增程式純電動汽車后碰撞安全性仿真和試驗研究

蘇忠根 龍江啟 周斯加

1.溫州大學甌江學院，溫州，325035 2.溫州大學，溫州，325035

0 引言

增程式純電動汽車（extended ranged electric vehicle，E－REV）是一種新型的純電動汽車結構模式，其本質是一款帶有增程器（range extender，RE）的純電動汽車。當車載動力電池電量充足時，汽車以純電動模式行駛；當動力電池電量不足時，增程器開始工作，給動力電池充電或者直接驅動電機工作，這樣就大大提高了電動汽車的續(xù)駛里程，同時解決了純電動汽車對基礎充電設施過度依賴的問題，使得電動汽車可以像常規(guī)汽車一樣適應市場化的要求。

與混合動力電動汽車（hybrid electric vehicle，HEV）相比，E－REV擺脫了對發(fā)動機控制技術和自動變速器控制技術的依賴，增程器只用來發(fā)電且不受工況的限制，只需要控制發(fā)動機工作在特定的高效率點，因而控制簡單且實現(xiàn)了發(fā)動機效率最大的優(yōu)化。由于不需要傳統(tǒng)的變速器，只需要固定傳動比的減速器傳遞動力，因此極大地簡化了驅動控制方式［1］。E－REV在動力電池電能充足的時候可以實現(xiàn)純電動行駛，真正做到零排放；當電池電量耗盡時，內燃機又可以帶動增程器工作，避免了純電動汽車動力電池電量耗盡時動力性喪失的缺陷，駕駛員可以安心從容地駕駛。

由于E－REV的結構明顯有別于常規(guī)汽車，因此E－REV的被動安全性也明顯有別于常規(guī)汽車［2］。本文主要針對國內某款E－REV的結構特點，運用有限元仿真技術，進行針對性的分析和研究［3－4］，并優(yōu)化結構布置方案，對于可能的危害性能最大的后碰撞安全性進行實車碰撞研究，以此來驗證和研究E－REV后碰撞的結構安全性。

1 E－REV的基本結構

E－REV的基本結構如圖1所示。

本文研究的對象是國內某款B級原型乘用車基礎上改制成的E－REV。為保證E－REV純電動驅動模式下續(xù)駛里程超過50km的要求，動力電池箱總能量至少要超過13kW·h。原型乘用車是一款量產車型，因此E－REV的整車結構不可能有太大幅度的修改，只能在原型車的基本車架結構上進行最小范圍的改造，使得EREV盡可能共用原型車的量產自動化生產線實現(xiàn)共線生產。經過反復調整和計算，E－REV動力電池箱分成兩個小的電池箱，電池箱1布置在車輛后排座椅和行李箱之間，電池箱2布置在原型車備胎池位置，備胎和隨車工具取消。

圖1 E－REV基本結構

相比原型車，E－REV車輛后備箱增加了控制器2、DC/DC、充電機和動力電池箱等部件，考慮到新增零部件的散熱要求，在行李艙和車身后地板下部增加設計有相應的冷卻風道和水管。新增零部件的增加極有可能影響到E－REV后碰撞安全性，因此對于該E－REV的后碰撞安全性展開研究是非常必要的。

2 E－REV有限元模型的建立

相比原型車，該款E－REV發(fā)動機艙變化不大，去除了發(fā)動機、變速器、發(fā)電機、飛輪和皮帶輪等裝置，增加了增程式發(fā)動機、電機、減速器和控制器1等裝置，前軸質量沒有太大變化，因此前懸基本上沒有改動，與碰撞性能有關的縱梁和副車架也基本上保留原貌；后懸和車身后地板變化較大，僅13kW·h的動力電池箱就增加了將近220kg的質量，因此對于車身后地板的結構和后懸重新進行了設計調整，這樣，E－REV的后碰撞安全性就有可能受到重大影響，鑒于此，本文重點研究E－REV的后碰撞安全性。

有限元分析模型前后處理器選用OASYS，求解器選用LS－DYNA。

E－REV車輛的后備箱有限元分析模型如圖2所示。

圖2 E－REV后備箱有限元分析模型

2.1 車身后地板結構

該款E－REV的控制器1和DC/DC都安裝在車身后地板的縱梁上，總質量約16kg，動力電池箱1約重100kg，放置在車身后地板位置。車身后地板和左右后輪罩料厚0.85mm，在工況惡劣的情況下，受到動力電池箱1的影響，車身后地板和左右后輪罩結合處焊接邊位置的交變應力比較大，有可能超過鈑金件的屈服強度，最終導致疲勞開裂，車輛無法通過綜合耐久試驗。因此在后懸安裝面和后地板之間增加了一個厚度2.0mm的U形加強板，并且將車身后地板抬高22mm，并在兩邊縱梁之間增加焊接了一個厚度2.0mm的加強橫梁用于安裝放置動力電池箱1，如圖3所示。

