純電動(dòng)客車尾部碰撞安全防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

崔崇楨，李建平

純電動(dòng)客車尾部碰撞安全防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

崔崇楨，李建平

（宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450001）

純電動(dòng)客車尾部布置有動(dòng)力電池、整車控制器、高壓配電盒等高壓零部件，在遭受卡車、公交車等大型車輛追尾碰撞時(shí)容易產(chǎn)生短路、漏電，甚至電池起火。為了提升和評(píng)估純電動(dòng)客車尾部結(jié)構(gòu)防護(hù)效果，文章采用卡車以100%和30%重疊率追尾電動(dòng)客車的仿真方法分析了客車尾部結(jié)構(gòu)變形，并設(shè)計(jì)了吸能結(jié)構(gòu)、碰撞傳力結(jié)構(gòu)改善電動(dòng)客車尾部碰撞安全性。從仿真分析結(jié)果來(lái)看，客車尾部結(jié)構(gòu)的變形量顯著減小，純電動(dòng)客車尾部動(dòng)力電池、高壓配電盒等高壓零部件被擠壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)降低。

純電動(dòng)客車；尾部碰撞；吸能結(jié)構(gòu)；動(dòng)力電池

近年來(lái)純電動(dòng)客車在我國(guó)大中小城市迅速普及，已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌üぞ?。由于客車質(zhì)量大，搭載的動(dòng)力電池電量也較高，電池箱一般布置在前后軸中間的乘客艙下部、車輛尾部、頂部等，整車控制器、高壓配電盒等高壓零部件常布置在尾部艙體內(nèi)。一旦發(fā)生側(cè)面、尾部碰撞等安全事故，會(huì)造成高壓零部件和動(dòng)力電池?cái)D壓損壞，產(chǎn)生短路、漏電、起火、爆炸等危險(xiǎn)情況，危及車內(nèi)的乘客[1]。為了提升電動(dòng)客車安全性，2016年工信部組織制定了《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》，并于2020年5月正式發(fā)布了《電動(dòng)客車安全要求》（GB 38032－2020）。在碰撞安全性方面，參考乘用車側(cè)面碰撞安全性試驗(yàn)方法，要求電動(dòng)客車最薄弱位置應(yīng)滿足950 kg移動(dòng)變形壁障碰撞后不起火、不爆炸[2-3]。在純電動(dòng)客車碰撞安全性研究方面，王震坡等[4]采用仿真分析的方法對(duì)純電動(dòng)客車的側(cè)面碰撞安全性進(jìn)行了研究，指出了電池艙門骨架剛度小、電池模塊固定能力差、碰撞區(qū)側(cè)圍骨架緩沖吸能能力弱等是影響側(cè)碰電池安全性的主要因素；胡付超等[5]根據(jù)《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》要求，針對(duì)某12 m純電動(dòng)城市客車側(cè)面碰撞安全性進(jìn)行了仿真分析和改進(jìn)研究；郭慧[6]采用碰撞相容性方法研究了乘用車追尾純電動(dòng)公交事故，并提出了純電動(dòng)客車尾部電池箱防護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。以上研究主要針對(duì)乘用車與電動(dòng)客車側(cè)面和尾部碰撞事故，而電動(dòng)客車在?？空?、正常運(yùn)行過(guò)程中被卡車、公交車等大型車輛追尾起火的事故時(shí)有發(fā)生，采用乘用車追尾客車評(píng)價(jià)方法不足以覆蓋卡車、公交車追尾公交車事故，如何評(píng)價(jià)純電動(dòng)客車后部遭受卡車、客車碰撞中高壓零部件的安全性已成為客車行業(yè)的一個(gè)難題。

本文結(jié)合某8 m純電動(dòng)客車特點(diǎn)，提出了采用10 t卡車有限元模型以100%和30%重疊率追尾碰撞客車的仿真分析評(píng)價(jià)方法，并設(shè)計(jì)了客車尾部吸能結(jié)構(gòu)和傳力結(jié)構(gòu)，有效改善了尾部被撞時(shí)高壓零部件的安全性，為純電動(dòng)客車尾部碰撞安全性改善提供了參考。

