2025年工程车产业布局分析：蓄电池工程车电池布局优化取得显著成果

  随着2025年工程车产业布局的持续调整与升级，蓄电池工程车凭借其节能、环保的优势，在市场中占据着越来越重要的地位。在这类工程车的设计与研发过程中，电池布局成为影响车辆整体性能的关键因素，合理的电池布局优化对于提升工程车的综合竞争力意义重大。

  一、工程车电池布局优化的背景与重要性

  在轨道交通蓬勃发展的当下，传统内燃机轨道工程车能耗高、污染重的问题日益凸显。相比之下，蓄电池工程车可靠性强、节能环保，成为行业研究的热门方向。《2025-2030年全球及中国工程车行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，工程车的车架作为连接各总成、承受多种载荷的关键部件，其性能至关重要。而蓄电池质量约占整车质量的 24%，数量多且重量大，对整车力学性能影响显著。因此，通过优化电池布局提升车架力学性能，成为提高蓄电池工程车整体性能的关键所在。

  二、工程车电池布局优化的模型构建

  (一)参数模型搭建

  蓄电池工程车由主车架、转向架、驾驶室等多个部分组成。在研究电池布局优化时，将车架剩余位置按最小单元划分为 10 个区域，把这 10 个区域中蓄电池的数量作为设计变量。各设计变量有其初始值和取值范围，比如 F1 初始值为 0，取值范围是 [0,4] ，这些参数的确定为后续的优化研究奠定了基础。

  (二)有限元模型建立

  模型简化：实际车架结构复杂，进行有限元分析难度较大。为便于研究，对车架进行简化，保留横梁、侧梁结构，忽略半径较小的圆孔、倒角等。简化后的三维模型为后续分析提供了便利。

  边界条件设定：明确车架材料为 Q345B，其密度为 7.85 g/cm³，泊松比为 0.3 ，弹性模量为 206GPa，计算出质量为 7529.36kg。选择六面体网格，网格尺寸为 25mm，节点总数达 1406970，单元总数为 713020。在正常工况下，选择垂直载荷工况进行有限元分析，依据相关规范设置垂直载荷，包括驾驶室、电池箱和施工装备的重力，同时固定约束车架的心盘以及旁承。

  分析结果呈现：在电池原始布局下，即 16 块电池均匀放在车架的特定位置，再施加其他装备重力后，分析得出车架的最大变形为 0.948mm，最大等效应力为 14.39MPa。这一结果为后续优化提供了对比基准。

  三、工程车电池布局优化的近似模型建立

  (一)最优拉丁超立方设计应用

  在构建高精度近似模型前，采样点的选择至关重要。最优拉丁超立方设计将设计空间分层，使采样点均匀分布，避免集中在特定区域，提高模型全局拟合能力，从而在有限样本点内选择合适样本。

  (二)响应面近似模型选择

  综合考虑多种构建近似模型的方法，选择二阶响应面模型。该模型使用多项式函数近似复杂有限元模型，可减少分析时间。

  (三)近似模型精度分析

  根据设计变量数量计算出构建二阶响应面模型最少需要 66 个样本点，实际选取 100 组布局方案，其中 10 组用于交叉验证，90 组用于构建模型。经多次交叉验证，复相关系数均在 0.9 以上，表明模型拟合精度符合要求。

  四、工程车电池布局的结构优化策略

  (一)优化数学模型构建

  以提高蓄电池工程车车架力学性能为目标，选择车架最大等效应力和最大变形作为优化目标。由于蓄电池总数为 16 个，约束 10 个设计变量总和等于 16，且每个变量取值为整数，构建出电池布局优化设计的理论模型。

  (二)优化算法选择与应用

  采用多岛遗传算法求解优化问题。该算法将种群划分为多个子种群，每个子种群独立进化，岛屿间定期进行个体迁徙，共享有益基因，提高算法搜索能力和优化效果。设置总群体规模数为 20，岛的个数为 8，交叉率为 0.9 ，交叉概率和变异概率为 0.01，总进化代数为 6 代。经迭代计算，得到 3 组 Pareto 非劣解，这些解在等效应力与变形方面均优于原始布局。

  五、工程车电池布局优化的结果分析

  (一)优化结果对比验证

  对基于响应面近似模型优化得到的3 组布局方案，修改有限元模型进行仿真分析，并与近似模型结果对比。结果显示，车架结构最大变形的最大误差为 1.8%，最大等效应力的最大误差为 3.9% ，说明响应面近似模型结果与仿真分析结果基本一致。但 3 组 Pareto 解各有优劣，难以直接选出最优解。

  (二)动力学仿真分析评估

  利用多体动力学软件建立工程车动力学模型，考虑轨道随机输入，选择美国 V 级轨道谱模拟真实路况激励。对 3 组电池布局方案进行动力学仿真分析，以车架垂向平稳性评价方案优劣。当车辆以 80km/h 速度运行时，对比 3 组优化布局方案与原始方案的振动频率和垂向最大加速度。根据相关规定，3 种布局方式垂向振动加速度均满足要求，其中方案 2 垂向振动加速度最小，被认为是最优布局方案。与原始布局相比，优化后车架最大变形降低 50.9%，最大等效应力降低 37.9% ，垂向振动加速度降低 14.6%。

  六、工程车电池布局优化的试验验证

  (一)缩尺试验台搭建

  考虑到实际轨道车车架试验成本高，选择搭建缩尺试验台。确定缩尺比为 5∶1，材料与原车架一致为 Q345B，计算出缩尺车架质量为 62.42kg。根据原车架主参数推导出缩尺车架的相似常数和设计参数，制造出缩尺车架有限元模型和实际缩尺车架。经分析，缩尺车架各项仿真值接近设计值，表明可利用缩尺车架分析原车架力学特性。

  (二)试验方法确定

  采用电测法进行应力测试，使用三轴 45° 应变花，通过测量结构表面应变值，根据弹性模量转换为应力值，并采用第四强度理论计算等效应力。

  (三)试验准备工作

  结合有限元仿真结果，选择缩尺车架变形较大区域作为应变片布点位置。由于结构和载荷对称，在一侧布点。布点时，先确定位置，再打磨、擦拭，最后粘贴应变片。准备好试验所需器材，包括工程车缩尺车架、蓄电池质量模拟块等，并多次重复试验以确保结果准确可靠。

  (四)试验结果分析

  试验数据经处理换算为应力值，对比垂直载荷工况车架应力实测值与仿真值，3 次试验结果取平均值作为测试值，测试值与仿真值误差为 7.1% ，小于 10%，表明优化结果可靠。

  综上所述，在2025年工程车产业布局的大背景下，蓄电池工程车电池布局优化研究取得了显著成果。通过建立响应面近似模型与多岛遗传算法相结合的优化方法，有效减少了计算量，提升了优化效率。优化后的电池布局显著改善了蓄电池工程车的综合力学性能，最大变形、最大等效应力和车架垂向振动加速度都有明显降低。同时，缩尺模型试验验证了优化结果的可靠性，该优化方法还具有在其他轨道车辆及大型机械设备设计领域推广应用的价值，有望为工程车产业的发展带来新的突破。

更多工程车行业研究分析，详见中国报告大厅《工程车行业报告汇总》。这里汇聚海量专业资料，深度剖析各行业发展态势与趋势，为您的决策提供坚实依据。

更多详细的行业数据尽在【数据库】，涵盖了宏观数据、产量数据、进出口数据、价格数据及上市公司财务数据等各类型数据内容。