圖3 車身后地板和輪罩加強板示意圖

動力電池箱2約重120kg，放置在原本不需要承受太大重量的備胎池位置，因此需要對備胎池位置的后地板位置進行針對性的加強。在備胎池中部和靠近后保險杠的方向增加焊接2個平行的U形異形加強梁，用來限制后碰撞過程中動力電池箱2的X方向的位移，兩個U形加強橫梁均選用厚度2.0mm的鈑金制作，Z方向抬高10mm的距離。

2.2 動力電池保護系統(tǒng)

動力電池保護系統(tǒng)分為兩個部分：一部分是電氣安全保護系統(tǒng)，另外一部分是結構安全保護系統(tǒng)。電氣安全保護系統(tǒng)采用高壓互鎖回路系統(tǒng)，并增設碰撞開關用來切斷碰撞過程中的整個高壓車載電路；結構安全保護系統(tǒng)則在電池箱體結構上進行針對性的設計，保護動力電池箱在后碰撞沖擊過程中電池箱體不會發(fā)生太大的變形導致電池泄漏等可能的安全隱患。

2.2.1 高壓互鎖回路系統(tǒng)（HVIL）

按照GB/T 19751－2005混合動力電動汽車安全要求［5］和ISO 16750道路車輛的要求，在該款E－REV上專門設計了HVIL回路，將碰撞開關串聯(lián)在整個HVIL回路里面，并安裝在后碰撞試驗中后備箱碰撞加速度比較敏感的位置，用于碰撞過程中及時切斷整個高壓車載電路，以免發(fā)生可能的觸電危險。

2.2.2 動力電池結構安全系統(tǒng)

為防止動力電池箱1在后碰撞過程中沖擊后排座椅甚至沖入乘員艙，在原型車后排座椅擋板上增加焊接兩根加強縱梁，同時為了限制動力電池箱在碰撞過程中的X向位移，在電池箱底部的加強橫梁上增加了定位裝置，并設計了電池箱固定支架將電池箱固定在后備箱兩根縱梁上，以限制電池箱沖擊過程中可能發(fā)生的Z向位移。

為防止放置在備胎池中的動力電池箱2在后碰撞沖擊過程中，電池箱體靠近后保險杠位置的部分損壞導致電池電解液泄漏，在動力電池箱2箱體靠近后保險杠方向設計了專門的防撞保護結構，這樣，在后碰撞沖擊發(fā)生時，防撞保護結構可以有一定的潰縮量并吸收掉大部分的沖擊慣量，以防止電池箱體直接受到沖擊而破損，保護動力電池。同時在兩個動力電池箱之間增加了橡膠隔阻裝置，防止動力電池箱2在后碰撞沖擊過程中X向移動時直接擠壓到動力電池箱1，造成不可預料的危險，最終導致不能通過GB 20072－2006的試驗要求［6］。

這樣一來，就可以將動力電池箱1和2、控制器2、DC/DC和充電機模型定義為剛體模型，合理簡化E－REV后備箱有限元模型，進行仿真計算分析。

3 后碰撞安全性防護結構仿真計算

3.1 GB15083仿真試驗

首先參照GB 15083－2006汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法（附錄F部分）的要求進行仿真計算［7］。碰撞后的要求如下：①后排座椅及其鎖止機構必須保持在原來位置；②座椅靠背變形后不超過距離R點前方100mm平面；頭枕不超過R點前方150mm平面（中間扶手不作要求）。

E－REV的車身和安裝固定支架的材料全部選用鋼材，其彈性模量為211GPa，密度為7.85g/cm3，泊 松 比 為 0.3，材 料 屈 服 極 限 為340MPa；玻璃粘膠彈性模量為4MPa，密度為1.3g/cm3，泊松比為0.4；加油口蓋粘膠彈性模量為4MPa，密度為1.6g/cm3，泊松比為0.4；后擋風玻璃［8］彈性模量為70GPa，密度為2.5g/cm3，泊松比為0.22。建立E－REV有限元分析數(shù)學模型，利用LS－DYNA進行分析計算。以上仿真模型的材料參數(shù)均來自于該款E－REV原型車的試驗數(shù)據(jù)。

