Development of a Lightweight Electric Urban Delivery Truck. Prepared for the Transportation Development Centre of Transport Canada. by Unicell Ltd.

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TP 14757E Development of a Lightweight Electric Urban Delivery Truck Prepared for the Transportation Development Centre of Transport Canada by Unicell Ltd. July 2007 TP 14757E Development of a Lightweight Electric Urban Delivery Truck by Gus Gillespie, Roger Martin and Scott Vader Unicell Ltd. July 2007 This report reflects the views of the authors and not necessarily those of the Transportation Development Centre of Transport Canada or the co-sponsoring agency. Neither the Transportation Development Centre nor the co-sponsoring agency endorses products or manufacturers. Trade names and manufacturers names appear in this report because they are essential to its objectives. Since some of the accepted measures in the industry are imperial, metric measures are not always used in this report. Un sommaire français se trouve avant la table des matières Transport Canada ii Transport Canada Transports Canada PUBLICATION DATA FORM 1. Transport Canada Publication No. TP 14757E 2. Project No Recipient s Catalogue No. 4. Title and Subtitle 5. Publication Date Development of a Lightweight Electric Urban Delivery Truck July Performing Organization Document No. 7. Author(s) Gus Gillespie, Roger Martin and Scott Vader 8. Transport Canada File No JP08 9. Performing Organization Name and Address 10. PWGSC File No. Unicell Ltd. 50 Industrial Street Toronto, Ontario Canada M4G 1Y9 MTB PWGSC or Transport Canada Contract No. T /001/MTB 12. Sponsoring Agency Name and Address 13. Type of Publication and Period Covered Transportation Development Centre (TDC) 800 René Lévesque Blvd. West Suite 600 Montreal, Quebec H3B 1X9 15. Supplementary Notes (Funding programs, titles of related publications, etc.) Final 14. Project Officer C. Guérette Co-sponsored by the Program of Energy Research and Development of Natural Resources Canada. 16. Abstract This project was part of the development of an aerodynamic, all-electric, composite monocoque urban delivery truck named the QuickSider intended to meet the requirements of Purolator Courier Ltd. It had two objectives: 1. To complete the structural design of the lightweight composite monocoque low-floor body, and 2. To explore the electric drive options to provide it with a zero emission vehicle range of 120 km. A computer-aided design (CAD) model of a full-scale mock-up was developed using finite element analysis (FEA). A physical full-scale mock-up was then built and tested structurally. Alternative floor structures were assessed. The results were used in the structural design of a working prototype. A CAD model for a prototype was developed using FEA, with particular focus on high stress areas. A statement of requirements for the truck s battery system, based on the truck s physical and operational requirements, was prepared and issued to several potential battery suppliers, and the responses analyzed. The conclusion was that a system based on MES-DEA s Zebra battery was the only viable solution then available. A working prototype was built and subjected to extensive testing. No unacceptable stresses, deflections or resonances in the structure were identified. The vehicle s performance was generally consistent with design expectations. 17. Key Words Lightweight, electric vehicle, composite, monocoque, urban delivery truck, QuickSider, battery 18. Distribution Statement Limited number of print copies available from the Transportation Development Centre. Also available online at 19. Security Classification (of this publication) Unclassified 20. Security Classification (of this page) Unclassified 21. Declassification (date) 22. No. of Pages xviii, 45, apps 23. Price Shipping/ Handling CDT/TDC Rev. 96 iii Transports Canada Transport Canada FORMULE DE DONNÉES POUR PUBLICATION 1. N o de la publication de Transports Canada TP 14757E 2. N o de l étude N o de catalogue du destinataire 4. Titre et sous-titre 5. Date de la publication Development of a Lightweight Electric Urban Delivery Truck Juillet N o de document de l organisme exécutant 7. Auteur(s) Gus Gillespie, Roger Martin et Scott Vader 8. N o de dossier - Transports Canada 2450-JP08 9. Nom et adresse de l organisme exécutant 10. N o de dossier - TPSGC Unicell Ltd. 50 Industrial Street Toronto, Ontario Canada M4G 1Y9 MTB N o de contrat - TPSGC ou Transports Canada T /001/MTB 12. Nom et adresse de l organisme parrain 13. Genre de publication et période visée Centre de développement des transports (CDT) 800, boul. René-Lévesque Ouest Bureau 600 Montréal (Québec) H3B 1X9 15. Remarques additionnelles (programmes de financement, titres de publications connexes, etc.) Final 14. Agent de projet C. Guérette Coparrainé par le Programme de recherché et de développement énergétiques de Ressources naturelles Canada. 