某6.6 m纯电动客车轻量化设计

唐锐东，胡霞东，吴　东，周为余

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

某6.6 m纯电动客车轻量化设计

唐锐东，胡霞东，吴东，周为余

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

以一款6.6m纯电动城市客车为例，通过结构优化设计、新材料应用以及电池换型等方法，对纯电动客车进行轻量化设计，并利用有限元技术对轻量化后的整车骨架进行强度分析。

纯电动客车；轻量化设计；有限元分析；整备质量；续驶里程

续驶里程是评判纯电动客车产品性能好坏的一项非常重要的参数。而整备质量对客车动力性和能耗的影响，又直接表现到续驶里程上。对于纯电动客车，由于装载电池重量大，影响了有效载客量，且要求有足够的续驶里程，所以进行整车轻量化设计有着重要意义。

1　研究对象及背景介绍

本文研究对象为一款6.6m纯电动城市客车产品，主要服务于社区与地铁站之间的短途“微循环”路线。该车型考虑整车成本及工艺问题，设计采用半承载式车身结构，相比全承载式车身结构整备质量偏高，所以首辆样车在能耗和续驶里程方面的表现并不太理想。为了排除电池电量差异对续驶里程的影响，根据公式C=E/D（C:能量消耗率；E：能量；D：续驶里程）［1］，将电量与续驶里程转换成能量消耗率来进行比较。样车与对标车型主要参数及试验数据对比见表1。

从表1中可以看出，本文研究对象（首辆样车）的续驶里程和电量与对标车型的差异是不成比例的，也就直接反映出样车的能量消耗率比对标车型要高出很多，很显然造成这种差距的主要原因就是两者的整备质量的差异。因此，针对研究对象进行轻量化设计是十分必要的。

表1　首辆样车与对标车型参数及试验数据对比

2　轻量化设计的主要措施及效果

2.1结构优化设计

结构优化设计，一般借助于有限元分析技术，通过结构的拓扑、形貌和形状等优化设计来实现轻量化［2］。当然，对于结构相对简单的客车来说，通过简单的形貌和尺寸对比，便可以做出初步且有效的简化设计。

对于6m区间的纯电动客车，一般来说，动力电池系统都布置在前后轴之间，其电池框架及相关联的骨架结构占据着整车骨架较大的比重，而半承载式客车“复式”结构的电池框架更是让这个比重增加到近10%。所谓“复式”结构的电池框架，即因为半承载的“扣装”制造模式［3］，电池框架设计固定在底盘车架大梁上，在车身与底盘扣合后，再与车身骨架连接的这种双层复合结构，如图1（a）所示。这种“复式”结构的电池框架固然有较好的强度，能够承受较大电池的载荷，但是在匹配较小电量的动力电池时，显然只会因为自重较大而“拖累”了整车的续驶里程。构强度满足使用要求。

通过在UG软件上建立的轻量化样车三维骨架模型，建立有限元模型，如图2所示。其中地板质量和站立乘客以均布力的方式施加载荷，其它部件则以质点的方式进行加载。另外，仿真模型还略去了蒙皮及某些非承载构件的作用［6］，以简化前处理过程。

借鉴全承载式车身结构的设计思路，在第二辆轻量化样车上，将电池框架直接设计到车身骨架上，让其与地板骨架、侧围骨架融合为一体，形成一个封闭的框架结构，如图1（b）所示。这种结构既保证了安装电池应有的强度，相比首辆样车那种传统“复式”结构又精简了很多冗余的骨架，总计减重约138 kg。

2.2新材料应用

在纯电动客车领域，新材料的应用可以有效帮助实现整车轻量化设计的目标。一般把这种新材料分为两类：一类是低密度的轻质材料，如铝合金、塑料和复合材料等，主要应用于客车内饰、地板和座椅等部件；另一类是高强度材料，如高强度钢等［4］，主要应用于客车骨架及车身覆盖件。结合骨架结构优化设计的思路，将第二辆轻量化样车的主要受力骨架由首辆样车的Q235钢全部替换为Q345（16Mn）锰钢，同时相应减小矩形钢管的尺寸或壁厚，从而实现整车减重约60 kg；采用PVC地板替代传统竹胶地板，每平方米可实现减重约3 kg，整车减重约40 kg；还有采用ABS复合板替代传统的高密度板，采用PVC塑料压条替代部分铝合金压条等，这些材料的使用，实现整车减重150 kg的轻量化目标。

