電動客車輕量化探討

王 波，范宗武，林 偉

（山東沂星電動汽車有限公司，山東 臨沂 276017）

在燃油日益枯竭的今天，節能越來越受到世人的關注，我國也出臺了各種各樣的政策來鼓勵電動客車的發展。但由于電池的比能量一般為7.2×105J/kg，而柴油的熱值為3.3×107J/kg，因此電動客車電池自身質量較大（以12 m電動客車為例，電池質量為2.5～3 t），整備質量較同類型的傳統客車重3 t左右，導致載質量相應減少3 t。據統計，汽車質量每增加1%，能耗將增加0.7%[1]。因此，質量問題成了制約電動客車發展的瓶頸之一，各大客車廠都在探索和尋求電動客車輕量化的方法，但收效甚微[2]。本文以12 m純電動城市客車為例，列舉多種客車輕量化方法，整備質量可由傳統城市客車的15 t降低到現在的12 t。

1 整車輕量化設計

1.1 底盤輕量化設計

傳統客車底盤為大梁式三類底盤，12 m的底盤重量一般在6 t左右。電動客車輕量化的底盤采用全承載設計，用16 Mn矩形鋼管設計成桁架結構[3]，如圖1所示，其重量比傳統三類底盤輕1 t左右。自制底盤車架比外購三類底盤車架成本要低8000元左右。

1.2 車身骨架輕量化

傳統客車的車身骨架一般為鋼骨架，即使進行優化設計，質量減輕也非常有限（一般為300～500 kg），而且鋼材易生銹，回收利用價值不高。電動客車車身骨架輕量化方法是兩側圍、頂蓋、前后圍骨架全部采用鋁合金，部分外覆蓋件也采用鋁合金。鋁合金作為新型材料，在國內客車領域大規模應用仍屬空白[4]。經過潛心研究，將鋁合金大規模應用到大客車車身上，實現了質的突破。鋁合金具有傳統車用材料不可比擬的優點，具有良好的機械性能、耐腐蝕性，導熱性好，還具有高強度、易回收、吸能性好的特點，鋁在碰撞過程中比鋼多吸收50%的能量[5]。鋼的比重為7.85 g/cm3，而鋁的比重只有2.7 g/cm3，使用鋁合金能大幅度降低車身骨架質量。鎂鋁合金雖然是當前重量最輕的金屬結構材料，但其鑄造性差，后處理工藝復雜，耐腐蝕性也差，在空氣中極易氧化生成疏松多孔氧化膜，且價格比較昂貴，目前還難以在客車骨架上推廣應用。客車的輕量化技術必須是兼顧質量-性能-價格的技術[6-7]。以上三種材料的重量與成本比較見表1。

可以看出，鋁合金不但能大幅度降低車身骨架質量，而且成本相對較低。我國的鋁資源豐富,鋁年產量已達1260萬t，連續5年居世界榜首[8]，因此，鋁合金材料的大量使用是電動汽車發展的趨勢之一。兩側圍、頂蓋與前后圍鋁合金骨架采用鉚接技術合成的整車骨架如圖2所示。

1.3 車身外覆蓋件輕量化

車身外覆蓋件即前后圍蒙皮、頂蓋蒙皮和兩側圍蒙皮。用作車身外覆蓋件的材料很多，目前主要有鋼板、鋁板、玻璃鋼、DCPD（聚雙環戊二烯）、碳纖維復合材料等。傳統客車一般采用薄鋼板作為外蒙皮，無論怎樣優化設計，質量都難以減輕。碳纖維復合材料雖然強度高、耐熱性好、耐腐蝕，但其價格昂貴，難以在客車上推廣應用。DCPD雖然抗沖擊性和絕緣性好，重量輕，但價格比玻璃鋼要貴4倍，也不易在客車上推廣使用。采用鋁板作為電動客車車身的兩側圍蒙皮及頂蓋蒙皮，用玻璃鋼作為前后圍蒙皮，重量比用鋼板輕114 kg，而且玻璃鋼的拉伸強度和比強度都比鋼的還大（鋼的拉伸強度是1.03 GPa,玻璃鋼的拉伸強度是1.06 GPa；鋼的比強度是130,玻璃鋼的比強度是530）[9]。鋁、玻璃鋼比重介于鋼和碳纖維之間，且價格適中。以12 m車身覆蓋件為例，使用不同材料，其質量與成本比較見表2。

表2 不同材料的車身覆蓋件質量與成本比較

綜合以上分析可知，采用鋁板和玻璃鋼作為車身外覆蓋件，其質量和價格均介于鋼板和碳纖維之間，質量可減輕，價格也適中。

1.4 零部件輕量化

電動客車在零部件方面也采取了減重措施，如將鋼質輪輞改為鋁合金輪輞,質量可減輕115 kg；將驅動電機、控制器、DC-DC等外殼由鋼殼改為鋁合金殼，質量可減輕95 kg；車內扶手由鋼管改為鋁合金管，質量可減輕75 kg；重新選配轉向助力泵和空壓機，質量可減輕55 kg。

1.5 電池輕量化

造成電動客車質量高于傳統客車的最主要因素就是因為動力電池的比能量比液體燃料的比能量低得多，而動力電池之間的比能量又千差萬別：鉛酸電池的比能量是30 W·h/kg,鎳鎘電池的比能量是55 W·h/kg,鎳氫電池的比能量是80 W·h/kg，磷酸鐵鋰電池的比能量是90～120 W·h/kg，因此，我們選磷酸鐵鋰電池作為動力電池，其質量要比其他電池小得多。如果用鉛酸電池，其質量約4 t，而用磷酸鐵鋰電池，其質量約為2.5 t。

2 結束語

通過以上輕量化措施，底盤可減重1 t，車身骨架可減重1.5 t，車身外覆蓋件可減重114 kg，系統零部件可減重340 kg，總計整車整備質量可減重3 t左右,實現了節能減排、低碳環保的目的。在底盤、鋁合金骨架、外覆蓋件材料成本方面由原來的31241元升高為33541元，成本僅增加2300元。因此，在電動客車上，大量使用鋁合金來實現輕量化不失為一種行之有效的手段,也是必然趨勢。

[1]敖炳秋.輕量化汽車材料技術的最新動態[J].汽車工藝與材料，2002，（S0）：8-9.

[2]倪晉尚.輕量化技術在現代汽車中的應用[J].公路與汽運，2008，（5）

[3]羅朝暉，李紀雄.混合動力旅游客車整車輕量化設計[J].客車技術與研究，2011，33（2）：29-32.

[4]莫海鷹.客車輕量化設計技術探討[J].城市車輛，2009，（10）

[5]龍江啟，蘭鳳崇，陳吉清.車身輕量化與鋼鋁一體化結構新技術的研究發展[J].機械工程學報，2008，（6）

[6]燕戰秋，華潤蘭.論汽車輕量化[J].汽車工程，1994，(6)

[7]李洪波，周維林.重型汽車車架輕量化設計[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2010，（12）：110-113.

[8]李建湘，劉靜安，楊志兵.鋁合金特種管、型材生產技術[M].北京：冶金工業出版社，2008.8.

[9]梁基照.聚合物基復合材料設計與加工[M].北京：機械工業出版社，2011.4.