16. Résumé Cette étude est une composante d un projet de développement d une camionnette de livraison légère tout électrique pour milieu urbain baptisée QuickSider, à carénage aérodynamique et à carrosserie monocoque en composite, conçue pour répondre aux besoins de Purolator Courrier Ltée. Deux objectifs étaient poursuivis : 1. mener à terme la conception structurale de la carrosserie monocoque légère en composite, à plancher bas; 2. étudier les options en matière de propulsion électrique, pour doter la camionnette d une autonomie de 120 km en mode véhicule à émission nulle. Un modèle CAO (conception assistée par ordinateur) d une maquette grandeur réelle a été développé au moyen d une analyse par éléments finis (AEF). Une maquette physique grandeur réelle a ensuite été construite et soumise à des essais de structure. Plusieurs variantes de structures de plancher ont été évaluées. Les résultats ont servi à la conception structurale d un prototype fonctionnel. Un modèle CAO du prototype a été développé au moyen d une AEF, une attention particulière étant portée sur les zones sujettes à de fortes contraintes. Un énoncé des besoins concernant les batteries a été rédigé, d après les caractéristiques physiques et les conditions d exploitation de la camionnette, et il a été transmis à plusieurs fournisseurs de batteries potentiels. Après analyse des réponses reçues, il a été conclu qu un système utilisant des batteries Zebra de MES-DEA était la seule solution satisfaisante. Un prototype fonctionnel a été construit et soumis à des essais complets. Aucune contrainte, flexion ou résonance inacceptable n a été constatée dans la structure. La performance du véhicule était généralement conforme aux attentes. 17. Mots clés Léger, véhicule électrique, composite, monocoque, camionnette de livraison urbaine, QuickSider, batterie 18. Diffusion Le Centre de développement des transports dispose d un nombre limité d exemplaires imprimés. Disponible également en ligne à 19. Classification de sécurité (de cette publication) Non classifiée 20. Classification de sécurité (de cette page) Non classifiée 21. Déclassification (date) 22. Nombre de pages xviii, 45, ann. 23. Prix Port et manutention CDT/TDC Rev. 96 iv ACKNOWLEDGEMENTS The assistance of Claude Guérette of the Transportation Development Centre of Transport Canada is gratefully acknowledged, as is the support of the many participants in this project. v vi EXECUTIVE SUMMARY The QuickSider is an aerodynamic, all-electric, composite monocoque urban delivery vehicle being developed by Unicell Ltd., Purolator Courier Ltd., and ArvinMeritor Inc., with the support of several other companies. The concept for the vehicle was first developed by Unicell in 2000 and refined through extensive studies of Purolator s operations carried out in Development of the prototype began in early 2004 with the assistance of the Transportation Development Centre (TDC) of Transport Canada. Preliminary design work was done throughout 2004, culminating in a full-scale mock-up built in early This was used to simulate typical route operations and validate the productivity gains made possible by the vehicle s unique features. It was also used to test and refine the design of the monocoque structure. Detailed engineering design was undertaken in The prototype was completed in the first half of 2006 and subjected to a series of compliance, engineering, and operational tests that will continue throughout The next phase in the overall project is the production of a small demonstration fleet in 2008 that will be placed in service by Purolator to prove the commercial viability of the vehicle. If successful, production could begin in The specific objectives related to TDC s participation in the QuickSider project, set in 2004 were: 1. To complete the structural design of the composite monocoque low-floor body with a target of achieving a 36 percent weight reduction relative to comparable conventional aluminum and steel van bodies, and 2. To explore the electric drive options in order to confirm the feasibility of a zero emission vehicle (ZEV) range of 120 km and a grid-to-wheels energy efficiency of 75 percent as compared to the gasoline-to-wheels energy efficiency of 11 percent in Purolator s current vehicles. The first objective was largely achieved in that the prototype structure has functioned well in track tests and is thoroughly engineered in the critical, highly stressed areas around the suspension attachment points, and with the projected weight reductions possible in a production vehicle, the weight of QuickSider body will be in line with the targeted 3500 lb. In designing the prototype, it was decided to use a structure of welded stainless steel tube for the floor, major load bearing elements and wheel boxes. It was recognized that this would add considerable weight relative to what could be achieved in an all-composite structure; however, this allowed the prototype to be completed while research into an all-composite structure continued. Another early decision was to build a mock-up of the vehicle that could be used to test both the structural design and the operational