 kg，底架重量1 000 kg，車身部分2 500 kg。如果采用全鋁車身技術(shù)，整車整備質(zhì)量較采用鋼車身減輕分析如下：

全鋁車身車輛，由于考慮到鋁合金機(jī)械性能特點(diǎn)，其強(qiáng)度極限與鋼的強(qiáng)度極限有很大差距，一般為100MPa左右，而公交車的動力系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)一般產(chǎn)生的沖擊力很大，因此一般底架部分仍采用鋼結(jié)構(gòu)骨架，而只是在車身骨架、蒙皮等部分采用鋁合金。

鋁合金密度為2.7e3 kg/m3，鋼的密度為7.8e3 kg/ m3,根據(jù)對XML6115型普通公交客車車身材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計，車身骨架部分重量約2 000 kg,蒙皮重約500 kg。

（1）蒙皮改用鋁板減輕重量分析如下：鐵蒙皮厚度為1.2 mm鍍鋅鋼板，如采用鋁板一般為2 mm，因此減輕重量計算如下：

（2）整車車身骨架部分，可做如下估算：

考慮到車身骨架如采用鋼與采用鋁合金管材的厚度一般會有一些差別，鋼一般厚度取1.5～3mm厚度，根據(jù)現(xiàn)有其它公司產(chǎn)品情況，一般取2～6 mm厚度不等。綜合考慮，采用兩種材料后整車骨架結(jié)構(gòu)重量比將接近1:2，因此車身骨架部分重量將會減輕：

2 000×0.5=1 000 kg

（3）其它附件采用鋁合金材料，引起的質(zhì)量減輕。整車6個車輪采用鋁合金車輪，根據(jù)行業(yè)公布數(shù)據(jù)，22.5X8.25車輪如果采用鐵制重量50 kg左右，如果采用鋁合金其重量將會是23.6 kg,因此6個車輪將減重138.4 kg.

綜合以上兩個部分，如果將XML6115公交車換成鋁合金車身，整車整備質(zhì)量將減少：

1 000 kg+211 kg+138.4 kg=1 349.4 kg

（宇通ZK6126HGE全鋁車身，根據(jù)其公布的參數(shù)，其采用全鋁車身后，車身部分減重比例46%，約減重1 460 kg左右，按該車情況，我們針對我公司XML6115采用全鋁車身的減重估算是合理的。）

與該車整車整備質(zhì)量相比，下降：

1 349.4 kg/11 500 kg=0.1299=12.99%

相對整車總質(zhì)量下降：

1 349.4 kg/17 000 kg=0.794=7.94%

根據(jù)前面分析，純電動公交客車整車整備質(zhì)量每下降100 kg，可延長續(xù)駛里程0.87 km，因此XML6115公交車在其它不變的情況下如采用鋼車身和與采用鋁合金車身，其續(xù)駛里程將延長：

0.87 ×（1 349.4/100）=11.74 km

考慮到我公司XML6115公交車與安凱HFF6112GK50電動公交車屬于同一長度公交車系列，因此如果我公司選取XML6115公交車作為純電動公交車，采用鋼骨架車身，電路系統(tǒng)選取一樣系統(tǒng)，其續(xù)駛里程將會與HFF6112GK50電動公交車應(yīng)該基本相同(該車整備質(zhì)量比安凱HFF6112GK50實(shí)際質(zhì)量還要輕，根據(jù)檢測線統(tǒng)計XML6115公交車整備質(zhì)量基本上都在11 000kg左右)，即應(yīng)該也能達(dá)到158 km。在此基礎(chǔ)上如果采用全鋁車身，續(xù)駛里程按上面的推算將增加11.74 km達(dá)到170 km左右。

如果考慮到我司XML6115公交車比HFF6112GK50實(shí)際質(zhì)量還要輕因素，續(xù)駛里程還要相應(yīng)延長3～5 km，將會達(dá)到175 km左右。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析，純電動公交客車將會在未來的公交車市場具有光明的發(fā)展前景，特別是在目前城市污染十分嚴(yán)重的背景下，發(fā)展環(huán)保汽車特別是環(huán)保型城市公交車已迫在眉睫，各大城市都在尋找可替代目前污染嚴(yán)重的純?nèi)加万?qū)動的傳統(tǒng)公交客車，純電動客車是所有尋求的工具中最環(huán)保的交通工具。

由于受到車載電動系統(tǒng)自身缺陷限制（如充電速度、儲能問題等）大大限制了純電動車的發(fā)展前景，為合理解決和規(guī)避純電動公交客車的續(xù)駛里程問題，將全鋁車身技術(shù)與純電動公交客車相結(jié)合是解決純電動公交車?yán)m(xù)駛里程的一種很好的解決方案，可延長8%～10%，因此具有重要的實(shí)際意義和廣闊的市場及技術(shù)前景。

[1] 姬芬竹,高峰,周榮.電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和續(xù)駛里程研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,25(3).

[2] 徐貴寶,王震坡,張承寧.電動汽車?yán)m(xù)駛里程能量計算和影響因素分析[J].車輛與動力技術(shù),2005(2).

[3] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

Application Research of Aluminum Body for Pure Electric City Bus

Yao Cheng

(Xiamen Golden Dragon Van. Co.,Ltd, Xiamen 361022 China)

Pure electric city bus is seen as a zero-pollution city public transportation tool for its non-emission character. In recent years, researches into pure electric city buses have been conducted under the support of the national policies and the funding of some enterprises. However, the charging and driving range problem of pure electric city bus remains a major obstacle for its popularization and extension. The potential ofweightlightening in the adoption of aluminum as pure electric city bus body is evaluated. The effects of complete vehicle kern mass of pure electric city bus on its driving range are analyzed. Xiamen King Long pure electric city bus’s adoption of aluminum as its body is taken as an example to determine the potential of its driving range. The numerical simulation and experimental results indicate that adopting aluminum body is one of the effective solutions to improving the driving range of pure electric city buses.

pure electric city bus; aluminum body; driving range