1 客車尾部碰撞工況建立

純電動(dòng)客車為提高其續(xù)航能力，布置有較多動(dòng)力電池箱，為了不影響乘員艙空間，尾部一般會(huì)集中布置部分動(dòng)力電池、控制器、高壓配電盒等高壓零部件。當(dāng)被其他車輛追尾時(shí)，容易引起高壓線束擠壓破損，電池箱、控制器擠壓變形，導(dǎo)致短路、漏電、起火等事故。結(jié)合近年網(wǎng)絡(luò)媒體的公開報(bào)道，分析多起純電動(dòng)客車被卡車、公交車等大車追尾起火的事故，從事故碰撞位置來(lái)看，可以分為全寬追尾碰撞和偏置追尾碰撞。全寬追尾碰撞是兩車參與碰撞部件多，重疊率接近100%的事故類型；偏置追尾碰撞是兩車部分部件參與碰撞變形的事故類型，典型事故如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)客車被追尾事故

1.1 純電動(dòng)客車有限元模型建立

本文以某8 m純電動(dòng)客車為研究對(duì)象，根據(jù)車輛幾何模型，利用HyperMesh軟件建立有限元模型，主要包括骨架、車架、電池箱體、控制器外殼、后艙門等。車身型材、板材采用殼單元，單元尺寸控制在10 mm左右，型材接頭部位通過(guò)共節(jié)點(diǎn)或剛性單元進(jìn)行連接。實(shí)車骨架材料主要為QSTE700、510L、Q235三種常用鋼材，仿真分析采用24號(hào)MAT_PICEWISE_LINEAR_PLASTI- CITY材料本構(gòu)模型。電池箱、高壓盒、電動(dòng)空壓機(jī)等高壓部件簡(jiǎn)化為空殼，不考慮其材料特性和接觸特性，僅用來(lái)測(cè)量仿真中其他結(jié)構(gòu)是否侵入到其結(jié)構(gòu)空間內(nèi)（產(chǎn)生擠壓）。模型整備質(zhì)量為 6 850 kg，空載重心位置均與實(shí)車一致，整車有限元模型如圖2(a)所示。尾部高壓零部件如圖2(b)所示，電動(dòng)空壓機(jī)位于后部車架中間，左右兩個(gè)電池箱位于后段中部，高壓配電盒位于左側(cè)電池箱上部。

圖2 某8 m純電動(dòng)客車有限元模型

1.2 碰撞車輛有限元模型

目前，在國(guó)內(nèi)外的碰撞法規(guī)中還沒(méi)有針對(duì)客車后碰撞臺(tái)車的相關(guān)規(guī)定，乘用車后碰的臺(tái)車質(zhì)量?jī)H有1 100 kg[7]，不適合模擬客車、貨車等大型車輛。本文選擇米蘭理工大學(xué)ANGHILERI等建立的某載貨汽車模型作為碰撞車輛，并將其配重至10 t，與電動(dòng)客車最大載重質(zhì)量接近，如圖3所示。

圖3 碰撞車輛有限元模型

1.3 分析工況

《中國(guó)汽車行駛工況第2部分：重型商用車輛》（GB/T38146.2－2019）提出了我國(guó)貨車（車輛總質(zhì)量＞5 500 kg）在市區(qū)和城郊的運(yùn)行速度標(biāo)準(zhǔn)工況，市區(qū)和城郊的平均速度分別為5.13 km/h和31.28 km/h[8]，因此，選擇30 km/h作為貨車碰撞速度，電動(dòng)客車為靜止?fàn)顟B(tài)。

全寬追尾碰撞采用卡車與客車中心線一致的100%重疊追尾。偏置追尾碰撞相對(duì)更加復(fù)雜，為了考核客車左后部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用30%客車尾部車寬重疊率，此時(shí)客車縱梁后部不參與碰撞變形，貨車縱梁與客車左后結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，對(duì)客車左后部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求相比其他重疊率更高。

