燃料電池轎車碰撞結構安全設計的研究*

黃偉科，何 健

(上海汽車集團股份有限公司新能源汽車事業部，上海 201804)

前言

燃料電池汽車使用氫氣作為能源，最終排放的是清潔的水，在節約石油資源和保護環境方面都體現出了相當的優越性，因此被視為下一代汽車的一種主要解決方案［1］。燃料電池轎車與傳統內燃機轎車相比，在整車動力系統和布置上有很大的差異，因此其整車結構須作相應的調整，其設計思路和驗證方法都要進行針對性的研究。研究燃料電池轎車碰撞結構安全設計是其安全性研究的重要組成部分。本文中借助有限元碰撞模擬分析方法，通過某燃料電池轎車開發過程中的設計方案和驗證結果，對有限元碰撞模擬方法進行了研究和總結。

1 碰撞結構安全設計

某型燃料電池轎車選用已經上市的中高檔內燃機轎車作為平臺車型，在其基礎上進行改制設計而成，取消了原車前艙布置的發動機和變速器等機構，取而代之的是燃料電池動力系統相關的部件，分別被布置在整車的前、中和后部，見圖1。從圖1可見，相對傳統的內燃機轎車，整車布置有明顯的變化。

整車碰撞結構安全設計的原則是:確保在碰撞過程中和碰撞之后，乘員的人身安全不受影響，車上涉及安全的部件不遭破壞。

1.1 結構安全設計思路

該燃料電池轎車的燃料電池動力系統和內燃機系統相比，其質量和體積都增加了，使整車的質量、質心位置和轉動慣量特性都發生了較大的變化，當車輛碰撞后，可能會產生對安全更為不利的變形。為確保整車結構的剛、強度，除盡量保證車身主體結構不發生破壞外，還須適當加強整車的結構。為滿足燃料電池動力系統零部件的布置和安裝要求，對部分區域須進行修改或重新設計，確保該區域和整體的剛、強度能夠滿足要求。在碰撞結構安全的設計過程中，除了關注原車結構件的性能表現外，還須重點關注新設計的結構件的性能［2］。

下面按整車的前、中和后部來具體介紹該燃料電池轎車結構的安全設計。

1.2 前部結構安全設計

燃料電池轎車車身前部布置了燃料電池系統、電驅動系統、動力管理系統和其他輔助系統，其整體質量大于原車發動機和變速器的質量，因原車前部車身結構的強度較好，故對其未作大的更改，僅在前懸架支撐上做了局部加強，并增加了部分零件的安裝支架。同時，前艙的燃料電池動力系統集成化和模塊化程度較高，整體固定在前副車架上，方便拆裝和調試。為保證承載可靠，選擇了其他車型的一個前副車架，并經CAE輔助設計，對它進行了修改，形成了全新的前副車架(見圖2)，用來替換原車副車架。

1.3 中部結構安全設計

燃料電池轎車中部的車身地板下方布置了雙向DC/DC和高壓動力蓄電池，如圖3所示。根據這兩個主要總成部件及相關系統的布置情況，對該區域的地板做了改制和加強設計。其中包括:修改地板結構形狀以適應部件的布置;增加中央通道的加強橫梁，并與座椅橫梁連接后形成一條橫向的脊梁以提高整車在側面碰撞時的耐撞性;后座底部的動力蓄電池區域增加了前后兩根橫貫車身的橫梁，分別連接中后地板橫梁的兩端以及左、右后縱梁，與其形成一個框架結構。這些結構梁的組合對整車發生側面碰撞時，保證結構的完整性有較大的幫助。

1.4 后部結構安全設計

燃料電池轎車后部區域由于布置了氫氣儲存系統，和原車身結構產生大面積干涉，因此原車型后地板的連接板與加強板和備胎艙必須拆除，同時根據氫氣儲存系統的位置與整體結構的剛、強度要求，設計了新的后地板，如圖4所示。另外，考慮到后懸架的質量增加較多，在后輪罩的后懸架支撐區域須做局部加強［3］。

因考慮到后部碰撞對氫瓶的影響，在車身后圍和儲氫系統之間還增加了防撞梁結構(見圖5)，當受到后部碰撞時，防撞梁能夠幫助有效地吸收碰撞能量，以免氫瓶和含有氫氣的輔助系統受到超出限度的傷害［4］。

2 碰撞結構安全評價

由于實車碰撞試驗代價過于昂貴，故本文中主要采用軟件模擬來驗證樣車的碰撞安全性。由于資源和時間有限，設置假人模型會對整個計算過程增加很多工作量，因此，暫時采用不含假人的燃料電池轎車模型進行碰撞模擬，僅通過結構變形造成的對乘員空間的影響以及一些參考點的加速度值來判斷其是否滿足碰撞安全要求。