利用上述數(shù)據(jù)建立的原型車仿真分析模型仿真計算的結果與原型車行李艙后碰撞試驗結果如表1所示，可見，仿真模型的計算結果和試驗值非常接近，仿真模型具有良好的準確性，可以用來作為分析和指導優(yōu)化改進設計方案的參考。

表1 原型車仿真計算模型和試驗數(shù)據(jù)對比 mm

仿真分析結果表明，E－REV在行李箱沖擊仿真試驗中，后排座椅鋼絲缺乏Z向定位，在沖擊過程中鋼絲沿著后排座椅固定支架面滑脫，支架在后排座椅鋼絲的帶動下繞支架焊接邊旋轉變形，這樣，在行李箱后沖擊試驗中，后排座椅鋼絲和固定支架分別由原位置運動到了沖擊中的圖4虛線所示的座椅鋼絲沖擊中的位置和座椅支架沖擊中的位置，脫離了固定支架。

圖4 E－REV后碰撞沖擊中座椅鋼絲脫離圖

在E－REV行李箱仿真沖擊試驗中，后排座椅擋板X方向變形量為110mm，掛鉤Z方向變形量超過－7mm。這樣，E－REV后排座椅與座椅頭枕都會在試驗中滑脫，超過了距離R點前方100mm和150mm的兩個橫向平面，不符合GB 15083－2006要求。因此需要對后排座椅擋板和動力電池箱1固定結構進行設計修改：減小后碰撞沖擊過程中動力電池箱1對后排座椅擋板的沖擊量，同時修改后排座椅鋼絲固定掛鉤結構以防止后碰撞沖擊試驗中鋼絲脫離固定掛鉤。

3.2 車身后地板最大應力仿真計算

下面依次分析3種工況下車身后地板和左右后輪罩焊接位置、控制器2和DC/DC、充電機、動力電池箱1和動力電池箱2安裝支架位置的載荷應力情況是否滿足許用應力的要求。分別分析0.95g左右轉彎、1g制動和左右后輪5g垂直沖擊工況下，車身后地板和左右后輪罩焊接位置、安裝固定支架許用應力是否小于0.8倍屈服極限的要求（鋼材安全系數(shù)選為0.8）。

建立E－REV有限元分析計算數(shù)學模型，利用LS－DYNA作為求解器進行分析計算。

仿真計算結果表明，在5g垂直振動工況下，在圖3所示的焊接點1車身后地板和左右輪罩焊接位置存在應力過大的現(xiàn)象，超過了鈑金件材料的屈服強度，有可能出現(xiàn)開裂。這一點在EREV綜合耐久性試驗中得到了驗證，如圖5所示。

圖5 5g垂直振動工況下后地板和左輪罩焊接位置開裂

按照仿真分析的結果，對于圖3所示的加強板結構和焊接位置重新進行了針對性的優(yōu)化設計。將加強板延伸到焊接點1位置與輪罩焊接，后懸安裝面僅與加強板在焊點3位置焊接，整個后地板和輪罩位置的焊接點強度大大增強。

仿真分析結果也表明，在5g垂直振動工況下，動力電池箱1和動力電池箱2安裝支架和后地板安裝位置也存在應力較大的情況，因此也需要對兩個安裝支架結構進行優(yōu)化調整，增加安裝固定點以分擔原有安裝固定點的應力，使其在各種不同工況下均不超過材料的屈服極限。

仿真分析的結果說明了仿真計算模型和分析結果的可靠性，可以用來指導車身結構和設計。

4 優(yōu)化結構后的E－REV后碰撞安全性仿真

根據(jù)前面的仿真分析計算中暴露出來的問題，進行針對性的結構優(yōu)化設計，重新構架仿真計算模型，進行計算。

4.1 優(yōu)化結構后的GB15083仿真試驗

在動力電池箱1的底部和加強橫梁結合的位置增加2個安裝固定點，在電池箱1中部和安裝固定支架結合面增加一個安裝固定點，可以有效地防止后碰撞沖擊過程中動力電池箱1的翻轉，并限制X向和Z向的位移。