基于以上分析，分別建立10 t卡車100%和30%重疊率追尾碰撞某8 m純電動(dòng)客車分析工況，碰撞速度均為30 km/h，碰撞初始動(dòng)能為347 kJ，如圖4所示。

圖4 追尾碰撞仿真分析工況

選取兩種工況碰撞后車體結(jié)構(gòu)與高壓配電盒、電池箱、電動(dòng)空壓機(jī)等的距離作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，要求碰撞后關(guān)鍵高壓零部件不受擠壓，如表1所示。

表1 追尾碰撞中尾部高壓部件安全距離要求 單位：mm

100%重疊工況30%重疊工況 高壓配電盒安全距離≥0≥0 電池箱安全距離≥0≥0 電動(dòng)空壓機(jī)安全距離≥0≥0

2 100%重疊追尾碰撞分析及改進(jìn)

2.1 原狀態(tài)分析

客車原狀態(tài)被卡車100%重疊追尾碰撞后，高壓艙變形如圖5所示。貨車車架及橫梁離地高度在700～1 000 mm范圍內(nèi)，與客車尾部電池箱下部和固定結(jié)構(gòu)處在同一高度。由于沖擊力較大，客車尾部部分車架、骨架型材被撞擊出現(xiàn)斷裂，侵入到高壓配電盒、轉(zhuǎn)向油罐、電動(dòng)空壓機(jī)、電動(dòng)空壓機(jī)空濾器等結(jié)構(gòu)空間內(nèi)部，意味著在真實(shí)碰撞中這些部件將會(huì)受到碰撞擠壓，損壞風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖5 原狀態(tài)100%重疊追尾碰撞變形示意圖

2.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

采用碰撞幾何相容性設(shè)計(jì)思路，在客車尾部離地高度700～1 000 mm范圍內(nèi)合理設(shè)計(jì)客車后部吸能結(jié)構(gòu)及車架力傳遞結(jié)構(gòu)，與貨車車架及橫梁結(jié)構(gòu)持平，如圖6(a)所示。吸能結(jié)構(gòu)包括左右兩個(gè)吸能器和橫板，傳力結(jié)構(gòu)包括橫梁和斜撐，如圖6(b)所示。通過(guò)吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量、緩沖碰撞強(qiáng)度，車架傳力結(jié)構(gòu)向其他結(jié)構(gòu)傳遞和分散碰撞力，確保高壓零部件不被擠壓。通過(guò)多輪優(yōu)化分析，吸能結(jié)構(gòu)吸能量達(dá)到45 kJ時(shí)，可以保證后部電池箱、轉(zhuǎn)向油罐、電動(dòng)空壓機(jī)、電動(dòng)空壓機(jī)空濾器等部件不會(huì)受到擠壓。

圖6 100%重疊追尾碰撞改進(jìn)方案

2.2.1吸能器設(shè)計(jì)

汽車吸能器設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)整車要求確定截面型式、材料、壁厚等參數(shù)。常用的截面型式有正方形、田字型、圓形、多邊形、嵌套等，吸能器材料有鋼材、鋁合金、復(fù)合材料等[9-10]。本文根據(jù)客車尾部的空間尺寸，考慮到鋁合金在變形吸能過(guò)程中的壓潰力更加穩(wěn)定、沒(méi)有材料失效的特點(diǎn)[11]，采用6063P鋁合金擠壓成型的“田字型”吸能器。吸能器截面尺寸為110 mm×80 mm；四周壁厚為4.0 mm；內(nèi)部“十字形”肋板厚度為 3.5 mm。吸能器4條棱邊及每個(gè)平面中心處開有圓形誘導(dǎo)孔，半徑為8 mm，使吸能器按照“手風(fēng)琴”模式變形，并降低初始?jí)簼⒘Ψ逯?，吸能器本體型材在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下平均壓潰力為300 kN左右，如圖7－圖8所示。

