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］，換電模式的純電動城市客車尤其受到運營企業(yè)的認可。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2012年12月，在低碳試點城市中，青島運營電動城市客車超過220臺，重慶、天津均有30臺以上電動城市客車投入運營。為滿足行駛過程換電模式純電動城市客車故障動力電池應急更換的要求，設計該款搶修車，如圖1所示。

2 功能要求

根據(jù)純電動城市客車的運行特點，設計其應急搶修車輛時，除了應具有良好的機動性外，還應充分考慮裝載質量、應急維護裝置、換電裝置等設置。

該搶修車輛裝載質量大于3000 kg，共搭載了9個磷酸鐵鋰動力電池組，其中5個300 Ah標稱電壓76.8 V動力電池組（以下簡稱A型電池組）、4個300 Ah標稱電壓38.4 V的動力電池組（以下簡稱B型電池組），可利用自帶設備滿足應急搶修，實現(xiàn)城市客車故障電池應急更換。

3 布局與設計

3.1 總體布局

按照純電動城市客車運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，整車長度不超過6.5 m，駕駛室準乘人數(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 車輛設計

3.2.1 故障電池更換接駁方案

FDG6123E型城市客車裝有5個A型動力電池組、4個B型動力電池組，布置在城市客車側圍裙部，如圖3所示，電池固定在整體外滑移式電池托架上。A型動力電池組的尺寸：長為891 mm，寬為828 mm，高為365 mm，質量為285 kg；B型動力電池組的尺寸：長為891 mm，寬為579 mm，高為365 mm，質量為150 kg。搶修車設計有10個電池托架，其中固定9個待換電池，保留一個空位電池托架。故障動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，實現(xiàn)人工借助接駁小車更換故障動力電池。

3.2.2 接駁小車

接駁小車由定制的手動液壓堆高車、電池托架等組合而成，如圖4所示。城市客車側圍下端電池離地高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。手動液壓堆高車B點與電池長度中心線重合，允許承載總質量320 kg ＞（285 +20） kg （A型動力電池組質量+電池托架質量）。

3.2.3 提升裝置

提升裝置作為吊具，由某型直流電源卷揚機（提升速度為1.6 m/min）、結構桁架、轉軸及托板組成，采用單懸臂結構形式，可將接駁小車掛在卷揚機繩鉤上實現(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，考慮接駁小車的質量為106 kg及人員安全要求，需對螺栓連接點進行受力計算校核，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，計算F1處螺栓承受的抗拉強度[2]。

受力計算：

式中，α為結構桁架夾角，α=20.8°；M1為提升裝置質量，M1=11 kg；M2為接駁小車質量+直流電源卷揚機質量，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為極限抗拉強度，σb=800 MPa［2］。

計算可得：σr= 12.7 MPa≤σb，可見提升裝置上托板螺栓承受抗拉強度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構，前部電池區(qū)前壁板設有通風百葉窗，底板設有軸流風機。10個電池托架呈雙層內(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電源車設計要求）。車廂固定的電池托架由電池總成供應商專門設計（運輸過程電池在電池托架上的固定和防護措施已驗證）提供，單電池單托架，每個電池托架由4個M18螺栓與車廂方管桁架主梁連接。車廂布置5個側掀氣撐側面門，便于裝卸與更換。車廂后部對開式門為工具區(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 整車動力性校核

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

發(fā)動機最大功率Pemax：

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

計算得到Pemax=88.28 kW，選用的二類底盤發(fā)動機功率為105 kW＞88.28 kW，可見底盤發(fā)動機功率滿足動力性要求。

4 搶修車功能裝置的試制試驗

基于上述布局與設計方案，筆者試制了搶修車，并通過故障電池更換接駁設計對其進行完善。

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，盡管將接駁小車電池托架承載面降低到最小高度，但是當其行進在路面起伏或有斜坡的區(qū)域時，電池仍然會出現(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 提升裝置卷揚機控制

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

4.3 功能驗證

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

5 結語

為保證純電動城市客車的安全、方便的運營，其后勤保障十分必要。這款搶修車能夠滿足日常維護和緊急維修的需要。其故障電池更換接駁方案、接駁小車設計標準化系統(tǒng)研究在實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:清華大學出版社,2008.