基于側碰安全性的純電動轎車地板構架設計的研究

李仲奎

（東風汽車公司技術中心，武漢　430058）

基于側碰安全性的純電動轎車地板構架設計的研究

李仲奎

（東風汽車公司技術中心，武漢430058）

為提升純電動轎車在側面碰撞過程中對動力電池和駕駛員的保護性能，對電動汽車車身結構進行了研究。通過對側碰過程中電動汽車車身變形模式的分析，提出了對電動汽車B柱結構和地板結構的改進方案，根據改進方案設計了車身地板構架結構。通過仿真和試驗表明，改進后的車身地板對電池和駕駛員都有較好的保護性能。

主題詞：純電動轎車側面碰撞地板構架性能

1　前言

目前，轎車基本上都采用不帶有車架的承載式車身［1］，車身底板主要由門檻梁、內縱梁、座椅梁、地板橫梁和中通道連接形成地板構架實現承載。純電動轎車的動力電池因體積大、互聯性要求高，多集中布置在車身底板下部位置，且由于動力電池自身質量大、易發生火災事故等原因，在純電動轎車開發過程中如何重新構建地板構架結構，實現對電池的可靠固定和對電池、駕駛員、乘員的有效保護成為車身設計的關鍵［2］。為此，本文針對純電動轎車的車身地板結構設計進行了研究。

2　純電動轎車電池安全性分析

2.1動力電池布置

目前，純電動汽車動力電池布置方式主要有3種方案，一是采用一個電池包，布置于前地板與中地板下方；二是分成兩個電池包，分別位于中通道和中地板下方；三是采用一個電池包，位于后懸架后方、行李箱底部。考慮到電池的容量、箱體結構、密封及裝載空間和整車的軸荷分配［3］，第1種方案更受車企推崇，其布置方式如圖1所示。

圖1　電池系統布置位置

第1種方案的優點是電池單體集中在一個電池包內，互聯性好，電池冷卻系統設計及密封都相對簡單；缺點是后排乘客腳踏位置偏高，前排座椅升降功能被取消。此方案對車身地板結構設計影響較大，除要考慮車輛碰撞過程中對乘員的保護，更要關注碰撞過程中動力電池能否受到較好保護，以及電池固定點是否可靠。由于動力電池安裝位置對正面碰撞吸能空間無影響，因此研究電動轎車的碰撞性能主要關注側面碰撞。

2.2傳統車側碰過程中車身變形模式分析

傳統車在發生側面碰撞時，通常情況下車身橫斷面變形狀態如圖2所示，門檻梁的變形如圖3所示。由圖2可看出，B柱下段向內側傾斜移位較大，左前地板受到擠壓折彎或潰縮變形，變形量較大。由圖3可看出，門檻梁侵入量較大，最大侵入量達225.6 mm。若電動汽車在發生側面碰撞時也出現類似的車身變形，就會造成門檻梁擠壓電池，使電池受到損傷。

圖2　傳統車側碰變形示意

圖3　傳統車側碰后門檻梁侵入量

2.3電動轎車側碰過程中車身變形模式分析

電動轎車地板斷面如圖4所示，電池箱體邊緣距門檻梁僅170 mm左右，如果發生側面碰撞，則電池系統會受到嚴重擠壓。故此在電動轎車地板結構設計上首先需要加強地板的橫向強度設計［4］，以避免側面碰撞過程中門檻梁向車身內側彎曲過多而擠壓電池。

圖4　電動轎車地板斷面

當地板橫向強度增加之后，側碰時地板變形將減小，碰撞能量因在地板處得不到有效釋放而轉移到B柱或其它部位，這樣又會造成B柱變形量過大，以致傷害到駕駛員。因此，還需要改變B柱的變形模式，以提高駕駛員生存空間。

圖5是車輛發生側面碰撞前、后B柱變形模式對比。由圖5可以看出，側碰前B柱斷面狀態為中下段向車身外側微凸；傳統車側碰過程中，B柱斷面狀態為下段向車身內側傾斜，整體仍呈向車身外側凸起的弧形，能為駕駛員提供較大的生存空間；電動轎車發生側碰時，期望的B柱變形狀態為中上段呈向車身外側凸起的弧形，B柱底端向車身內側僅有少許移位，可避免門檻梁擠壓電池。考慮到碰撞能量的轉化，允許B柱的下段向內側彎曲，以便于吸能。

圖5　車輛B柱變形模式對比

由上述分析可知，要實現電動轎車在側碰過程中既能保護駕駛員和乘員安全，又能保護車身底板下方的動力電池免受擠壓損毀，需要對B柱強度和地板結構進行改進。B柱強度可通過改變B柱的截面結構實現，而車身底板結構較復雜，更改較困難。為此，將針對電動轎車的車身地板構架進行改進設計。

3　電動轎車地板構架設計

3.1地板構架改進方案

電動轎車地板結構呈現凸凹不平狀，如圖6所示。為增強車輛碰撞過程中對電池的保護，提升電池系統的固定點強度，以及增強車身的彎曲剛度、扭轉剛度，最終設計的地板構架方案如圖7所示。由圖7可看出，改進后車身地板上各梁構成縱向貫通、橫向貫通的相互關聯的結構。