圖7 “田字形”吸能器

圖8 吸能器壓潰變形和壓潰力

2.2.2吸能器臺(tái)架碰撞驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述方案中吸能器能否產(chǎn)生穩(wěn)定的軸向壓潰變形，以及傳力支撐結(jié)構(gòu)能否支撐吸能器變形，打制如圖6(b)所示的尾部框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。碰撞試驗(yàn)采用剛性表面臺(tái)車撞擊固定臺(tái)架的方法，其中臺(tái)車質(zhì)量為690.5 kg，前部剛性表面高度為400 mm，寬度為1 490 mm。為保證試驗(yàn)中吸能結(jié)構(gòu)能夠吸收45 kJ左右的能量，考慮到碰撞過(guò)程中的能量耗散，將碰撞臺(tái)車速度設(shè)定為45 km/h，碰撞能量約為55 kJ。為了便于試驗(yàn)，將尾部框架進(jìn)行上下倒置，如圖9(a)所示。

碰撞試驗(yàn)后，左右兩側(cè)吸能器均能產(chǎn)生正常軸向壓潰式變形，左側(cè)吸能器變形量為75 mm，右側(cè)吸能器變形量為65 mm，變形模式與仿真分析中一致；傳力結(jié)構(gòu)保持原狀態(tài)，無(wú)明顯的彎曲和軸向壓潰變形，如圖9(b)所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，碰撞吸能結(jié)構(gòu)有效變形，吸收碰撞能量，傳力結(jié)構(gòu)可以保證吸能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向壓潰變形。

圖9 臺(tái)架碰撞試驗(yàn)

2.3 改進(jìn)效果

對(duì)原狀態(tài)及優(yōu)化后的客車進(jìn)行100%重疊追尾碰撞仿真分析，尾部高壓零部件與周圍結(jié)構(gòu)安全距離對(duì)比如表2所示?？蛙囋瓲顟B(tài)碰撞中高壓配電盒受到侵入，侵入量42 mm，優(yōu)化后安全距離達(dá)到63 mm；電池箱安全距離由25 mm提升到 97 mm；電動(dòng)空壓機(jī)安全距離從-33 mm提升到 37 mm，有效保證高壓零部件不受擠壓，降低了漏電、短路風(fēng)險(xiǎn)。

表2 100%重疊追尾碰撞尾部高壓部件安全距離對(duì)比 單位：mm

原結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu) 高壓配電盒安全距離-42（侵入）63 電池箱安全距離2597 電動(dòng)空壓機(jī)安全距離-33（侵入）37

3 30%偏置追尾碰撞分析及改進(jìn)

3.1 原狀態(tài)分析

按照100%重疊追尾碰撞優(yōu)化改進(jìn)后的方案，進(jìn)行30%重疊追尾碰撞工況進(jìn)行仿真分析，客車后部電池箱安裝層骨架強(qiáng)度較低，產(chǎn)生彎曲變形，變形量約250 mm；后圍結(jié)構(gòu)侵入電池箱125 mm，侵入高壓盒140 mm，而電動(dòng)空壓機(jī)由于位于車架中間從而未受到碰撞，尾部結(jié)構(gòu)碰撞變形如圖10所示。未受到碰撞的主要原因是100%重疊追尾碰撞優(yōu)化改進(jìn)方案增加的吸能和傳力結(jié)構(gòu)布置在車架中部，但是在30%重疊追尾碰撞工況中起不到吸能效果。

圖10 原狀態(tài)30%重疊追尾碰撞變形

3.2 改進(jìn)方案及分析

根據(jù)原狀態(tài)30%重疊碰撞仿真分析結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善，在電池底部安裝層骨架增加傳力結(jié)構(gòu)，使碰撞力向中間主桁架傳遞，降低電池艙體局部變形。同時(shí)對(duì)后圍立柱型材加強(qiáng)，降低后圍骨架變形，如圖11所示。

圖11 30%重疊追尾碰撞改進(jìn)方案

改進(jìn)前后的30%重疊追尾碰撞仿真分析結(jié)果對(duì)比如表3所示。電池安裝層骨架最大變形量由250 mm下降到45 mm；高壓配電盒安全距離由-140 mm提升到5 mm；電池箱安全距離由-125 mm提升到60 mm。保證這兩個(gè)高壓部件不受變形結(jié)構(gòu)擠壓損壞，尾部車體結(jié)構(gòu)變形情況如圖12所示。