为了追求更大程度的轻量化效果，目前在航空航天、船舶、风力发电等领域应用较为广泛的结构泡沫材料［5］，现已在国外的一些商用车甚至客车上使用。从使用情况来看，它的高强度、低密度的特性和优秀的隔音隔热效果，给汽车产品在动力性、舒适性以及经济性方面带来巨大的提升。相信随着轻量化设计要求的不断提高，在未来国内客车行业，这一新型材料必将逐渐被广泛应用。

2.3有限元技术的应用

采用结构优化设计和新材料应用等轻量化措施后，需要用有限元技术对轻量化设计后的客车在不同工况下的骨架变形和应力情况进行模拟分析，以保证客车结

根据有限元模型，模拟客车在弯曲、弯扭、紧急制动和紧急转向等四种工况下的最大位移和应力，见表2。

表2　各工况最大位移及应力值

模拟计算结果显示，大部分车身应力不超过100 MPa，说明通过轻量化设计后的车身骨架具有足够的强度和刚度。对于局部应力较大的地方，如底盘后桥上方与车身地板连接处，增加了连接板进行加强，并重新进行仿真分析和验证。实际上，本模型略去了蒙皮和一些非承载部件的影响，计算出的骨架强度和刚度比实际的偏低，所以总体来说，经过轻量化设计后的车身仍具备较高的安全系数。

2.4电池的轻量化设计

目前客车行业使用最多的动力电池还是以磷酸铁锂电池为主［7］，虽然它的热稳定性使其具有较高的安全性能，但相对较低的能量密度（100～110Wh/kg）也使得客车在轻量化设计和提升续驶里程方面遇到了障碍。而三元锂电池相比磷酸铁锂电池在储能上有较大的优势［8］，其能量密度可达到200Wh/kg，所以可以有效降低车重，实现续驶里程的提升。

在轻量化样车上，选用两组总电量41.6 kW·h的三元锂电池，与首辆样车相比电量基本相同，但重量轻了

约110 kg。

2.5轻量化成果

通过以上轻量化措施后，样车共实现减重504 kg。根据GB/T 18385-2005规定的试验条件，在道路上进行60 km/h的等速试验，再次测量其续驶里程［9］，由先前的121 km提升到153 km，提升了约26%，能量消耗率由先前的342.1Wh/km降低为271.9Wh/km，还优于对标车型。

3　结束语

此次轻量化设计，主要运用新型材料应用及结构优化设计和电池换型的方法进行，同时还利用了有限元分析技术对车身强度和刚度进行分析，这也是目前行业内比较成熟的轻量化设计思路。而随着蓄电池技术的不断提高，以及各种新型材料的应用，相信未来纯电动客车轻量化设计工作将会取得更大的进步。

［1］全国汽车标准化技术委员会.电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法：GB/T 18386-2005［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［2］董全省.纯电动汽车车身轻量化的设计与研究［D］.武汉：武汉理工大学，2013.

［3］侯晨磊.半承载式车身客车制造工艺的研究与创新［J］.机电技术，2013（1）:65-66.

［4］王广勇，王刚.高强度钢在汽车轻量化中的应用［J］.汽车工艺与材料，2011（1）:1-5.

［5］宋家楠.结构泡沫材料的工业应用及发展［J］.科学与财富，2012（5）:238.

［6］代红军，林程.电动客车车身有限元分析及其轻量化设计［J］.客车技术与研究，2005，27（3）:10-12.

［7］王波，范宗武，林伟.电动客车轻量化探讨［J］.客车技术与研究，2012，34（2）:17-18.

［8］崔妍，江卫军，张溪，等.三元锂电池将成为后起之秀［J］.中国金融通报，2013（28）:30-31.

［9］全国汽车标准化技术委员会.电动汽车动力性能试验方法：GB/T 18385-2005［S］.北京：中国标准出版社，2005.

修改稿日期：2016-02-05

Lightweight Design for a 6.6m Pure Electric Bus

Tang Ruidong，Hu Xiadong，Wu Dong，ZhouWeiyu
（Anhui AnKai Automobile Co.，Ltd，Hefei230051，China）

With a 6.6 meters long pure electric bus as a case，the authors optimally design the pure electric bus through structural optimal design，application of new materials and changing battery type，and analyze the strength of the lightweight vehicle framework by using the finite element technique.

pure electric bus；lightweight design；finite element analysis；curb weight；driving range

U469.72

B

1006-3331（2016）03-0016-02

唐锐东（1986-），男，助理工程师；研究方向：车身总布置设计。