新型純電動(dòng)城市客車搶修車的設(shè)計(jì)

方金順

FANG Jin-shun

龍巖暢豐專用汽車有限公司 福建龍巖 364000

1 前言

純電動(dòng)城市客車作為公共交通被優(yōu)先發(fā)展［1］，換電模式的純電動(dòng)城市客車尤其受到運(yùn)營企業(yè)的認(rèn)可。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2012年12月，在低碳試點(diǎn)城市中，青島運(yùn)營電動(dòng)城市客車超過220臺(tái)，重慶、天津均有30臺(tái)以上電動(dòng)城市客車投入運(yùn)營。為滿足行駛過程換電模式純電動(dòng)城市客車故障動(dòng)力電池應(yīng)急更換的要求，設(shè)計(jì)該款搶修車，如圖1所示。

2 功能要求

根據(jù)純電動(dòng)城市客車的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)其應(yīng)急搶修車輛時(shí)，除了應(yīng)具有良好的機(jī)動(dòng)性外，還應(yīng)充分考慮裝載質(zhì)量、應(yīng)急維護(hù)裝置、換電裝置等設(shè)置。

該搶修車輛裝載質(zhì)量大于3000 kg，共搭載了9個(gè)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組，其中5個(gè)300 Ah標(biāo)稱電壓76.8 V動(dòng)力電池組（以下簡(jiǎn)稱A型電池組）、4個(gè)300 Ah標(biāo)稱電壓38.4 V的動(dòng)力電池組（以下簡(jiǎn)稱B型電池組），可利用自帶設(shè)備滿足應(yīng)急搶修，實(shí)現(xiàn)城市客車故障電池應(yīng)急更換。

3 布局與設(shè)計(jì)

3.1 總體布局

按照純電動(dòng)城市客車運(yùn)營公司提出的搶修車輛的使用要求，首先確立搶修車的特性，整車長(zhǎng)度不超過6.5 m，駕駛室準(zhǔn)乘人數(shù)為3人。該車由某型二類汽車底盤、車廂、接駁小車、配電照明系統(tǒng)、提升裝置等組成，為保證電池安全將車廂分為電池區(qū)和工具區(qū)兩部分，整車布局如圖2所示。

3.2 車輛設(shè)計(jì)

3.2.1 故障電池更換接駁方案

FDG6123E型城市客車裝有5個(gè)A型動(dòng)力電池組、4個(gè)B型動(dòng)力電池組，布置在城市客車側(cè)圍裙部，如圖3所示，電池固定在整體外滑移式電池托架上。A型動(dòng)力電池組的尺寸：長(zhǎng)為891 mm，寬為828 mm，高為365 mm，質(zhì)量為285 kg；B型動(dòng)力電池組的尺寸：長(zhǎng)為891 mm，寬為579 mm，高為365 mm，質(zhì)量為150 kg。搶修車設(shè)計(jì)有10個(gè)電池托架，其中固定9個(gè)待換電池，保留一個(gè)空位電池托架。故障動(dòng)力電池由接駁小車從城市客車接駁到搶修車空位電池托架，再由接駁小車將搶修車上待換電池接駁回城市客車，實(shí)現(xiàn)人工借助接駁小車更換故障動(dòng)力電池。

3.2.2 接駁小車

接駁小車由定制的手動(dòng)液壓堆高車、電池托架等組合而成，如圖4所示。城市客車側(cè)圍下端電池離地高400 mm，搶修車待換電池最大離地高為1480 mm，接駁小車電池承載面最小高度200 mm +43 mm（電池托架高）＜400 mm，最大高度為1500 mm +43 mm＞1480 mm。手動(dòng)液壓堆高車B點(diǎn)與電池長(zhǎng)度中心線重合，允許承載總質(zhì)量320 kg ＞（285 +20） kg （A型動(dòng)力電池組質(zhì)量+電池托架質(zhì)量）。

3.2.3 提升裝置

提升裝置作為吊具，由某型直流電源卷揚(yáng)機(jī)（提升速度為1.6 m/min）、結(jié)構(gòu)桁架、轉(zhuǎn)軸及托板組成，采用單懸臂結(jié)構(gòu)形式，可將接駁小車掛在卷揚(yáng)機(jī)繩鉤上實(shí)現(xiàn)提升上車和下車作業(yè)，如圖5所示。

提升裝置上下托板各由M18螺栓連接在車廂立柱上，考慮接駁小車的質(zhì)量為106 kg及人員安全要求，需對(duì)螺栓連接點(diǎn)進(jìn)行受力計(jì)算校核，如圖6所示，F(xiàn)1處為所受拉力，F(xiàn)2為所受剪切力和支撐力，計(jì)算F1處螺栓承受的抗拉強(qiáng)度[2]。