在對該車的碰撞安全評價過程中，除按國標要求選擇前撞、側撞和后撞3種碰撞工況外，還按歐洲ECE R94標準進行了40%偏置可變形壁障碰撞(40%ODB)，作為評價碰撞安全的參考。

2.1 40%偏置可變形壁障碰撞(40%ODB)和100%剛性固定壁障碰撞(100%RB)

40%ODB是按歐洲ECE R94標準進行，車輛以56km/h的速度和可變形壁障發生正面40%偏置碰撞。100%RB是按國標GB11551—2003進行，車輛以48km/h的速度和剛性壁障發生碰撞。圖6分別為兩種碰撞情況下模型的整體變形狀態。

從圖6可看出，整車的結構，尤其是乘員艙的結構并沒有遭受到致命性的破壞;修改后的乘員艙地板、前副車架和后地板結構也表現出良好的性能，雖然部分區域發生永久的塑性變形甚至破裂，但基本上沒有發生嚴重的破壞，從而導致車身發生影響乘員安全的整體性結構損壞。因此，包括幾處修改區域在內的整車結構能夠滿足100%RB和40%ODB的安全要求。

通過觀察前圍板上設定區域的變形量，可發現乘員艙前排乘員乘坐空間受壓縮情況，并對前排乘員安全狀況加以判斷。碰撞過程中，B柱下端和中央通道處的減速度值一定程度上代表了乘員的減速度值。當減速度過高時，會導致乘員的內部身體器官受到傷害。因此，選擇B柱下端和中央通道處的減速度作為檢測項目［5］。

2.2 側面碰撞

側面碰撞按國標 GB20071的要求進行，以950kg的前部可變形小車側面偏27°撞擊模型左側R點。通過觀察碰撞后模型的整體變形狀態可看出，新設計的地板表現出了較好的耐撞性，地板區域未發生嚴重的變形和斷裂。

圖7為側面碰撞過程中，左側圍上的點到整車橫向中心平面(Y=0)的距離，即車身發生碰撞后乘員的殘余空間。若低于500mm則表示會對坐在左側的乘員造成傷害。從圖7可看出，最小距離為513mm，超過500mm的安全距離要求，說明該燃料電池轎車滿足整車側面碰撞對人身安全的要求。

2.3 后部碰撞

后部碰撞按國標GB20072的要求進行。考慮到后部安裝的儲氫系統的安全性，最后在GB20072的基礎上再增加20%的碰撞能量，用1 100kg的剛性小車模型以54.8km/h的速度撞擊模型后部。圖8為碰撞前后模型整體變形狀態，可看出乘員艙的主體結構沒有發生大的變形，儲氫系統也基本在原位，沒有侵入乘員艙，也未受到明顯的擠壓和碰撞。因此，該燃料電池轎車的設計基本滿足后部碰撞的結構安全要求。

綜上所述，對于前排乘員的人身安全保護還存在缺陷，需要改進。

3 結構安全設計改進和評價

3.1 結構安全設計改進

經仿真分析，燃料電池轎車碰撞結構安全性能未完全達到要求的主要原因如下。

(1)前艙燃料電池動力系統部件質量較大，且因氫安全和高壓電安全的考慮，整體結構剛性較大，在有限元模型中大多以剛體形式表現，導致在碰撞過程中自帶能量較大卻不會發生變形，無法吸收碰撞能量，整體撞上前圍板并侵入乘員艙。

(2)前艙燃料電池動力系統部件體積較大，導致前艙布置異常緊湊，部件至前圍板和前端模塊的距離過小，僅有100mm左右，如圖9所示。按照經驗，最好能保證有250mm的距離。在碰撞過程中，前艙中這些大型剛體化的動力系統零部件造成了前艙可壓縮空間不足，從而前縱梁中間段整體變形也相應不足，無法吸收更多的碰撞能量，導致前艙零部件撞入乘員艙。

根據上述分析可看出，除非減少布置在前艙中燃料電池的零部件，或大幅減小零部件的體積并重新布置，否則問題無法徹底解決。但由于目前燃料電池動力系統在質量與體積方面的局限性，暫時無法做到。因此，只能在前艙動力系統零部件不變的前提下，通過其他的優化方法進行改善。

前縱梁是在前部碰撞中至關重要的部件，通過在100%RB模擬中，對前縱梁變形模式的觀察，發現前縱梁的變形主要集中在前部和后部，如圖10所示，而后部區域的變形加劇了前艙燃料電池動力系統對乘員艙擠壓。左/右前縱梁的變形量分別為249mm和254mm。

