复合材料在电动公交巴士的应用

多年以来，热固复合材料生产商Norplex-Micarta一直在为公共交通应用制造材料，包括火车和轻轨制动系统，以及架空轨道的电气绝缘材料。但如今，该公司的市场正在从相对狭窄的利基市场向墙壁、屋顶和地板等其他应用领域扩张。

 

Norplex-Micarta的业务发展总监达斯汀•戴维斯（DustinDavis）认为，未来几年，他的公司以及其他复合材料制造商和供应商在公共交通领域的应用机会越来越多。这种预期的增长有几个原因。一个是欧洲采用的火灾标准EN45545-2，该标准对公共交通实施了更严格的火灾、烟雾和毒性（FST）要求。使用酚醛树脂系统，复合材料制造商可以将必要的防火和防烟性能纳入其产品中。复合材料较轻的重量也使它们对有意减少燃料使用和/或扩大其作业范围的公共交通运营商具有吸引力。

 

市场研究公司Lucintel同意关于复合材料在公共交通中发挥更大作用的预测。在2018年9月的一份报告中，Lucintel预测，2018年至2023年间，用于大众运输和越野车的复合材料全球市场将以每年4.6%的速度增长，到2023年年底价值将达到10亿美元。这些机会将出现在广泛的应用，包括外部、内部、引擎盖下和动力系统部件及电子元件。

 

虽然复合材料可能比类似的金属部件更贵，但成本并不是其是否进行应用的决定性因素。

 

 

行驶更远的距离

 

总部位于加州的Proterra是一家零排放电动巴士的设计师和制造商，自2009年以来，该公司所有的巴士车身都使用了复合材料。2017年，该公司的新型电动巴士Catalyst®E2充一次电可以行使1101.2英里（约合1772.2公里），打破了纯电动客车最高续航记录。这辆巴士采用了复合材料制造商TPI制造的轻质车身。

 

最近，TPI公司和Proterra公司合作生产了一种一体化的单壳式复合电动公交巴士。TPI战略市场高级总监托德•阿尔特曼（ToddAltman）解释说：“在一辆典型常规的公共汽车或卡车上，有一个底盘，车身被放置在底盘上。我们的巴士采用了一体成型车身设计，整合了底盘和车身。”在满足性能要求方面，单一结构比两个单独结构更紧凑有效。

 

Proterra一体化车身是专门为电动车设计的，从设计之初考虑的因素就是电动车。Altman表示，这是一个重要区别，因为许多汽车制造商和电动公交车制造商的经验一直试图将内燃机车的传统设计改造为电动汽车，但收效甚微。“他们利用现有的平台，尽量将电池融入其中。从各种角度来看，这并没有产生最佳解决方案。”Altman说。

 

例如，许多电动巴士的后部或车顶都装有电池。但是对于Proterra来说，TPI能够将电池安装在巴士下面。

 

Altman说：“如果你在一个车辆结构上施加了很多重量，但你希望从性能和安全的角度尽可能的去降低这个重量。”他指出，许多电动公共汽车和汽车制造商现在都在重新设计，为他们的汽车开发更高效、更专门的设计。

 

“当人们找到一家复合材料制造商时，他们可能会说，‘我需要构建这个部件或这个小型子系统。’而且提出许多限制性的条件。在这种情况下，常常会局限设计的灵活性。这可能导致使用更多高成本的材料，如碳纤维。如果你能用夹层结构来建造，并开发出一种更为优化的设计，这就是特别设计的真正作用所在。”Altman补充说，“你可以设计出一种解决方案，它不会像你试图用其他东西制造车身那样，需要做出同样多的权衡。”

 

TPI与Proterra签署了一项为期五年的协议，将在美国的爱荷华州和罗德岛的工厂生产多达3350辆复合巴士车身。

 

定制需要

 

设计Catalyst客车车身需要TPI和Proterra不断平衡所有不同材料的优缺点，以便在达到最佳性能的同时达到成本目标。Altman指出，TPI生产大型风力发电叶片的经验（长约200英尺，重25000磅），使他们相对容易生产40英尺、重6000至10000磅的客车车身。

 

TPI能够通过选择性地使用碳纤维来获得所需的结构强度，并保留碳纤维来加固承载最重载荷的区域。Altman说：“我们在那些关键的地方使用碳纤维。”总体而言，碳纤维仅占客车车身复合材料加强件不到10%的比例，其余为玻璃纤维。

 

TPI选择乙烯基酯树脂的原因相似。“环氧树脂确实很棒，但是当你固化它们时，就必须提高温度，因此你必须加热模具，而这是一个额外的费用。“他继续说。

 

该公司使用真空辅助树脂传递成型（VARTM）来生产复合夹层，为单体车身提供必要的刚度。一些金属配件，如螺纹配件和攻丝板，在制造过程中被纳入车身。这辆巴士分上下两部分铸模，然后粘合在一起。一些小的复合装饰件，如整流罩，工作人员必须稍后添加，但零件数量只是金属公交车的一小部分。

 

一旦完成的车身被送到Proterra公交车生产工厂，生产线的流动速度就会快得多，因为工作量很少。“他们不需要进行所有的焊接、磨削和制造，而且他们可以通过非常简单的接口将车身连接到传动系上。”

 

Altman补充道。Proterra节省了时间并减少其开销，因为单壳体车身需要的制造空间更少。Altman认为，随着城市转向电动公交车以减少污染和削减成本，对复合公交车车身的需求将继续增长。据Proterra称，与柴油、压缩天然气或柴油混合动力公交车相比，电动汽车的运营寿命（12年）成本最低。这可能是为什么Proterra说电池驱动的电动公交车的销售现在占整个公交市场销售额10%的原因之一。

 

电动客车车身用复合材料的广泛应用仍然存在障碍。其中之一是不同的公交客户都需要专业化的设计。“每一个公交管理部门都希望他们的巴士与众不同——座位配置、车门打开的方式。这对公共汽车制造商来说是一个巨大的挑战，许多配置项目都可以流向我们。”Altman说，“复合材料客车车身制造商希望拥有标准版本，但如果每个客户都希望进行高水平的定制，则很难做到这一点。”TPI正在继续与Proterra合作，以增强总线设计，从而更好地管理最终客户所需的灵活性。