CN108674496A - 一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构及其分配方法和应用 - Google Patents

一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构及其分配方法和应用 Download PDF

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栾建泽
贺午阳
吴长风
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    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62DMOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D31/00Superstructures for passenger vehicles
    • B62D31/02Superstructures for passenger vehicles for carrying large numbers of passengers, e.g. omnibus
    • B62D31/025Superstructures for passenger vehicles for carrying large numbers of passengers, e.g. omnibus having modular sections

Abstract

本发明公开一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构,将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,在客车左侧围和右侧围分别在所述立方体区域设置6个对应尺寸的舱门。本发明还提供一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,只要客车前轴轴荷在客车满载重量中的占比为30%~40%即可满足装配要求,更具通用性。本发明所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法能够应用于纯电动车型、燃料电池车型或者增程式电动车型。

Description

一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构及其 分配方法和应用
技术领域
本发明涉及交通设施技术领域,更具体的是,本发明涉及一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构及其分配方法和应用。
背景技术
由于日趋严峻的能源及环境问题,电动汽车以其节能环保的特点受到广泛关注。而客车作为重要的公共交通工具,其电动化更是关注重点。
细分电动公路客车的具体类型,从动力形式上可以将电动客车分为纯电动、增程式电动、燃料电池客车三大类,每一大类中还分为不同配置的多种小类;从客车的长度上划分,可以分为微型、轻型、中型、大型、特大型客车。不同动力配置、不同长度车型均对应于不同的车身结构形式。对于电动公路客车而言,每种车型的产量相比传统燃油客车更低,因此产量与工装成本的矛盾在电动公路客车的生产中体现的更为明显,这也造成了企业所面临的严重生产困境。
在传统的客车结构设计中,也曾尝试采用模块化设计方案达到减少工装成本的目的,中国专利申请号201510698777.4公开了一种模块化客车车身,旨在解决车身重量大、零部件繁多、装配工序繁杂、规格既定,无法灵活转变的问题。但传统的模块化设计在客车产品设计中的应用主要集中于车身骨架结构的设计,即对车身骨架按照六大结构分总成进行模块划分,对于结构相对复杂的分总成模块再细分次级模块,对于可继承的结构模块沿用原有车型作为通用模块,对于不可继承的结构模块进行局部调整或重新设计形成专用模块。然而对于电动公路客车来说,传统的燃油公路客车车身结构已不能完全适用,而仅针对车身骨架进行结构模块设计的传统方法存在较大的局限性。这是因为传统公路客车的动力源采用的均为燃油发动机,动力形式单一且动力系统大质量部件的装配位置基本固定,不存在由于动力结构质量或装配位置改变而引起的明显的工作载荷转移,对车身骨架结构的承载性能(这里主要指整体强度)基本没有影响,因此车身骨架结构的可延续性很强。然而电动公路客车的动力系统组成发生了较大变化,可选动力形式更为丰富,柔性连接的动力单元在布置位置选择上也更为灵活,不同动力方案的选择会显著改变车身结构工作载荷的大小及加载位置,从而直接影响车身结构的整体强度水平,车身骨架结构需要进行大范围重新设计。
