純電動(dòng)汽車追尾碰撞安全性能優(yōu)化研究*

施盧丹， 顏先華， 黃正軍， 易舒

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 金華 321000；2.眾泰汽車工程研究院， 浙江 杭州 310018)

作為交通運(yùn)載工具，純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車存在著相同的碰撞安全問題，且由于其采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用中還存在特有的高壓電安全隱患。當(dāng)前國(guó)內(nèi)針對(duì)電動(dòng)汽車碰撞后安全要求的法規(guī)GB/T 31498-2015對(duì)電動(dòng)汽車在正面碰撞和側(cè)面碰撞試驗(yàn)后車輛的動(dòng)力系統(tǒng)安全作了明確規(guī)定，但未涉及追尾碰撞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，追尾碰撞是中國(guó)城市道路交通的主要事故形態(tài)之一，其事故數(shù)量及造成的傷亡人數(shù)僅次于正面和側(cè)面碰撞，且由追尾碰撞導(dǎo)致的直接財(cái)產(chǎn)損失比例最高；在高速公路事故中，追尾碰撞的事故比例高達(dá)44.9%，居各類事故之首。因此，開展純電動(dòng)車追尾碰撞的安全性研究及開發(fā)非常迫切且具有非常重要的意義。

現(xiàn)階段針對(duì)追尾碰撞安全性能的研究多集中在低速碰撞中車輛前排乘員頸部揮鞭傷、碰撞行李箱沖擊安全優(yōu)化、傳統(tǒng)燃油汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的碰撞結(jié)構(gòu)變形控制、燃油系統(tǒng)完整性保護(hù)等方面，對(duì)純電動(dòng)汽車在追尾碰撞中的車身結(jié)構(gòu)耐撞性和電池安全性等的研究相對(duì)較少。該文結(jié)合某純電動(dòng)汽車追尾碰撞安全性能開發(fā)，分析純電動(dòng)汽車追尾碰撞中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及方法。

1 追尾碰撞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)工況

參照GB 20072-2006對(duì)追尾碰撞中燃油系統(tǒng)安全的要求對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行追尾碰撞安全性能開發(fā)。試驗(yàn)中，車輛處于整備質(zhì)量狀態(tài)靜置于跑道上，重量為(1 100±20) kg的后碰移動(dòng)車輛與試驗(yàn)車輛沿Y向100%重疊，以(50±2) km/h的速度撞擊試驗(yàn)車輛尾部。

1.2 追尾碰撞開發(fā)要求

對(duì)于純電動(dòng)汽車，除需滿足傳統(tǒng)汽車追尾碰撞時(shí)車身結(jié)構(gòu)開發(fā)要求外，還需考察動(dòng)力電池包等高壓裝置的安全，如電池包在碰撞試驗(yàn)時(shí)不得起火和爆炸、不釋放有害性氣體，電池包固定裝置不發(fā)生失效，電池包不發(fā)生明顯位移侵入乘員生存空間等。參照GB/T 31467-2015對(duì)電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)的安全要求，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)成果，得出純電動(dòng)汽車追尾碰撞中技術(shù)開發(fā)要求如下：

(1) 碰撞過程中，動(dòng)力電池包安裝固定支架縱向加速度最大值小于25.2g。

(2) 碰撞中動(dòng)力電池包外殼的最大壓縮變形量≤10 mm，壓縮變形比例≤5%，電池包無明顯受擠壓痕跡。

(3) 碰撞試驗(yàn)后，動(dòng)力電池包不穿入乘員艙，高壓線束區(qū)域無明顯擠壓痕跡。

(4) 碰撞后無電解液進(jìn)入乘員艙，也不發(fā)生電解液泄漏。

2 純電動(dòng)汽車追尾碰撞仿真模型

2.1 有限元求解的力學(xué)模型

目前，車輛碰撞安全分析主要采用有限元仿真分析法。對(duì)于常規(guī)碰撞工況，有限元求解模型的力學(xué)模型為：

(1)

式中：A為基礎(chǔ)系統(tǒng)所占空間；σ1為內(nèi)應(yīng)力；εv為虛應(yīng)變；S為除接觸摩擦力外的外力作用表面；Fe為外作用力；uv為虛位移；C為接觸表面；Fef為接觸摩擦力；ur為兩接觸點(diǎn)的相對(duì)虛位移；ρ為質(zhì)量密度；a為接觸系統(tǒng)的加速度。

有限元方法運(yùn)用的離散概念是將連續(xù)的三維幾何體分割成有限多個(gè)非常小的多邊形或多面體單元，各單元僅在節(jié)點(diǎn)處連接，把原來無限多自由度體系簡(jiǎn)化成有限多個(gè)自由度體系，建立代數(shù)方程組進(jìn)行迭代求解，得到數(shù)值解答。