utility of the concept. The mock-up design evolved through three major computer-aided design (CAD) iterations. The third iteration was subjected to finite element analysis (FEA), which led to further strengthening at specific points in the structure where excess deflections were indicated. It should be noted that in this work, the issue was to ensure adequate strength at the critical points in the structure. The FEA was not used to attempt any weight reduction. The mock-up was built in accordance with the final CAD design and subjected to a series of load tests. These tests resulted in vii greater deflections than the FEA predictions; however, it was decided that further structural analysis with the mock-up was not warranted. The operational tests with the mock-up validated earlier estimates of a 10 percent route productivity improvement. As a result, Purolator requested that the capacity of the prototype vehicle be increased. The decision was made to make the QuickSider the same overall length as the current curbside delivery vehicle, and to maximize the cubic capacity within this constraint. While the work with the mock-up was being done, possible all-composite floor structures were investigated. Two alternatives emerged: one based on Martin Marietta s TRANSONITE composite panel material; and the other on a moulded structure using Webcor Technologies TYCOR fibreglass reinforced foam core material. Test panels from these two materials, as well as a welded steel panel, were designed, manufactured and tested. The results indicate that a TRANSONITE structure would be lighter but slightly more expensive than a comparable steel structure. However, a TYCOR structure would probably be the lightest as well as the least expensive solution. The next stage of development will be to design, manufacture and test an all-composite floor incorporating the wheel boxes and other features of the QuickSider. While the prototype QuickSider body is only 3 percent lighter than the equivalent structure in a conventional truck, it appears that the structure can be optimized to achieve a 25 percent or greater reduction in weight compared to the conventional benchmark. The prototype vehicle was designed and made with a stainless steel and aluminum floor structure, as the high cost and technical uncertainty of an all-composite floor would entail excessive risk and development time for a prototype vehicle. Further research will be undertaken and could result in a lighter all-composite floor in production vehicles. The second objective was also largely achieved. BET Services Inc. created a statement of requirements for the battery system for the prototype QuickSider. This was distributed to several potential battery suppliers, only five of which responded. The decision was to order a BET Series B4Z battery system based on a set of four Zebra NaNiCl batteries manufactured by MES-DEA for the prototype. These are the only commercially available batteries that could meet our needs. However, the cooling, charging and management systems to support these high-voltage, high-temperature batteries add to the total weight of the battery system installed in the prototype. An alternative battery system that will meet our requirements is being developed by Electrovaya Inc. This promises to provide better power output and to be both lighter and less expensive. This battery will be tested in the next phase of development. If it proves suitable, it could be offered in production vehicles. Dynamometer tests have shown the ZEV range of the prototype to be greater than the targeted 120 km. The vehicle s overall energy efficiency is 50 percent, as compared to the conventional vehicle s 11 percent. With improvements to the battery system, drive train, regenerative braking and auxiliary systems, an overall energy efficiency of 75 percent is achievable in production vehicles. Testing of the prototype will be completed during the balance of If the prototype meets its performance objectives and the business case shows the vehicle to be commercially viable, a small test fleet will be produced and placed into service with Purolator. If experience with the test fleet is satisfactory, full-scale production could be launched in viii SOMMAIRE Le QuickSider est un véhicule de livraison urbain tout électrique à carénage aérodynamique et à carrosserie monocoque en composite développé par Unicell Ltd., Purolator Courrier Ltée et ArvinMeritor Inc., avec l appui de plusieurs autres entreprises. Le concept du véhicule a d abord été développé par Unicell en 2000, puis peaufiné après un examen approfondi des opérations de Purolator, réalisé en Le développement du prototype, auquel a participé le Centre de développement des transports (CDT) de Transports Canada, a commencé au début de La conception préliminaire s est poursuivie tout au long de 2004 et a débouché sur la construction, au début de 2005, d une maquette grandeur réelle. Cette maquette a servi à simuler l exploitation de la camionnette sur des circuits types et à valider