圖6a所示是E－REV后碰撞發(fā)生前的后排座椅掛鉤和鋼絲的位置，圖6b所示是后碰撞發(fā)生后的后排座椅掛鉤和鋼絲位置。從仿真分析結果來看，優(yōu)化改進后的E－REV動力電池箱1和X向位移明顯減小，僅為31mm，沒有對后排座椅造成大的沖擊，后排座椅靠背上部Z向掛鉤位置位移為7mm。動力電池箱2的X向有較大位移，后保險杠方向的防撞保護機構基本保持完好，動力電池2箱體沖擊到動力電池箱1的安裝支架，安裝支架有彎曲變形，動力電池箱1外部有微小變形，箱體沒有破損。E－REV后排座椅骨架鋼絲在后碰撞沖擊力的作用下會沿著支架上的導軌順利滑進掛鉤里面，掛鉤在Z向上起到了很好的限位作用，使得鋼絲被支架牢牢地固定在車身上。后排座椅與座椅頭枕不會滑脫，可以滿足GB 15083的試驗要求。

圖6 后碰撞沖擊過程中后排座椅掛鉤和鋼絲移動位置

4.2 改進結構的E－REV車身后地板最大應力仿真計算

從仿真分析結果依次得到改進結構后的EREV車身后地板和動力電池箱2安裝支架在3種工況下的最大應力仿真計算結果，如表2所示。

表2 3種工況下最大應力仿真計算結果 MPa

由表2可知，0.95g轉彎工況下車身后地板最大應力最大，5g垂直振動工況下動力電池箱2安裝支架應力最大，但均小于0.8倍的設計屈服極限應力要求［9］。

在5g垂直振動工況下，車輪的輪心受到垂直載荷作用沖擊是最常見的工況，對車身鈑金件的疲勞壽命影響最大，因此重點分析5g垂直振動工況下，圖3所示焊接點1位置的受力情況對疲勞壽命的影響，見表3。

表3 改進結構前后E－REV 5g垂直振動工況下焊點1的最大焊點拉力和剪切力 N

由表3中的分析結果可以看出，改進設計結構后，焊點1的最大拉力減小了1320.83N，最大剪切力減小了250.18N，相比改進前焊點1位置的最大拉力和最大剪切力分別減小了47.93%和45.37%，因此改進后的焊接點的疲勞壽命顯著延長，改進效果明顯。

4.3 改進結構的E－REV模態(tài)和車身扭轉剛度的仿真計算

由于E－REV是在原型量產車型上進行二次開發(fā)的車型，因此可以通過與原型車的車身扭轉剛度和模態(tài)值進行對比分析，評估E－REV的車身NVH性能指標。通過仿真計算，得到表4所示的模態(tài)仿真值。表4中的仿真計算結果是車身模型狀態(tài)為完整白車身、帶天窗、有前后擋風玻璃和前副車架的情況下計算得到的。由表4中的計算結果可以看出，相比原型車，E－REV車身的后地板、后縱梁的加強板和車身側圍結構件的加強，對提高車身一階扭轉模態(tài)頻率效果明顯。

表4 E－REV和原型車模態(tài)仿真 Hz

表5中的彎曲剛度和扭轉剛度的目標值是由原型車的測試數(shù)據(jù)確定的。E－REV減小了燃油箱的體積，并將燃油箱的位置往前移動到后排座椅下部，該區(qū)域型面抬高了20mm，車身縱梁加強板對E－REV白車身剛度的提高起了重要的作用，使得E－REV的白車身剛度相比原型車降低不大，而且遠遠大于目標值，滿足設計要求。

表5 改進后的E－REV白車身剛度仿真計算結果

綜上所述，改進結構后的E－REV的整車模態(tài)接近原型車整車模態(tài)；車身扭轉剛度比原型車稍有下降，不過仍然滿足設計剛度值要求；仿真分析結果也表明，E－REV與原型車有著類似的NVH目標性能。上面的綜合分析結果表明，改進結構后的E－REV整車性能接近原型車，這一結果對分析E－REV能否通過GB 15083－2006行李箱沖擊試驗以及GB/T 19751—2005《混合動力電動汽車安全要求》和GB 20072－2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》具有重要的指導意義。

由于原型車已經通過了GB 15083－2006和GB 20072－2006后碰撞沖擊試驗，E－REV后碰撞仿真分析的結果又與原型車擁有接近的結果，因此仿真分析的結果表明E－REV應該也可以通過GB 15083－2006行李箱沖擊試驗，滿足GB/T 19751—2005《混合動力電動汽車安全要求》和GB 20072－2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》。

5 E－REV實車后碰撞試驗

E－REV車輛的實車后碰撞實驗完全參照GB 15083－2006附錄F行李廂沖擊試驗要求進行。在試驗中，E－REV后排座椅左邊和中間的骨架鋼絲都順利地滑入對應支架的卡槽中，右邊的掛鉤較試驗前的狀態(tài)稍微有所上抬，不過仍然順利地滑入掛鉤中，三處的支架狀態(tài)均滿足設計要求。E－REV車輛順利通過了GB 15083－2006附錄F行李廂沖擊試驗。

