基于ANSYS的電動汽車充電樁撞擊分析

李 瑾

（晉中職業技術學院機電系，山西 晉中 030600）

當今世界能源與環境問題已經越來越突出。汽車工業從燃油到燃氣再到目前新興的電動汽車，一場能源環境變革已在汽車工業中興起。

充電樁作為電動汽車的“加油站”，其重要性不言而喻。充電樁按充電類型可分為直流充電樁和交流充電樁，按安置方式可分為站內充電樁和露天充電樁，按計費方式可分為有人值守充電樁和無人值守充電樁。充電樁通過樁體上附帶的充電槍和插座等設備實現對汽車的充電操作。汽車在靠近充電樁進行充電前由于種種原因可能會與充電樁樁體發生碰撞，對充電樁結構的抗撞性能進行分析和研究具有現實意義。

現有關于充電樁的研究大多注重于對充電樁控制系統與硬件電路的設計實現，較少有關注充電樁本體撞擊類、結構強度類的相關研究和報道。文獻[1]針對交流充電樁電磁兼容方面驗收的規范要求和測試方法進行了研究和介紹；文獻[2]針對制約電動汽車發展的電池和充電方式設計了一套電動汽車充電樁的控制系統，并論述了該控制系統各單元的硬件設計及主要程序；文獻[3]將有源電力濾波技術應用到交流充電樁設計中，在所搭建的兩種車載式充電器實驗樣機上采用傳統PI控制與重復控制相結合的控制方法，有效地抑制了車載式充電器諧波。本文將在參考這些文獻的基礎上研究交流充電樁在不同情況下的撞擊響應。

1 充電樁結構模型

1.1 交流充電樁結構簡析

交流充電樁大多為內部桁架支撐、外部薄壁包裹的力學結構，充電裝置、計費裝置、控制裝置等設備經過封裝后固接于樁體主桁架上。圖1顯示了目前市面上已有的幾種充電樁。

在整個充電樁結構中，對充電樁整體力學強度起決定作用的主要為固接于地面的樁體主桁架，此桁架可簡化為一個懸臂梁系統。

圖1 幾種電動汽車交流充電樁

1.2 交流充電樁桁架模型

不同廠商生產的充電樁其桁架在結構上各有不同，有一些為雙懸臂梁支柱式桁架，有一些為四懸臂梁支柱式桁架。本文選取雙懸臂梁支柱式桁架為例進行建模分析。

采用通用有限元軟件ANSYS建立交流充電樁的桁架模型，如圖2所示。采用beam188單元對模型進行剖分，該單元有 UX、UY、UZ、Rotx、Roty、Rotz六個自由度，定義單元截面為口字型，設置單元彈性模量值為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度值為7800 kg/m3。得到充電樁桁架的有限元模型如圖2(a)所示，模型節點分布如圖2(b)所示。

圖2 充電樁桁架有限元模型

對桁架支柱固接于地在節點處的六個自由度進行約束，體現在圖2(b)中為約束節點33和37的所有自由度。為模擬汽車與樁體相撞情況，將撞擊力施加于桁架中對應于撞點處的節點處。圖2(b)中為汽車正面撞擊樁體桁架單根支柱的情況（撞擊力施加于節點28）。

2 充電樁受撞時的桁架載荷分析

汽車與充電樁相撞時，作用在兩者上的相互作用力可表示為一正弦函數，具體如式(1)所示[4]。

式中：Fm為撞擊力幅值；t1為汽車與充電樁的有效撞擊時長，汽車撞擊充電樁時，撞擊力作用的有效時間很短，參考相關文獻[5-8]的研究經驗，取樁體撞擊作用有效時間為0.1 s；t為時間(t≤t1)。根據牛頓運動定律可得到式(2)與式(3)。

式中：m為汽車質量，此處以普通轎車質量為研究對象，取其質量值為2000 kg；a為汽車加速度；v0為汽車撞擊時的初速度。

聯立式(1)、(2)、(3)，可解得汽車撞擊初速度分別為0.5～5 m/s時的Fm值及撞擊力曲線，分別如表1及圖3所示。由于sin(πt/t1)在[0，t1]區間的積分為 2，故 t1的取值對于 Fm的計算沒有影響。

?