因此,若能在传统客车车身结构设计优势的基础上解决所存在的各种问题,电动公路客车车身结构设计将会有更大的发展空间。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构,将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,通用性强。
本发明的另一个目的是设计开发了一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,只要客车前轴轴荷在客车满载重量中的占比为30%~40%即可满足装配要求,更具通用性。
本发明所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法应用于纯电动车型、燃料电池车型或者增程式电动车型。
本发明提供的技术方案为:
一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构,将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,在客车左侧围和右侧围分别在所述立方体区域设置6个对应尺寸的舱门。
相应地,本发明还提供一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,包括如下步骤:
步骤1:将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域;
步骤2:根据客车的配置要求与行驶里程确定动力模块单元内动力电池的质量与体积,并将所述动力模块单元布置在所述6个立方体区域内,使得客车前轴轴荷在客车满载重量中的占比为30%~40%,并且满足如下条件:
Fz1+Fz2-m1·g=0
m1·g·L3-Fz2·L=0
其中,Fz1为客车前轴轴荷,Fz2为客车后轴轴荷,m1为客车满载质量,g为重力加速度,L为客车前后轴轴距,L3为客车质心距离前轴中心的水平距离。
优选的是,所述动力模块单元内动力电池的质量与体积的确定满足如下条件:
其中,smax表示客车目标续驶里程,vs代表客车每公里耗电量,mw为电池的质量比能量,Vw为电池的体积比能量,mn为第n个动力电池的质量,Vn为第n个动力电池的体积。
优选的是,每个所述立方体区域内的动力模块单元的总体积不大于其对应的立方体区域体积的三分之二。
优选的是,每个所述动力模块单元内的动力电池的总体积不大于所述动力模块单元体积的三分之二。
优选的是,所述立方体区域不装配所述动力模块单元时,所述立方体区域能够作为行李舱使用;
所述立方体区域装配所述动力模块单元时,所述立方体区域的剩余空间能够作为行李舱使用;以及
所述立方体区域能够装配多个动力模块单元的组合。
优选的是,在客车左侧围和右侧围分别在所述立方体区域设置6个对应尺寸的舱门。
相应地,上述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法应用于纯电动车型、燃料电池车型或者增程式电动车型。
本发明所述的有益效果为:
1、基于模块化动力单元设计思想,实现了不同动力模式的车型(纯电动车型、燃料电池车型、增程式电动车型)与多种长度车型中段的通用化。针对企业,减少了新车型设计开发过程的工作量及时间,实现了车身生产制造过程中的工装共享,在保证车身结构整体质量的同时节约了工装的开发成本。
2、针对用户,在行驶里程需求发生变化时,可以灵活增减动力模块的装配数量或改变模块之间的组合方式来适应变化的行驶需求,提高了客车的利用率。
3、模块之间的灵活组合特性也使得客车模块空间可以充分利用。车身结构中动力单元模块可以根据占用空间的大小进行灵活组合,提高车身结构中模块空间的利用率。
4、通用化模块具有方便拆卸与更换的特点,针对维修点,对于发生故障需要及时维修的车辆,可以方便快捷地发现故障模块,并进行拆卸更换。从而提高车辆维修人员的工作效率,节省劳动时间。
5、作为一种通用化车身结构,对于未来可能出现的各种新型动力单元,都可以通过设计相应的动力单元模块来实现其与车身结构的对接,具有良好的前瞻性和可拓展性。
附图说明
图1为本发明所述的电动公路客车车身结构示意图。
图2为本发明所述的电动公路客车左侧模块布置示意图。
图3为本发明所述的电动公路客车右侧模块布置示意图。
图4为本发明动力模块单元的一种布置方案示意图。
图5为本发明所述的动力模块单元与立方体区域的安装示意图。
图6为本发明动力模块布置方案下的车身结构受力分析示意图。
图7为本发明所述的动力模块单元布置及车长改变空间示意图。
图8为本发明所述的动力模块单元与立方体区域的组合示意图。
图9为本发明所述的动力模块单元与立方体区域的组合示意图。
图10为本发明所述的动力模块单元与立方体区域的组合示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施,而不应该理解为限于再次阐述的实施例,相反,提供这些实施例,使得本公开将是彻底和完整的。在附图中,为了清晰起见,会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