圖6　電動轎車地板結構

3.2地板構架結構設計

根據地板構架方案設計的地板結構如圖8所示。由圖8可看出，改進后的地板結構與傳統車的區別是，座椅橫梁貼合在地板凸起形狀的上方，內外端仍然連接中通道和門檻梁，對于前地板中部高、邊部低的現狀，在邊部上方座椅橫梁采用懸空狀態，似橋梁跨越，另外增加前地板下橫梁以提升橫向強度。為提升車身的縱向強度，緊鄰電池箱兩側設計前地板內縱梁，內縱梁前端通過平滑過渡連接車身前縱梁，后端連接后地板邊縱梁，同時在內縱梁設置電池箱的固定點。

圖7　電動轎車地板構架方案

圖8　改進后地板結構形式

座椅橫梁處的地板橫斷面如圖9所示，座椅橫梁外端連接門檻梁，內端連接中通道。前地板下橫梁處的地板橫斷面如圖10所示，下橫梁連接左右門檻梁，同時連接中通道底部。

圖9　座椅橫梁處橫斷面

該構架結構匹配的地板總成和安裝電池后的結構狀態如圖11所示。

圖10　前地板下橫梁處橫斷面

圖11　電池在地板下方安裝狀態

4　性能分析及試驗驗證

4.1性能分析

4.1.1白車身靜剛度

針對按構架方案設計的電動轎車白車身進行了彎曲剛度、扭轉剛度分析，結果見表1。與同平臺的傳統車車身相比，電動轎車白車身靜剛度明顯提高。

表1　電動轎車白車身靜剛度與傳統車對比結果

4.1.2電池固定點強度

對該電動轎車動力電池箱固定點強度進行了垂直沖擊、轉向、制動3種工況分析，結果見表2。由表2可知，存在風險的零件最大應力值都小于零件自身材料的屈服極限值，滿足強度要求。

表2　某電動轎車動力電池固定點強度

4.1.3側面碰撞分析

通過仿真模擬［5］移動變形壁障以50 km/h的速度撞擊電動轎車側面，碰撞后B柱侵入量如圖12所示，最大值位于B柱的下段，即P3點處，為106.3 mm。B柱的底端侵入量較小，僅有28.6 mm。B柱中上段仍保持向車身外側外彎曲的趨勢。整體變形模式符合預期。

仿真過程中門檻梁的侵入量如圖13所示，在P3～P7位置處侵入量較大，變形趨勢與傳統車類似，總體上侵入量比傳統車小很多，最大侵入量僅為69.3 mm。

圖12　電動轎車側碰后B柱侵入量

圖13　電動轎車側碰后門檻梁侵入量

仿真過程中電池箱體的侵入量如圖14所示，電池箱體側邊最大侵入量為2.64 mm。由于電池組位于箱體內部，與箱體之間還有約10 mm的間隙，因此電池箱體的少許變形不會對電池組造成擠壓，電池處于安全狀態。

圖14　電動轎車側碰后電池箱體侵入量

4.2試驗驗證

4.2.1耐久試驗

對按前文構架方案開發的電動轎車進行了道路耐久試驗，試驗車輛行駛8.6萬km后未發現電池固定點處車身有開裂現象，整個車身底板下方完好無損壞。

4.2.2側碰試驗

對該電動轎車進行了移動變形壁障側面撞擊試驗，車身變形情況符合要求，B柱中上段呈現向車身外側凸起的弧形，底端略微內凹，假人的頭部、胸部、骨盆、腹部都受到較好的保護。車身門檻梁變形量較小，動力電池箱體狀態良好，幾乎未受到擠壓變形。車身碰撞后狀態如圖15所示。

圖15　側碰試驗后的車輛

5　結束語

為提升電動轎車側面碰撞過程中對動力電池和駕駛員的保護性能，對電動轎車車身結構進行了研究。通過對側碰過程中電動汽車車身變形模式進行分析，提出改進B柱結構和地板結構的設計方案，并設計了電動轎車車身底板構架結構。經仿真分析和試驗測試表明，所設計的車身結構對電池和駕駛員都有較好的保護性能。

1高云凱，邵力行，張海華.微型電動車非承載式車身輕量化研究.汽車工程，2008，30（9）：808～810.

2高云凱，姜欣，張榮榮.電動改裝轎車車身結構優化設計分析.汽車工程，2005，27（1）：115～117.

3劉寧，王家雁，吳明瞭，等.動力電池包系統在純電動汽車上的應用.北京汽車，2014（6）：30～34.

4吳東琴.前地板橫梁對車身及側碰性能的影響.2013中國汽車工程學會年會，北京，2013.

5蘭鳳崇，莊良飄，鐘陽，等.乘用車車身結構輕量化設計技術研究與實踐.汽車工程，2010，32（9）：763～768.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年6月28日。

Research on Design of the Underbody Framework for Pure Electric Car Based on Side Impact Crashworthiness

Li Zhongkui
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430058）

In order to improve the protection performance of electric car，especially，the safety capability for battery and driver in course of lateral collision，the body structure of electric car is researched.After analyzing body deformation mode during lateral collision，an improvement plan for B-pillar structure and floor structure of electric car is proposed，based on this plan，car underbody framework is designed.Both simulation and test indicate that the improved underbody and battery can provide fairly good protection to the battery and driver.

Pure electric car,Lateral collision,Underbody framework,Performance

U463.83

A

1000-3703（2016）09-0043-04