考慮到前艙可壓縮的空間有限，以及燃料電池轎車碰撞能量要大于原平臺車，因此，可在保證前縱梁變形量的前提下，適當增大前縱梁的剛、強度，使其變形時能夠吸收更多的能量，減少前艙中的動力系統部件對乘員艙的沖擊。縱梁剛、強度的增加可考慮放在后側變形區域(此處原縱梁上有一個明顯的角度變化，剛度相比前段稍弱)。這樣，主要變形區域就可轉移到前縱梁的前部和中部。具體的設計更改如圖11所示，分別在左/右前縱梁的后部內側增加一塊2.0mm厚度的加強板，以增加前縱梁主要是其后部的剛、強度。

3.2 評價驗證

燃料電池轎車按照相同的工況進行了100%RB和40%ODB的有限元模擬驗證，其改進前和改進后的碰撞結果見表1。

表1 改進前后100%RB和40%ODB乘員艙侵入量及加速度值對比

從表1可看出，通過對前縱梁的修改，在100%RB和40%ODB中，乘員艙的情況得到明顯的改善。基本上所有的超差指標已經得到改善，其中大部分指標已滿足要求，但還有部分未達到目標值。B柱的減速度值相對于改進前有一定的上升，這主要是由于前縱梁剛度的增加造成整車的剛度也相對增加了，在碰撞過程中，剛度越高，傳遞到后面的能量就越高，乘員所受的減速度值也越大。因此剛度并不是增加的越多越好。

在100%RB中，前縱梁的主要變形區域由前部和后部轉移到了前部和中部，這有助于減小對乘員艙的沖擊。另外在改進后的碰撞過程中，左/右前縱梁的變形量相對改進前也有所增加，達到262mm/279mm，分別增加了13mm/25mm，這說明碰撞過程中，前縱梁吸收了更多的碰撞能量，這也提高了乘員艙中的乘員安全系數。

盡管設計更改為整車碰撞結構安全性帶來明顯的改善，但許多區域還是沒有達到目標值，這為燃料電池轎車的乘員帶來了安全風險。事實上，由于前面所述原因的存在，在經過根據多種改制設計方案進行的碰撞模擬后發現，無法在現有的動力系統結構和布置前提下使整車的結構完全滿足碰撞安全要求。前部剛度增加的過多，使乘員在碰撞過程中的減速度超過身體的負荷。上述對前縱梁的修改方案是一個效果較好又簡單易行的方案。

4 結論

(1)燃料電池轎車碰撞能量較傳統轎車更大，因此在結構設計中要提高整車的剛度和強度，以保護乘員的人身安全。但過大的剛度容易導致碰撞時乘客有過大的減速度，反而對人體有傷害。

(2)由于前艙的動力系統是集成化和模塊化設計，且考慮到安裝維護方便，一般都會采取固定在前副車架上并一起安裝到車身上的方案，導致前副車架的承載能力要遠大于傳統的內燃機轎車，因此對副車架及其與車身的連接點必須進行加強設計。

(3)在前艙中，動力系統與前圍板和前保險杠橫梁之間的空間應保持有250mm的最小距離，以便留出足夠的前縱梁的潰縮距離，使其吸收盡可能多的碰撞能量。

(4)對于燃料電池轎車上一些特殊的與安全性有關的部件，如高壓蓄電池和氫瓶等，必須對其設計較為可靠的防護措施，對這些部件周圍的車身或者底盤結構做局部的加強設計，甚至可考慮做一些主動的吸能設計，確保這些安全部件在碰撞過程中不受影響。

(5)目前燃料電池轎車的碰撞安全性一般只能通過有限元仿真來進行驗證，無法利用實際的碰撞試驗對仿真結果作對比驗證，相信今后會逐步解決目前碰撞結構安全設計研究的局限性。

［1］黃偉科，朱平.燃料電池轎車整車碰撞氫安全評價方法［J］.機械制造，2010，48(3):32 －35.

［2］鄔誠君，王宏雁.基于虛擬碰撞試驗分析燃料電池轎車車身結構的安全性［J］.安全與環境學報，2006，6(1):33 －36.

［3］潘璠，朱西產，王大志，等.燃料電池轎車碰撞安全性仿真研究［J］.汽車工程，2008，30(11):1013 －1017.

［4］何健，萬黨水.燃料電池轎車氫瓶保護系統設計分析研究［J］.上海汽車，2008(7):19 －21.

［5］王曉蕾，馬建新，鄔敏忠，等.燃料電池汽車的氫安全問題［C］.2007機械工程全國博士生學術論壇，2007:219－221.