電動乘用車正面碰撞車體結構（鋰電池）耐撞性分析

曹景濤　陳西山　張慧芳

摘要：本文結合森源重工有限公司的電動乘用車項目，討論了其中某款電動轎車在艙室布置和質量分布方面的特點，有針對性地設計規劃了具有集中大質量塊的電動轎車的碰撞載荷路徑和正面碰撞變形區域，通過大量的CAE模擬分析，得出車身主要零部件在正面碰撞時對乘用空間的入侵量，計算結果表明：該設計達到了良好正面碰撞結構耐撞性能，保證了乘客的安全性。

關鍵詞：電動轎車；結構耐撞性；變形空間；入侵量

1引言

能源短缺、環境污染等問題促進世界各國新能源汽車的發展，在這個大環境下，國內各大汽車企業的積極開發新能源汽車，其中以電動汽車為主。森源重工有限公司自主品牌電動乘用車項目開發出多款電動乘用車，本文以自主研發的某車型底盤系統，采用純電動鋰電池動力系統、全新的車身與內外飾，將鋰電池包布置在底盤地下部，形成全新設計的電動乘用汽車。電動乘用車在整車布置、動力系統、儲能電池包、質量分布、等方面均與傳統內燃機動力乘用車具有有較大的差異。由于電動乘用車的電機、電池包等大質量塊近似于剛性體的存在，使得電動汽車的碰撞與傳統汽車不同，其設計成為一個新的難點。本文結合森源重工電動乘用車項目，針對純電動乘用車車型小、質量大、重心低的特點，以理論分析和概念設計方法，完成了正向的正面結構耐撞性設計，獲得了良好的結構耐撞性能，并形成適用于類似車型的設計方法。

2正面碰撞結構分析及有限元建模部件布置方式。

限于儲能要求和目前電池技術的限制，此純電動汽車儲能電池包的體積與質量要遠遠大于常規內燃機汽車。電動汽車需要布置一個大質量的儲能電池包，一般來說質量都會超過200kg，往往超過整車質量20%，遠超過內燃機汽車油箱的重量比例和混合動力汽車小型電池的重量比例。為充分利用車輛空間，這款電動汽車將儲能電池包布置在地板以下，整車重心比傳統內燃機車下移。同時，由于電動汽車沒有排氣系統，采用前輪驅動沒有傳動系統，所以沒有中央通道。電動機、減速機體積比內燃機小，由于電動機發熱降低，散熱器體積也相應減小。而新增的PEB有較高的抗震和電磁屏蔽要求，因此需要較厚的金屬外殼，這使它質量、體積較大，在碰撞中成為一個近似剛性體，占據了前艙上部的大量的可變形吸能空間。總體上，車輛中后部具有大集中質量的電動車的前碰撞變形空間非常緊張，為了獲得較好的碰撞性能，保證碰撞安全，必須充分利用前艙碰撞中緊湊的吸能空間。

此次分析采用CAE有限元軟件Hypermesh，薄壁件是乘用車車身的重要組成部分，如白車身、副車架、車身覆蓋件等。在分析之前需要進行網格劃分，對于薄壁件采用殼單元模擬格劃分。劃分網格太大將影響模擬精度，劃分網格太小將大大增加計算時間。根據實際要求和經驗，主要吸能部件網格劃分較為精細，尺寸劃分為10mm×10mm。由于電池包、電動機、減速器等近似剛體的存在，在實際碰撞中基本不發生變形，吸能也基本可以忽略不計，為簡化計算可以采用剛性單元進行模擬。此車白車身與覆蓋件連接形式主要是點焊和縫焊。共計劃分節點1652564個，單元數量1634990個。有限元模型如圖2所示。

根據GB11551-2003的要求，試驗車輛100%重疊正面沖擊剛性壁障，碰撞速度為50km/h，試驗速度不得低于50km/h；前在排乘用艙駕駛員和乘員位置各放置一個HybridⅢ50百分位男性假人，用以測量前排人員受傷害情況。分析過程中，根據碰撞標準，試驗車車速設定為50Km/h，碰撞方向設定為_X軸方向，進行正面100%重疊剛性碰撞，碰撞能量完全由試驗車車體吸收，計算碰撞時間100ms。

3耐撞性分析

3.1仿真結果可靠性分析

汽車碰撞過程中，由于實際試驗的不便性，計算機模擬仿真已成為汽車碰撞安全性能設計與改進的重要方法，保證模擬仿真結果的精確性和準確性是至關重要的，因此我們必須要確定分析結果的可靠性，只有準確的分析結果才有參考價值。