本发明提供一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构,将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,在客车左侧围和右侧围分别在所述立方体区域设置6个对应尺寸的舱门。
本发明所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构,将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,通用性强。
本发明提供一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,包括如下步骤:
步骤1:将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,客车左侧围和右侧围分别在所述立方体区域设置6个对应尺寸的舱门;
步骤2:根据客车的配置要求(包括纯电动车型、燃料电池车型和增程式电动车型)与行驶里程确定动力模块单元内动力电池的质量与体积,通过:
其中,smax表示客车目标续驶里程,vs代表客车每公里耗电量,mw为电池的质量比能量,Vw为电池的体积比能量,mn为第n个动力电池的质量,Vn为第n个动力电池的体积。
步骤3:将确定好动力电池质量与体积的动力模块单元布置在所述6个立方体区域内,并且满足:每个所述立方体区域内的动力模块单元的总体积小于等于其对应的立方体区域体积的三分之二,每个所述动力模块单元内的动力电池的总体积小于等于所述动力模块单元体积的三分之二;
另外:当所述立方体区域不装配动力模块单元时能够作为行李舱使用;所述立方体区域装配动力模块单元时,剩余空间能够作为行李舱使用;所述立方体区域能够装配两个或多个动力模块单元的组合;
所述动力模块单元通过定位孔、定位面及限位装置固定设置在所述立方体区域内;
步骤4:确定布置方案后,获取客车前轴轴荷,使得客车前轴轴荷在客车满载重量中的占比为30%~40%,其中,
Fz1+Fz2-m1·g=0
m1·g·L3-Fz2·L=0
其中,Fz1为客车前轴轴荷,Fz2为客车后轴轴荷,m1为客车满载质量,g为重力加速度,L为客车前后轴轴距,L3为客车质心距离前轴中心的水平距离。
即只要满足客车前轴轴荷在客车满载重量中的占比为30%~40%的所有的布置方案都是满足要求的,因此只需要将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,再根据要求(即客车前轴轴荷在客车满载重量中的占比为30%~40%)确定配置方案即可,更具通用性,也降低了成本和生产周期。
所述立方体区域分别在左、右侧围设置舱门,标准外廓尺寸的立体区域内预留一定的安装与拆卸空间,以及布置橡胶垫等缓冲保护材料。装配、更换或添加动力单元模块时,借助叉车从模块装配空间取出及送入动力单元模块,通过标准化接口重新连入总线传输系统。
当客车车身长度发生变动时,所述的电动客车前后轴间的中段通用化结构保持不变。只需要通过改变车身前后部顶盖、侧围和地板部分来改变车身长度。
实施例
本实施例基于GB1589-2004道路车辆外廓尺寸(如图1所示)、轴荷及质量限值,以10m、11m、12m公路客车为例,说明通用化模块在客车下部前后轴之间的布置形式、客车长度尺寸调整及具体数值:
10m、11m、12m公路客车前后轴之间轴距为6m。如图2、图3所示,将客车前后轴之间以及后轴与后车门间的下部空间割成6个模块区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)。
确定动力模块单元的种类及质量:为方便确定动力模块单元质量,选择目前应用范围最广且参数范围相对确定的动力电池作为唯一动力模块单元种类。每个立方体区域的空间大小约为1900L,预留部分空间以便动力模块单元或者单元组合进行安装拆卸,将动力模块单元的外廓尺寸(即安装动力电池的模块单元的尺寸)确定为1300×1000×1000mm(长×宽×高),容积为1300L。由于动力电池周围需要布置保护装置,且拆装维护也需要一定空间,故动力电池体积不宜超过动力模块单元体积的2/3,因此,单个动力模块单元内的动力电池体积确定为850L,记为a。此外,为使模块质量搭配更为灵活,再设计一种小容量动力电池,电池体积为550L,记为b。
公式1为动力电池质量和体积的求解公式,smax表示客车目标续驶里程,vs代表客车每公里耗电量,mw为电池的质量比能量,Vw为电池的体积比能量,mn为第n个动力电池的质量,Vn为第n个动力电池的体积。
