某混動(dòng)車型側(cè)面柱撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化①

王月 ，肖海濤 ，王鵬翔，周大永，2

(1．浙江吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336；2. 浙江省汽車安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 311228)

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和新能源汽車的逐年發(fā)展，我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新能源汽車相關(guān)技術(shù)正在逐步建立和提升。對(duì)于電動(dòng)汽車或者混合動(dòng)力汽車的一個(gè)重要特征就是車內(nèi)裝有高壓動(dòng)力回路系統(tǒng)，動(dòng)力電池組的電壓一般都在300伏以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全電壓[1-3]。而高能量、大質(zhì)量的動(dòng)力電池在碰撞中受到擠壓損傷時(shí)有起火、爆炸的可能性。所以電動(dòng)汽車的碰撞安全性對(duì)駕駛員及車內(nèi)乘員的安全具有重要影響，同時(shí)對(duì)車輛的設(shè)計(jì)開發(fā)者也提出了更高的要求[4-6]。

1 電動(dòng)車碰撞法規(guī)分析

通過對(duì)目前法規(guī)的研究發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)車碰撞安全設(shè)計(jì)主要涉及的法規(guī)如下：

1)GB/T 31498 -2015 電動(dòng)汽車碰撞后安全要求

2)GB/T 19751-2005 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求

3)GB/T 24549-2009 燃料電池汽車安全要求

4)GB 11557-2011 防止汽車轉(zhuǎn)向管柱對(duì)駕駛員傷害的規(guī)定

5)ECE R94 Frontal Collision 正面碰撞-2014

6)ECE R95 Lateral Collision 側(cè)面碰撞-2014

7)ECE R12 Steering Protection 轉(zhuǎn)向保護(hù)-2012

8)FMVSS305 Electric powered vehicles, electrolyte spillage and electrical shock protection 電動(dòng)汽車-電解液濺出及電擊保護(hù)-2013

以上相關(guān)法規(guī)均對(duì)電動(dòng)車安全部分提出了相應(yīng)要求，關(guān)于對(duì)電動(dòng)車碰撞安全的特殊要求如下表1所示[1]：

表1 電動(dòng)車碰撞安全特殊要求[1-6]匯總表

2018版C-NCAP中明確提出了關(guān)于對(duì)電安全的要求，如下：

防觸電保護(hù)：基本要求為可充電儲(chǔ)能裝置端絕緣電阻與電底盤之間的絕緣電阻值要大于或等于100Ω/V；選擇要求(四選一)部分包含低電壓、低電能、物理防護(hù)、負(fù)載端絕緣電阻；

電解液泄露評(píng)價(jià)：試驗(yàn)結(jié)束后30min內(nèi)，若沒有電解液從REESS中溢出到乘員艙，且從REESS中溢出到乘員艙外的電解液不超過5.0L，即為安全；

REESS (可充電儲(chǔ)能裝置)要求評(píng)價(jià)：①如果檢查結(jié)果位于乘員艙內(nèi)的REESS保持在安裝位置，其部件保持在外殼內(nèi)；位于乘員艙外的REESS部分未進(jìn)入乘員艙，即為安全；②如果試驗(yàn)結(jié)束后30min內(nèi)，REESS沒有起火、爆炸現(xiàn)象發(fā)生，即為安全[7]。

2 現(xiàn)有車型存在的問題及分析

2.1 問題描述

考慮電動(dòng)車在碰撞中的安全性能，在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)增加了后排柱碰試驗(yàn)，撞擊位置為電池包T型的側(cè)面位置，某混動(dòng)車型汽車在進(jìn)行32km/h側(cè)面后排柱撞試驗(yàn)中，柱撞(撞擊電池包T型結(jié)構(gòu)位置)，電池包的塑性應(yīng)變?yōu)?5%電池包側(cè)向變形侵入量為46mm，整體變形侵入較大，碰撞中電池包存在受擠壓變形過大導(dǎo)致的起火、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。如圖1、2所示。

圖1 電池包塑性應(yīng)變情況

圖2 電池包變形情況

2.2 原因分析

通過對(duì)仿真結(jié)果不同時(shí)刻的分析，如圖3所示，初步判斷是由于該車型側(cè)面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，在碰撞過程中撞擊位置出現(xiàn)較大的變形侵入，直接擠壓到電池包，導(dǎo)致電池包及其內(nèi)部模組出現(xiàn)較大變形，存在起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)問題。

圖3 側(cè)面柱撞整車變形情況

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過對(duì)電池包變形侵入情況分析，主要原因在于側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)較弱，因此在側(cè)面增加一支撐板結(jié)構(gòu)，如圖4中①結(jié)構(gòu)，定義材料屬性為B340/590DP材料，厚度2.0mm；同時(shí)將中通道的材料強(qiáng)度進(jìn)行提升，由原來的DC06材料厚度1.2提升為B170P1材料，厚度不變。