仿真分析碰撞過程中各能量變化曲線如圖3所示，根據曲線圖分析可以看出在碰撞過程中，沙漏能、內能、動能、總能量變化曲線均沒有出現劇烈波動，碰撞過程中沙漏能（5kJ），占總能量（136kJ）的比例為3.6%，這個比例遠遠小于標準值（根據規定小于5%即可），因此可以確定此次仿真分析模型建立是準確有效的，碰撞仿真結果可靠并且具有參考意義。

3.2碰撞結構耐撞性分析

3.2.1碰撞時B柱形變分析

通過分析碰撞時B柱速度、加速度、位移曲線可以直接反應車輛碰撞時主要吸能區域的變化以及碰撞時的車輛總體形變情況。B柱對汽車發生碰撞時成員的受傷程度有著直接影響，B柱內部的加強部分既不能過硬也不能過軟。因為B柱過硬會使能量傳遞到駕駛員身上，不能使能量通過車身和變形移動來很好的吸收能量，B柱過軟則會使其變形過大，對駕駛員造成傷害。

車輛進行正面碰撞時，吸能盒首先被壓潰，由B柱加速度曲線可以看出，25ms時B柱加速度曲線驟降，表明此時吸能盒吸能完成，此后車架開始變形吸能。車架變形首先由防撞梁、上邊梁開始，由碰撞能量變化曲線圖可以看出，此時B柱加速度保持在較高值并不斷增大，其加速度峰值出現在42ms處，此時吸能區部件吸能完成，整車乘用倉結構開始變形吸收能量。由B柱速度曲線可以看出，B柱形變過程均勻，無劇烈變化。

3.2.2車門門框變形量分析

碰撞結束后，為保證乘客安全，需要車門能夠正常開啟。車門的防撞性能也是評價汽車碰撞安全性的重要指標，車門能不能正常開啟（根據碰撞法規規定，碰撞結束后每排至少有一個車門可以正常打開），車門的變形量都是重要的數據指標。在碰撞仿真過程中，僅僅根據Hypermesh仿真數據確定車輛碰撞結束后，能否在國家標準規定的作用力下正常開啟車門是比較困難的，但可以通過對門框變形量的數值對其進行間接評價。

在正面碰撞過程中，門框主要受縱向沖擊力，門框的變形主要表現在出現縱向壓縮。門框的強度決定了車門會不會受到擠壓，當門框強度不夠，碰撞變形量達到一定程度時，門框就會與車門發生擠壓，使車門發生變形，輕度的變形問題不大，但是當車門變形比較嚴重時，就會使門框與車門卡死，同時車門變形量大也會對乘客造成傷害。

如圖6所示，取出門框上有代表性的測量點，分別測出測點A～K的最大變形量。

模擬碰撞門框變形量如圖7所示。

將門框變形量整理后與要求值對比如圖8所示。

3.2.3浸入量分析

隨著車體碰撞程度加大，乘用艙空間受到擠壓，倉內乘員會因身前圍板、方向盤、制動踏板、離合踏板等侵入乘用空間，受到擠壓發成接觸傷害。安全理想的車身結構應該保證在發生碰撞時，乘用空間不被擠壓，零部件不應該大面積侵入成員空間，各吸能部件應能均勻變形、充分吸能，碰撞力不能過分集中，應該均勻分散至車身各部位骨架，均勻變化，乘用空間變形量越小越好，盡可能的降低乘用艙空間的擠壓。前圍板、方向盤以及制動腳踏板的侵入量如圖9、圖10、圖11、圖12所示。

3.2.4電池盒應力及應變分析

由于電動乘用車儲能電池等大質量塊的質量要占到整車質量的20%以上，這里有很大的區別于傳統同內燃機車輛，因此需要對電池盒的應力及應變進行分析，保證車輛的安全可靠性。電池盒的應力及應變如圖13所示。

4結語

本研究以森源自主研發的電動乘用車項目為依托，根據GB11551-2003的要求，對設計車進行正面碰撞仿真分析，從分析結果可以看出：

（1）碰撞過程中總能量基本未發生變化。系統能量主要由動能、內能、沙漏能組成，且分布比較合理，沙漏能占比較小，處于合理范圍內，因此碰撞結果可靠有效；（2）B柱左側最大加速度：40.8g，B柱右側最大加速度：34.7g；（3）A柱發生變形，門檻前部發生變形；（4）前圍板最大侵入量約為：145mm（目標值<150mm）；（5）方向盤x向最大侵入量約為：42mm（目標值<127mm，方向盤z向最大侵入量約為：40mm（目標值<100mm）；（6）制動踏板最大侵入量約為：46mm（目標值<200mm）；（7）碰撞過程中電池盒塑性應變為0.04，小于許用應變。根據分析結果顯示，此款車型正面碰撞具有較好的結構耐撞性，滿足安全需要。