表6所示是實際測量得到的E－REV一階模態(tài)值，測量狀態(tài)為完整的白車身，帶有天窗，完成電泳，前地板已經貼好阻尼片，帶前后擋風玻璃和前副車架，不帶后副車架，四門兩蓋和門鉸鏈均已拆除。從表6中的試驗測量結果可知，仿真計算的車身模態(tài)有著較高的準確性，可以用來分析和指導白車身的優(yōu)化設計工作，試驗結果滿足設計要求。

表6 E－REV車身模態(tài)試驗測量結果 Hz

測量得到的E－REV的白車身剛度也有類似的結果，同樣滿足設計要求。

在E－REV的GB 20072－2006后碰撞沖擊試驗中，車輛實際碰撞速度為50±2km/h，碰撞前將油箱的油排光，加入一定容量的水代替。

從圖7所示的后碰撞試驗的結果來看，碰撞結束后，行李箱嚴重損壞，后保險杠幾乎脫落，冷卻風道破裂。碰撞傳感器觸發(fā)，HVIL回路斷開，整個高壓回路被切斷。動力電池箱2備胎池中間安裝支架有較大變形，一個安裝固定螺栓脫離，動力電池箱2的X方向移動，撞彎了動力電池箱1的安裝支架，箱體有部分破損，電池沒有電解液漏出，動力電池箱1箱體有部分內凹，箱體沒有破損。動力電池箱1的安裝固定支架在沖擊變形過程中起到了一定的緩沖作用。控制器2、DC/DC和充電機外殼均有不同程度的擠壓變形，控制器2上連接到電動機之間的高壓接插件碎裂脫離。

圖7 E－REV后碰撞試驗照片

由圖8所示的后排座椅擋板靠背上部靠近后排座椅掛鉤位置的位移曲線可以看到，在EREV后碰撞過程中，后排座椅擋板靠背上部位置X向最大位移量為34.1mm，考慮到實際測量誤差和選擇測量位置偏差等影響因素，試驗測量的結果和仿真分析結果非常吻合。

圖8 E－REV后排座椅擋板靠背上部位置后碰撞過程中X向位移曲線

從圖9可以看出，動力電池箱1安裝固定支架X向的加速度最大值為32g左右，屬于較理想的范圍，說明動力電池箱安裝固定支架X向的沖擊不大。Z向加速度最大值為22g左右，說明動力電池箱1在后碰撞沖擊過程中Z向的沖擊量也很小。后排座椅擋板沒有明顯變形，后排座椅靠背部分車身內飾件基本保持完好，后排座椅掛鉤沒有脫離。燃油箱在后碰撞過程中發(fā)生移位，不過由于后副車架起到了保護油箱的作用，燃油箱沒有發(fā)生泄漏情況。

由表7所示試驗結果可知，E－REV后碰撞沖擊試驗完全滿足GB/T 19751—2005《混合動力電動汽車安全要求》和GB 20072－2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》。

圖9 動力電池箱1固定支架加速度曲線

表7 E－REV后碰撞沖擊試驗主要測試結果

6 結語

針對國內某款E－REV的結構特點，建立相應的有限元模型，以有限元仿真計算的結果為指導，分析和優(yōu)化了后碰撞安全保護結構，并有針對性地進行了仿真計算和實車后碰撞試驗驗證。仿真分析和實車試驗的結果都證明了所設計的EREV具有良好的后碰撞被動安全性。

（1）從仿真計算和實車測試的結果來看，通過合理的布置和有針對性的結構優(yōu)化設計，E－REV在碰撞試驗中一樣可以表現(xiàn)出良好的安全性。

（2）相比原型車，E－REV車輛經過針對性的優(yōu)化結構設計，E－REV在彎曲和扭轉模態(tài)、扭轉剛度等性能上完全可以接近或者達到常規(guī)車輛標準。

（3）在后碰撞的安全防護上，合理設計EREV高壓電氣安全保護系統(tǒng)完全可以在某些極端情況下保證駕駛員和乘客不受到傷害。

研究內容和結果可以為E－REV的安全系統(tǒng)設計提供有益的參考和借鑒，為E－REV被動安全性的開發(fā)設計提供設計依據(jù)，同時為促進E－REV盡快進入產業(yè)化提供有益的參考。

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