新型纯电动城市客车抢修车的设计

方金顺

FANG Jin-shun

龙岩畅丰专用汽车有限公司 福建龙岩 364000

1 前言

纯电动城市客车作为公共交通被优先发展［1］，换电模式的纯电动城市客车尤其受到运营企业的认可。据不完全统计，截止到2012年12月，在低碳试点城市中，青岛运营电动城市客车超过220台，重庆、天津均有30台以上电动城市客车投入运营。为满足行驶过程换电模式纯电动城市客车故障动力电池应急更换的要求，设计该款抢修车，如图1所示。

2 功能要求

根据纯电动城市客车的运行特点，设计其应急抢修车辆时，除了应具有良好的机动性外，还应充分考虑装载质量、应急维护装置、换电装置等设置。

该抢修车辆装载质量大于3000 kg，共搭载了9个磷酸铁锂动力电池组，其中5个300 Ah标称电压76.8 V动力电池组（以下简称A型电池组）、4个300 Ah标称电压38.4 V的动力电池组（以下简称B型电池组），可利用自带设备满足应急抢修，实现城市客车故障电池应急更换。

3 布局与设计

3.1 总体布局

按照纯电动城市客车运营公司提出的抢修车辆的使用要求，首先确立抢修车的特性，整车长度不超过6.5 m，驾驶室准乘人数为3人。该车由某型二类汽车底盘、车厢、接驳小车、配电照明系统、提升装置等组成，为保证电池安全将车厢分为电池区和工具区两部分，整车布局如图2所示。

3.2 车辆设计

3.2.1 故障电池更换接驳方案

FDG6123E型城市客车装有5个A型动力电池组、4个B型动力电池组，布置在城市客车侧围裙部，如图3所示，电池固定在整体外滑移式电池托架上。A型动力电池组的尺寸：长为891 mm，宽为828 mm，高为365 mm，质量为285 kg；B型动力电池组的尺寸：长为891 mm，宽为579 mm，高为365 mm，质量为150 kg。抢修车设计有10个电池托架，其中固定9个待换电池，保留一个空位电池托架。故障动力电池由接驳小车从城市客车接驳到抢修车空位电池托架，再由接驳小车将抢修车上待换电池接驳回城市客车，实现人工借助接驳小车更换故障动力电池。

3.2.2 接驳小车

接驳小车由定制的手动液压堆高车、电池托架等组合而成，如图4所示。城市客车侧围下端电池离地高400 mm，抢修车待换电池最大离地高为1480 mm，接驳小车电池承载面最小高度200 mm +43 mm（电池托架高）＜400 mm，最大高度为1500 mm +43 mm＞1480 mm。手动液压堆高车B点与电池长度中心线重合，允许承载总质量320 kg ＞（285 +20） kg （A型动力电池组质量+电池托架质量）。

3.2.3 提升装置

提升装置作为吊具，由某型直流电源卷扬机（提升速度为1.6 m/min）、结构桁架、转轴及托板组成，采用单悬臂结构形式，可将接驳小车挂在卷扬机绳钩上实现提升上车和下车作业，如图5所示。

提升装置上下托板各由M18螺栓连接在车厢立柱上，考虑接驳小车的质量为106 kg及人员安全要求，需对螺栓连接点进行受力计算校核，如图6所示，F1处为所受拉力，F2为所受剪切力和支撑力，计算F1处螺栓承受的抗拉强度[2]。

受力计算：

式中，α为结构桁架夹角，α=20.8°；M1为提升装置质量，M1=11 kg；M2为接驳小车质量+直流电源卷扬机质量，M2=132 kg；σr=12.7 MPa≤σb=800 MPa；d1为螺栓外螺纹小径；n为螺栓数量；σb为极限抗拉强度，σb=800 MPa［2］。

计算可得：σr= 12.7 MPa≤σb，可见提升装置上托板螺栓承受抗拉强度σr= 2%σb，能够满足使用要求。

3.3 车厢布局

车厢整体参照UPS电源车车厢布局方式，采用方管桁架焊接结构，前部电池区前壁板设有通风百叶窗，底板设有轴流风机。10个电池托架呈双层内部贯通布置方式，上层电池距车厢顶部1100 mm，电池与放置空间比例为1:2.3＞1:2（UPS电源车设计要求）。车厢固定的电池托架由电池总成供应商专门设计（运输过程电池在电池托架上的固定和防护措施已验证）提供，单电池单托架，每个电池托架由4个M18螺栓与车厢方管桁架主梁连接。车厢布置5个侧掀气撑侧面门，便于装卸与更换。车厢后部对开式门为工具区，放置电池接驳小车、提升装置及工具箱等，如图7所示。

3.4 整车动力性校核

整车技术参数及性能拟定指标如下：总质量≤8415 kg，外廓尺寸（长×宽×高）为5920 mm×2040 mm×2960 mm，符合GB 1589-2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》的要求，最高车速为90 km/h。

发动机最大功率Pemax：

式中，ηT为 传动效率，ηT= 0.9；ma为 总质量，ma=8415 kg；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；fr为滚动阻力系数，fr=0.02；Vramax为最高车速，Vamax=90km/h；A为迎风面积(前轮距×总高)，A=4.99 m2；CD为 空气阻力系数，CD=0.8。

计算得到Pemax=88.28 kW，选用的二类底盘发动机功率为105 kW＞88.28 kW，可见底盘发动机功率满足动力性要求。

4 抢修车功能装置的试制试验

基于上述布局与设计方案，笔者试制了抢修车，并通过故障电池更换接驳设计对其进行完善。

4.1 接驳小车电池托架电池滑移消除

接驳小车承载电池往返于抢修车和城市客车之间时，尽管将接驳小车电池托架承载面降低到最小高度，但是当其行进在路面起伏或有斜坡的区域时，电池仍然会出现滑移出电池托架的情况，如图8所示。为解决此问题，考虑在电池托架前立柱加装下摆式扣件，如图9所示，以消除滑移。

4.2 提升装置卷扬机控制

提升接驳小车作业时，提升装置需摆动悬臂、控制卷扬机缆绳收放等动作，采用远距软线操作控制器取代固定式双向自复位旋钮，作业人员方便校正接驳小车提升方向及控制晃动。提升装置改进前后如图10、11所示。

4.3 功能验证

应用该抢修车可实现行驶途中的城市客车故障电池应急更换，更换一次城市客车全车故障电池所需时间约为23 min。该抢修车现已交付城市客车商业化运营单位使用。

5 结语

为保证纯电动城市客车的安全、方便的运营，其后勤保障十分必要。这款抢修车能够满足日常维护和紧急维修的需要。其故障电池更换接驳方案、接驳小车设计标准化系统研究在实际中得到用户的肯定。

[1] 刘振亚.中国电力和能源[M].北京:中国电力出版社,2012.

[2] 曾攀.有限元方法[M].北京:清华大学出版社,2008.