表3 30%重疊追尾碰撞尾部高壓部件安全距離對(duì)比 單位：mm

原結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu) 高壓配電盒安全距離-140（侵入）5 電池箱安全距離-125（侵入）60

圖12 優(yōu)化后30%重疊追尾碰撞結(jié)構(gòu)變形

4 結(jié)論

1）結(jié)合常見(jiàn)事故類型建立了10 t卡車以 30 km/h速度100%和30%重合率追尾碰撞某8 m純電動(dòng)客車碰撞仿真分析模型，并采用碰撞幾何相容性的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

2）針對(duì)100%重疊碰撞，設(shè)計(jì)了“田字形”吸能結(jié)構(gòu)和傳力結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵部件安全距離增加70～105 mm；針對(duì)30%重疊碰撞，設(shè)計(jì)了傳力結(jié)構(gòu)和立柱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵部件安全距離增加了145～185 mm，有效保護(hù)純電動(dòng)客車后部電池箱、高壓盒、電動(dòng)空壓機(jī)等高壓零部件不被擠壓。

本文的客車尾部碰撞安全性仿真分析方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案為純電動(dòng)客車尾部安全性改善提供了參考。

[1] 曹立波,童俊,鄧群,等.混合動(dòng)力客車高壓電安全性能研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(4):42- 46.

[2] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.工業(yè)和信息化部關(guān)于進(jìn)一步做好新能源汽車推廣應(yīng)用安全監(jiān)管工作的通知[EB/OL].(2016-11-15)[2023-01-02].https:// www.miit.gov.cn/zwgk/zcwj/wjfb/zbgy/art/2020/art_7d72a420ded343f69087f4fcbd833e19.html.

[3] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.電動(dòng)客車安全要求:GB 38032－2020[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2020.

[4] 王震坡,王越.純電動(dòng)客車側(cè)碰撞有限元建模及仿真分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(3):266-270.

[5] 胡付超,王波,林偉,等.純電動(dòng)城市客車動(dòng)力電池安全防護(hù)碰撞仿真分析與改進(jìn)[J].客車技術(shù)與研究, 2017,39(5):26-28.

[6] 郭慧.純電動(dòng)公交車與乘用車追尾碰撞相容性研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[7] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求:GB 20072－2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[8] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.中國(guó)汽車行駛工況第2部分:重型商用車輛:GB/T 38146.2－2019[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2019.

[9] 劉中華,程秀生,楊海慶,等.薄壁直梁撞擊時(shí)的變形及吸能特性[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2006,36(1): 25-30.

[10] LU G X,YU T X.Energy Absorption of Structures and Materials[M].New York:CRC Press LLC,2003.

[11] 崔崇楨.全承載客車正面碰撞吸能器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].汽車工程學(xué)報(bào),2021,11(6):427-433.

Design of Safety Protection Structure of Pure Electric Bus in Rear End Impact

CUI Chongzhen, LI Jianping

( Yutong Bus Company Limited, Zhengzhou 450001, China )

Power battery packs, vehicle control unit and power distribution unit of pure electric bus are always located at its rear end. Short circuit, leakage of electricity and fire would occur when the rear end of pure electric bus is impacted by truck or bus. In order to improve and evaluate the protection effect of pure electric bus rear end structure, the simulation method of rear impact by truck with 100% and 30% overlap is used to analyze the rear end structure deformation of electric bus. The energy absorption structures and impact force transfer structures are designed to improve electric bus safety in rear end impact. The simulation results show that the deformation of bus rear ear structures and the damage risk of battery packs, power distribution unit of pure electric bus are decreased obviously.

Pure electric bus; Rear end impact; Energy absorption structures; Power battery

U469.13

A

1671-7988(2023)18-56-06

崔崇楨（1984－），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚢踩夹g(shù)，E-mail:155137791@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.012