圖4 電池包中通道布置位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

將電池包中地板布置區(qū)域的結(jié)構(gòu)件材料強(qiáng)度進(jìn)行提升，如下圖5所示。具體材料性能差異如表2,表3所示，

圖5 電池包中地板布置位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

優(yōu)化前優(yōu)化后①B250P1/1．2mmB400/780DP/1．5mm②B250P1/1．5mmB400/780DP/1．5mm③B250P1/1．2mmB400/780DP/1．5mm

表3 材料性能對(duì)比

4 優(yōu)化結(jié)果評(píng)定

4.1 仿真分析驗(yàn)證

4.1.1 整體變形情況分析

從整車的變形情況分析，如下圖6所示，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，撞擊處的變形侵入較之前明顯改善。

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖6 電池模組變形情況

4.1.2 塑性應(yīng)變分析

采用Hyperworks和LS-DYNA軟件對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算及后處理，從分析結(jié)果看電池包的最大塑性應(yīng)為22%，如圖7所示，較之前有改善。

圖7 電池包塑性應(yīng)變情況

4.1.3 模組侵入量分析

如圖8所示，碰撞中電池包模組的侵入僅為1.5mm，較之前有明顯改善，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖8 電池模組變形情況

4.1.4 模組受力分析

優(yōu)化后，從碰撞中受力分析電池包外殼受力為6.4KN，而內(nèi)部模組受力為1.1KN，較優(yōu)化前模組受力為27KN，受力明顯降低。如圖9所示。由于優(yōu)化后電池模組受力較小，因此模組受擠壓變形的風(fēng)險(xiǎn)降低。

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖9 電池包受力情況對(duì)比

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

如下圖10所示，試驗(yàn)后車門和門檻發(fā)生向乘員艙的變形侵入，電池包安裝點(diǎn)未出現(xiàn)受擠壓的變形斷裂問題，僅此處門檻由于受壁障擠壓而產(chǎn)生的變形。

圖10 撞擊側(cè)變形情況

圖11 撞擊側(cè)底部變形情況

將電池包與車體分離發(fā)現(xiàn)電池包上殼體受擠壓發(fā)生變形，如圖12所示。拆除電池包上殼體觀察，電池包內(nèi)部模組未被撞擊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，電池包安全，如圖13。

圖12 電池包外殼變形情況

5 結(jié)論

通過對(duì)電動(dòng)車相關(guān)要求分析和對(duì)某混動(dòng)車型側(cè)面柱碰進(jìn)行的優(yōu)化分析，得出如下結(jié)論：

1)電動(dòng)車發(fā)生碰撞不同于傳統(tǒng)車型，電池包受到

圖13 電池包內(nèi)部變形情況

撞擊破壞，動(dòng)力電池就有可能產(chǎn)生爆炸、起火，要充分考慮電池包可能發(fā)生撞擊情況，開發(fā)過程中要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行多種分析。

2)對(duì)側(cè)面區(qū)域結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)經(jīng)過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，表明所提的方案對(duì)側(cè)面柱碰結(jié)果有利，為其他車型結(jié)構(gòu)開發(fā)提供參考。

3)動(dòng)力電池及其高壓部件要盡可能布置在車輛碰撞的非變形吸能區(qū)域內(nèi),避免在碰撞中動(dòng)力電池及其高壓部件收到擠壓變形而出現(xiàn)短路，起火等風(fēng)險(xiǎn)。

4)該優(yōu)化方案對(duì)未來新能源車電池包的開發(fā)提供參考依據(jù)，同時(shí)也為新能源車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化的方向。

[1] 王凱, 李向榮, 白鵬. 電動(dòng)汽車在碰撞試驗(yàn)中的電氣安全[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào), 2012，3(1):34-37.

[2] 王凱,賀淑超. 電動(dòng)汽車碰撞試驗(yàn)方法研究[C]. 第八屆汽車交通安全會(huì)議， 2010，12.

[3] 繆文泉，接桂利，沈劍平等. 電動(dòng)汽車碰撞電安全性風(fēng)險(xiǎn)分析[J].第十七屆汽車安全學(xué)術(shù)會(huì)議，2014，304-310.

[4] 楊華，孫振東，劉玉光. 純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研究[J].北京汽車，2001，6.

[5] 楊華. 電動(dòng)汽車正面碰撞仿真分析[D]. 武漢理工大學(xué),湖北，2008，3.

[6] 孫振東. 電動(dòng)汽車正面碰撞試驗(yàn)技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)， 2007，10，9.

[7] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心. C-NCAP管理規(guī)則(2018版)征求意見稿.天津：2017，1.