受力計(jì)算：

式中，α為結(jié)構(gòu)桁架夾角，α=20.8°；M1為提升裝置質(zhì)量，M1=11 kg；M2為接駁小車質(zhì)量+直流電源卷揚(yáng)機(jī)質(zhì)量，M2=132 kg；σr=12.7 MPa≤σb=800 MPa；d1為螺栓外螺紋小徑；n為螺栓數(shù)量；σb為極限抗拉強(qiáng)度，σb=800 MPa［2］。

計(jì)算可得：σr= 12.7 MPa≤σb，可見提升裝置上托板螺栓承受抗拉強(qiáng)度σr= 2%σb，能夠滿足使用要求。

3.3 車廂布局

車廂整體參照UPS電源車車廂布局方式，采用方管桁架焊接結(jié)構(gòu)，前部電池區(qū)前壁板設(shè)有通風(fēng)百葉窗，底板設(shè)有軸流風(fēng)機(jī)。10個(gè)電池托架呈雙層內(nèi)部貫通布置方式，上層電池距車廂頂部1100 mm，電池與放置空間比例為1:2.3＞1:2（UPS電源車設(shè)計(jì)要求）。車廂固定的電池托架由電池總成供應(yīng)商專門設(shè)計(jì)（運(yùn)輸過程電池在電池托架上的固定和防護(hù)措施已驗(yàn)證）提供，單電池單托架，每個(gè)電池托架由4個(gè)M18螺栓與車廂方管桁架主梁連接。車廂布置5個(gè)側(cè)掀氣撐側(cè)面門，便于裝卸與更換。車廂后部對(duì)開式門為工具區(qū)，放置電池接駁小車、提升裝置及工具箱等，如圖7所示。

3.4 整車動(dòng)力性校核

整車技術(shù)參數(shù)及性能擬定指標(biāo)如下：總質(zhì)量≤8415 kg，外廓尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為5920 mm×2040 mm×2960 mm，符合GB 1589-2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的要求，最高車速為90 km/h。

發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pemax：

式中，ηT為 傳動(dòng)效率，ηT= 0.9；ma為 總質(zhì)量，ma=8415 kg；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；fr為滾動(dòng)阻力系數(shù)，fr=0.02；Vramax為最高車速，Vamax=90km/h；A為迎風(fēng)面積(前輪距×總高)，A=4.99 m2；CD為 空氣阻力系數(shù)，CD=0.8。

計(jì)算得到Pemax=88.28 kW，選用的二類底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率為105 kW＞88.28 kW，可見底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率滿足動(dòng)力性要求。

4 搶修車功能裝置的試制試驗(yàn)

基于上述布局與設(shè)計(jì)方案，筆者試制了搶修車，并通過故障電池更換接駁設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行完善。

4.1 接駁小車電池托架電池滑移消除

接駁小車承載電池往返于搶修車和城市客車之間時(shí)，盡管將接駁小車電池托架承載面降低到最小高度，但是當(dāng)其行進(jìn)在路面起伏或有斜坡的區(qū)域時(shí)，電池仍然會(huì)出現(xiàn)滑移出電池托架的情況，如圖8所示。為解決此問題，考慮在電池托架前立柱加裝下擺式扣件，如圖9所示，以消除滑移。

4.2 提升裝置卷揚(yáng)機(jī)控制

提升接駁小車作業(yè)時(shí)，提升裝置需擺動(dòng)懸臂、控制卷揚(yáng)機(jī)纜繩收放等動(dòng)作，采用遠(yuǎn)距軟線操作控制器取代固定式雙向自復(fù)位旋鈕，作業(yè)人員方便校正接駁小車提升方向及控制晃動(dòng)。提升裝置改進(jìn)前后如圖10、11所示。

4.3 功能驗(yàn)證

應(yīng)用該搶修車可實(shí)現(xiàn)行駛途中的城市客車故障電池應(yīng)急更換，更換一次城市客車全車故障電池所需時(shí)間約為23 min。該搶修車現(xiàn)已交付城市客車商業(yè)化運(yùn)營單位使用。

5 結(jié)語

為保證純電動(dòng)城市客車的安全、方便的運(yùn)營，其后勤保障十分必要。這款搶修車能夠滿足日常維護(hù)和緊急維修的需要。其故障電池更換接駁方案、接駁小車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)研究在實(shí)際中得到用戶的肯定。

[1] 劉振亞.中國電力和能源[M].北京:中國電力出版社,2012.

[2] 曾攀.有限元方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.