les gains de productivité rendus possibles par les caractéristiques uniques du véhicule. Elle a aussi servi à tester et perfectionner le modèle de structure monocoque. Des études techniques détaillées ont été entreprises en Le prototype a été construit pendant la première moitié de 2006 et il a été soumis à des essais de conformité, des épreuves techniques et des essais opérationnels, qui doivent se poursuivre pendant toute l année La prochaine phase du projet global consistera à produire, en 2008, quelques camions de démonstration, que Purolator intégrera à son parc pour confirmer la viabilité commerciale du véhicule. Si cet essai en service est concluant, la production de véhicules de série pourrait commencer en Voici les objectifs précis de la participation du CDT au projet QuickSider, tels qu établis en 2004 : 1. mener à terme la conception structurale de la carrosserie monocoque en composite à plancher bas, en visant une réduction de poids de 36 p. 100 par rapport à la carrosserie des camionnettes classiques en aluminium et acier; 2. étudier les options en matière de propulsion électrique, afin de confirmer la faisabilité d une autonomie de 120 km pour un véhicule à émission nulle (VÉN) et d un rendement énergétique de 75 p. 100 (pourcentage de l énergie électrique consommée effectivement transmise aux roues), comparativement au taux de 11 p. 100 de l énergie tirée de l essence effectivement transmise aux roues, dans les véhicules actuels de Purolator. Le premier objectif a été largement atteint. En effet, la structure du prototype a affiché de bonnes performances lors d essais sur circuit; des solutions techniques ont été mises au point pour les zones critiques sujettes à de fortes contraintes, autour des points d attache de la suspension. Par ailleurs, grâce aux réductions de poids prévues pour un véhicule de série, la carrosserie du QuickSider aura un poids conforme à l objectif fixé, soit 3500 lb. Lors de la conception du prototype, il a été décidé de miser sur une structure de tubes en acier inoxydable soudés pour le plancher, les principaux éléments porteurs et les cages de roues. Certes, un tel choix allait ajouter un poids considérable au véhicule, par rapport à une structure tout-composite, mais il donnait la possibilité de terminer le prototype, pendant que se poursuivait la recherche sur une structure tout-composite. Une autre décision prise d entrée de jeu a été de construire une maquette pour pouvoir tester tant la conception structurale que l utilité opérationnelle du concept. La maquette a évolué au fil de trois itérations de conception CAO (conception assistée par ordinateur). Le résultat de ix la troisième itération a été soumis à une analyse par éléments finis (AEF), qui a conduit au renforcement de certains points de la structure, où des flexions excessives avaient été constatées. Il convient de noter que cette analyse visait à assurer une résistance adéquate aux points critiques de la structure, et non à en réduire le poids. La maquette a été construite conformément au modèle CAO final, et soumise à une série d essais en charge. Ces essais ont révélé des flexions plus importantes que ne le laissait présager l AEF; malgré cela, il a été décidé qu il n était pas nécessaire de poursuivre l analyse. Les essais opérationnels à l aide de la maquette ont validé les estimations faites antérieurement, soit une hausse de productivité de 10 p. 100 des opérations de messagerie. Purolator a donc demandé que la capacité de chargement du prototype soit augmentée. C est alors qu il a été décidé que le QuickSider aurait la même longueur hors-tout que la camionnette de livraison actuelle, et que l on maximiserait sa capacité volumique dans les limites de cette contrainte. Parallèlement aux travaux sur la maquette, des recherches étaient menées sur de possibles structures de plancher tout-composite. Deux options sont ressorties : la première faisant appel au panneau composite TRANSONITE de Martin Marietta, l autre, à une structure moulée utilisant, comme âme, un panneau de mousse renforcée de fibre de verre TYCOR de Webcor Technologies. Des panneaux d essai constitués respectivement de ces deux matériaux, de même qu un panneau en acier soudé, ont été conçus, fabriqués et testés. Les résultats on indiqué que la structure TRANSONITE serait plus légère, mais un peu plus chère qu une structure en acier comparable. Toutefois, une structure TYCOR serait probablement la solution à la fois la plus légère et la plus économique. La prochaine phase de développement consistera à concevoir, fabriquer et mettre à l essai un plancher tout-composite intégrant les cages de roues et les autres caractéristiques du QuickSider. Le prototype de la carrosserie du QuickSider représente une réduction de poids de seulement 3 p. 100 par rapport à la structure équivalente d une camionnette classique. Il semble toutefois possible de perfectionner la structure pour atteindre une réduction de poids de 25 p. 100, voire plus, comparativement à
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