查找目前动力电池的性能参数以及同类车型的耗电量水平,设定动力电池质量比能量mw=120Wh/kg,体积比能量Vw=180Wh/L,客车每公里耗电量vs=1100Wh/km,已知a的电池体积为850L,b的电池体积为550L,计算得出a电池质量为1275kg,每个a电池可支持续航里程139.1km;b电池质量为825kg,可支持续航里程90km。
确定动力模块单元数量及位置:按照图4所示布置动力模块单元,车头方向向左。所述动力模块单元通过定位孔、定位面及限位装置固定设置在所述立方体区域内,如图5所示。
满载客车处于平衡状态时,受力情况如图6所示,图中Q代表整车质心位置。
根据受力平衡条件,可以得到如下公式:
式(2)中,整车满载质量m1=17640kg,轴距L=6m,重力加速度g=9.8m/s2,L3为质心距离前轴中心的水平距离,Fz1、Fz2分别为所受地面支反力。据此计算动力布置方案的前轴轴荷,其占比在总重的30%~40%范围内,证明整车轴荷分配合理。具体轴荷分配情况如表1所示。
表1方案的轴荷分配情况
车身长度尺寸的调整:客车车身长度要从10m改为11m或者12m时,电动客车前后轴间的中段通用化结构保持不变。只需要通过改变车身后悬长度,将后部顶盖、侧围和地板部分长度增加1m或2m来改变车身长度,如图7中A框部分所示。
当然,所述立方体区域不装配所述动力模块单元时,所述立方体区域能够作为行李舱使用;所述立方体区域装配所述动力模块单元时,所述立方体区域的剩余空间能够作为行李舱使用;以及所述立方体区域能够装配多个动力模块单元的组合,如图8-10所示。
本发明所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,实现了不同动力模式的车型(纯电动车型、燃料电池车型、增程式电动车型)与多种长度车型中段的通用化,减少了新车型设计开发过程的工作量及时间。同时实现了车身生产制造过程中的工装共享,在保证车身结构整体质量的同时节约了工装的开发成本,提高车身结构在不同动力模式与不同车身长度之间通用性与可拓展性。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化结构,其特征在于,将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域,在客车左侧围和右侧围分别在所述立方体区域设置6个对应尺寸的舱门。
2.一种基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:将客车下部前后轴之间等分成6个立方体区域;
步骤2:根据客车的配置要求与行驶里程确定动力模块单元内动力电池的质量与体积,并将所述动力模块单元布置在所述6个立方体区域内,使得客车前轴轴荷在客车满载重量中的占比为30%~40%,并且满足如下条件:
Fz1+Fz2-m1·g=0
m1·g·L3-Fz2·L=0
其中,Fz1为客车前轴轴荷,Fz2为客车后轴轴荷,m1为客车满载质量,g为重力加速度,L为客车前后轴轴距,L3为客车质心距离前轴中心的水平距离。
3.如权利要求2所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,其特征在于,所述动力模块单元内动力电池的质量与体积的确定满足如下条件:
其中,smax表示客车目标续驶里程,vs代表客车每公里耗电量,mw为电池的质量比能量,Vw为电池的体积比能量,mn为第n个动力电池的质量,Vn为第n个动力电池的体积。
4.如权利要求2所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,其特征在于,每个所述立方体区域内的动力模块单元的总体积不大于其对应的立方体区域体积的三分之二。
5.如权利要求4所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,其特征在于,每个所述动力模块单元内的动力电池的总体积不大于所述动力模块单元体积的三分之二。
6.如权利要求2所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,其特征在于,所述立方体区域不装配所述动力模块单元时,所述立方体区域能够作为行李舱使用;
所述立方体区域装配所述动力模块单元时,所述立方体区域的剩余空间能够作为行李舱使用;以及
所述立方体区域能够装配多个动力模块单元的组合。
7.如权利要求2所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法,其特征在于,在客车左侧围和右侧围分别在所述立方体区域设置6个对应尺寸的舱门。
8.如权利要求2-7中任意一项所述的基于动力模块单元的电动公路客车车身模块化分配方法应用于纯电动车型、燃料电池车型或者增程式电动车型。
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