3 基于ANSYS的充電樁撞擊響應分析

3.1 分析方法

ANSYS分析中有靜分析、諧分析、模態分析和暫態分析等，本文采用暫態分析，在parameter＞function＞edit中按照式(1)定義載荷，存儲后讀入形成沖擊力數據表格，按照不同的撞擊情況將此沖擊力載荷數據加載至不同數量、不同位置的節點上并定義不同載荷方向。

本文分10個載荷步對充電樁撞擊響應進行分析，每一載荷步又分為10個子步進行分析（分析間隔時間為0.001 s），具體分步求解設置如表2所示。得到求解結果后觀察各步的應力應變情況，記錄求解結果，圖4為保險杠距地面40 cm高（內置）的汽車以0.5 m/s的速度側面撞擊厚度為3 mm桁架型鋼時的充電樁響應情況，應力與變形最大值出現于撞擊后第52 ms。

表2 充電樁撞擊分步求解設置

3.2 桁架型鋼厚度對撞擊響應的影響

考慮充電樁桁架不同型鋼厚度對撞擊響應的影響，通過設置單元的截面厚度來實現。結合考慮不同的撞擊情況，得到充電樁在車速為1 m/s、保險杠高度為40 cm（內置）時，汽車撞擊充電樁的最大應力與最大變形如圖5所示。

由圖5可知，隨著充電樁桁架型鋼厚度的增大，充電樁在撞擊過程中的最大應力和變形將減小。

3.3 保險杠有效高度對撞擊響應的影響

考慮汽車保險杠底端對地距離相等的情況下保險杠有效高度對撞擊響應的影響，通過設置汽車與充電樁的撞擊點數來實現。保險杠有效高度越大，則撞擊時與充電樁的撞擊接觸點越多。結合考慮不同的撞擊情況，得到充電樁在車速為5 m/s、保險杠底部距地40 cm、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時汽車撞擊充電樁的最大應力與最大變形如圖6所示。

由圖6可看出，在汽車保險杠底端對地距離相等的情況下，隨著保險杠有效高度的增大，充電樁受撞擊時的最大應力和最大變形都將增大。充電樁最大應力及最大變形與汽車保險杠有效高度之間大致呈現線性關系。

3.4 保險杠距地高度對撞擊響應的影響

考慮汽車保險杠距地高度對撞擊響應的影響，通過在ANSYS中改變充電樁的受載節點位置來實現。結合考慮不同的撞擊情況，得到充電樁在車速5 m/s、內置式保險杠、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時汽車撞擊充電樁的最大應力與最大變形如圖7所示。

由圖7可知，隨著汽車保險杠距地高度的增加，充電樁受撞時的最大應力和最大變形都將增大。

3.5 車速對撞擊響應的影響

考慮不同汽車初速度對撞擊響應的影響，通過在ANSYS中改變載荷函數的幅值Fm來實現。各車速對應的撞擊力幅值已在表1列出。結合考慮不同的撞擊情況，得到充電樁在車速為5 m/s、距地高度為50 cm的內置式保險杠、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時汽車撞擊充電樁的最大應力與最大變形如圖8所示。

由圖8可知，隨著汽車車速的增加，充電樁受撞時的最大應力和最大變形都將增大。撞擊過程中充電樁最大應力及最大變形與汽車撞擊速度之間大致呈現線性關系。

4 結論

本文對電動汽車交流充電樁在不同情況下的撞擊響應進行了分析，得到以下結論：

(1)隨著充電樁桁架型鋼厚度的增大，充電樁在撞擊過程中的最大應力和最大變形將減??；

(2)在汽車保險杠底端對地距離相等的情況下，隨著保險杠有效高度的增大，充電樁受撞時的最大應力和最大變形都將增大，充電樁最大應力及最大變形與汽車保險杠有效高度之間大致呈現線性關系；

(3)隨著汽車保險杠距地高度的增加，充電樁受撞時的最大應力和最大變形都將增大；

(4)隨著汽車車速的增加，充電樁受撞時的最大應力和最大變形都將增大，撞擊過程中充電樁最大應力及最大變形與汽車撞擊速度之間大致呈現線性關系。

[1]鄒強.電動汽車交流充電樁的電磁兼容測試研究[J].電子質量，2011(5)：75-78.

[2]王濤，張東華，賀智軼.電動汽車充電樁的控制系統研究與設計[J].湖北電力，2011(1)：11-12.

[3]張允，陸佳政，李波.利用有源濾波功能的新型電動汽車交流充電樁[J].高電壓技術，2011(1)：150-156.

[4]陸新征，盧嘯，張炎圣，等.超高車輛——橋梁上部結構撞擊力的工程計算方法[J].中國公路學報，2011，24(2)：49-55.

[5]裴小吟，文傳勇，張永水.城市橋梁被車輛撞擊后損傷分析[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2011(1)：19-21，106.

[6]龍述堯，許瑩瑩，曾塬，等.基于汽車低速碰撞的尾部安全性能分析和改進[J].科技導報，2011(2)：49-53.

[7]姜立峰，向東，王洪磊，等.基于正面碰撞仿真的轎車關重零件分析及改進[J].機械設計與制造，2011(6)：128-130.

[8]劉明慧，顏全勝.汽車撞擊橋墩作用力的比較分析[J].中外公路，2010(6)：146-149.