式(1)經(jīng)過有限元離散后，轉(zhuǎn)化為式(2)所示等效方程組：

Ma=Fe-Fi-Fef

(2)

式中：M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；a為加速度矢量；Fe為外力矢量；Fi為內(nèi)力矢量；Fef為接觸摩擦力矢量。

求解式(2)，利用中心差分方法得到下一時(shí)刻系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和能量變化規(guī)律，即整車碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特征關(guān)系。

2.2 材料的力學(xué)模型

純電動(dòng)汽車車身鈑金材料大多為低碳鋼，有限元分析中采用LS-DYNA中24號(hào)分段線性塑性材料模型(MAT 24)，考慮材料應(yīng)變率效應(yīng)的影響，24號(hào)材料模型可通過輸入材料Cowper Symonds本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)將材料的應(yīng)變率效應(yīng)考慮進(jìn)去，其本構(gòu)模型表達(dá)式為：

(3)

典型金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1。

圖1 典型金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 整車碰撞模型

按照有限元分析理論的相關(guān)要求，將車身、底盤、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、充電機(jī)等三維數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化離散處理，為提高模型求解精度，將車輛追尾碰撞區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格調(diào)整至平均尺寸5～8 mm。根據(jù)GB 20072-2006建立圖2所示純電動(dòng)汽車追尾碰撞CAE分析模型。

圖2 純電動(dòng)汽車追尾碰撞模型

3 純電動(dòng)汽車追尾碰撞安全性能優(yōu)化

純電動(dòng)汽車發(fā)生追尾碰撞過程中，主要依靠后防撞梁總成及后地板左右縱梁的變形吸收碰撞能量。根據(jù)碰撞能量管理原則，將后部車身結(jié)構(gòu)劃分為壓潰吸能區(qū)、變形過渡區(qū)和不變形區(qū)域(見圖3)。其中：不變形區(qū)域主要包含動(dòng)力電池包周圍結(jié)構(gòu)和乘員艙空間，是追尾碰撞中車身結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)和核心；壓潰吸能區(qū)主要包含后防撞梁總成和后地板左右縱梁結(jié)構(gòu)，該區(qū)域和變形過渡區(qū)是追尾碰撞中能量吸收的重點(diǎn)設(shè)計(jì)關(guān)注區(qū)域。

圖3 純電動(dòng)汽車追尾碰撞縱向分區(qū)

3.1 基礎(chǔ)模型碰撞結(jié)果分析

按圖2所示追尾碰撞模型進(jìn)行仿真計(jì)算，碰撞中后部車身骨架變形見圖4。由圖4可知：碰撞過程中，后部車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)匹配不合理，未能實(shí)現(xiàn)逐級(jí)壓潰變形。由于吸能盒X向尺寸偏小，結(jié)構(gòu)相對(duì)偏硬，碰撞中變形程度較??；后部車身骨架主要變形區(qū)域位于車身后地板縱梁前段及后段搭接區(qū)域，變形形式以折彎為主，后地板縱梁后段未能有效壓潰吸能，前段對(duì)應(yīng)動(dòng)力電池包處出現(xiàn)輕度折彎(圖4中圓圈內(nèi)所示)。

圖4 優(yōu)化前模型碰撞中后部車身骨架變形

受后地板縱梁后段吸能效率偏低的影響，未能充分耗散碰撞載荷，前段在碰撞過程中承受及傳遞給動(dòng)力電池位于車輛后部的車身安裝支架的力較大，不僅導(dǎo)致該處兩個(gè)車身支架產(chǎn)生明顯變形，也導(dǎo)致動(dòng)力電池支架與其殼體產(chǎn)生擠壓，殼體最大應(yīng)變達(dá)5.79%(見圖5)，不滿足要求。

圖5 優(yōu)化前模型碰撞中動(dòng)力電池殼體應(yīng)變

如圖6所示，碰撞過程中，車輛左右側(cè)B柱下端X向加速度峰值分別為22.3g和20.9g，均未超過25g，滿足開發(fā)要求。但根據(jù)后部車身骨架變形順序，碰撞初始階段，縱梁前后端搭接處的折彎和后防撞梁總成受撞擊變形幾乎同時(shí)發(fā)生，8～13 ms內(nèi)產(chǎn)生較高的加速度峰值，隨后加速度急速回落，直至38 ms時(shí)，車體加速度上升緩慢，此時(shí)車身骨架變形吸能效率偏低；而進(jìn)入碰撞中后期的38～70 ms，加速度形成相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間，表明在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)動(dòng)力電池要承受較高的加速度沖擊。

圖6 優(yōu)化前模型B柱下端X向加速度曲線

3.2 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)該純電動(dòng)汽車追尾碰撞中的問題，根據(jù)碰撞中逐級(jí)變形壓潰的理論和能量管理的基本原則制定車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路。

(1) 為提高后防撞梁總成在追尾碰撞中的作用，將防撞梁材料提升至HC340/590DP級(jí)別，并對(duì)吸能盒沿整車X向加長(zhǎng)25 mm(見圖7)。

圖7 后防撞梁總成優(yōu)化方案

(2) 為提高碰撞13～38 ms內(nèi)車身結(jié)構(gòu)的吸能效率，使能量在碰撞早期充分耗散，在后縱梁實(shí)行變形誘導(dǎo)設(shè)計(jì)，取消原模型中的外凸肋條，改為內(nèi)凹的小誘導(dǎo)槽(見圖8)。

圖8 后縱梁后段優(yōu)化方案

(3) 為加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力電池后部重量的支撐，將車輛后部的車身安裝支架材料由HC250/450DP提升為HC340/590DP級(jí)別。

3.3 改善效果驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行追尾碰撞仿真計(jì)算，縱梁變形見圖9。由圖9可知：優(yōu)化后的后縱梁后段在碰撞

圖9 優(yōu)化后縱梁變形

中充分變形吸能，呈現(xiàn)出較理想的軸向折疊壓潰；后縱梁前段與后段搭接處略有折彎，對(duì)應(yīng)電池包處其形狀保持良好。

優(yōu)化后，整車在碰撞過程中通過結(jié)構(gòu)變形所吸收的能量總和為57.61 kJ，車輛主要吸能部件如后防撞梁總成及后縱梁后段吸收的碰撞能量明顯提升，其中后縱梁后段吸能15.94 kJ，比基礎(chǔ)模型提升151.8%，占整車總吸收能量的27.67%；間接引起備胎盆吸能量略有增加，后部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)吸能量占車輛總吸收能量的61.74%。通過合理的車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度匹配，提升了變形吸能區(qū)的零部件吸能效率，顯著降低了后縱梁前段的變形程度，從而有效保證了動(dòng)力電池及固定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。優(yōu)化前后各主要零件的能量吸收對(duì)比見表1。

表1 優(yōu)化前后各零件吸能對(duì)比

通過優(yōu)化，后縱梁后段更合理的軸向折疊壓潰模式可有效降低碰撞過程中車體加速度，加速度峰值降至14g，碰撞過程的中后期平均加速度約10g，表明碰撞中車體振動(dòng)沖擊在相對(duì)較低的水平。動(dòng)力電池包外殼體的最大壓縮變形量為9.4 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.56%(見圖10)，滿足設(shè)計(jì)要求。碰撞過程中動(dòng)力電池包對(duì)乘員艙無明顯擠壓，判定碰撞后無電解液進(jìn)入乘員艙，發(fā)生電解液泄露的幾率低。

圖10 優(yōu)化后模型碰撞中動(dòng)力電池包最大應(yīng)變

4 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果及加速度曲線相關(guān)性

優(yōu)化后實(shí)車追尾碰撞試驗(yàn)結(jié)果見圖11。由圖11可知：碰撞后，后部行李箱嚴(yán)重破壞，后保險(xiǎn)杠總成與翼子板搭接處脫落，碰撞傳感器觸發(fā)安全氣囊控制器系統(tǒng)，高壓回路斷開，車身結(jié)構(gòu)變形吸能區(qū)在碰撞中充分壓潰，乘員艙僅有輕微變形，動(dòng)力電池包無損壞。

圖11 優(yōu)化后實(shí)車追尾碰撞結(jié)果

優(yōu)化模型仿真加速度曲線與實(shí)車碰撞加速度曲線對(duì)比見圖12。由圖12可知：實(shí)車和仿真的加速度曲線趨勢(shì)基本一致，但由于材料曲線及網(wǎng)格精度等因素的影響，曲線的峰值存在一定差異，整體而言仿真模型能較準(zhǔn)確地反映碰撞歷程。

圖12 優(yōu)化后碰撞加速度曲線

5 結(jié)論

該文針對(duì)某純電動(dòng)汽車追尾碰撞安全性能開發(fā)，建立整車碰撞有限元模型，基于有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行追尾碰撞車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后車輛具有良好的追尾碰撞安全性能。主要結(jié)論如下：

(1) 追尾碰撞中，后部車身骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要依據(jù)逐級(jí)壓潰變形吸能的原則，后防撞梁及后縱梁等主要骨架結(jié)構(gòu)要吸收超過60%的碰撞能量；碰撞吸能區(qū)不能布置高壓組件，防止碰撞中因線束短路造成車內(nèi)乘員高壓電擊傷害。

(2) 追尾碰撞安全防護(hù)設(shè)計(jì)中，碰撞過程中整車及動(dòng)力電池包固定支架處的加速度峰值要小于25g，以降低碰撞過程中動(dòng)力電池所受振動(dòng)和沖擊。

(3) 采用有限元方法進(jìn)行汽車碰撞安全性能分析和優(yōu)化，可降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。