某混動車型側(cè)面柱撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化①

王月 ，肖海濤 ，王鵬翔，周大永，2

(1．浙江吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336；2. 浙江省汽車安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，浙江杭州 311228)

隨著國家對新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和新能源汽車的逐年發(fā)展，我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新能源汽車相關(guān)技術(shù)正在逐步建立和提升。對于電動汽車或者混合動力汽車的一個重要特征就是車內(nèi)裝有高壓動力回路系統(tǒng)，動力電池組的電壓一般都在300伏以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全電壓[1-3]。而高能量、大質(zhì)量的動力電池在碰撞中受到擠壓損傷時有起火、爆炸的可能性。所以電動汽車的碰撞安全性對駕駛員及車內(nèi)乘員的安全具有重要影響，同時對車輛的設(shè)計開發(fā)者也提出了更高的要求[4-6]。

1 電動車碰撞法規(guī)分析

通過對目前法規(guī)的研究發(fā)現(xiàn)，電動車碰撞安全設(shè)計主要涉及的法規(guī)如下：

1)GB/T 31498 -2015 電動汽車碰撞后安全要求

2)GB/T 19751-2005 混合動力電動汽車安全要求

3)GB/T 24549-2009 燃料電池汽車安全要求

4)GB 11557-2011 防止汽車轉(zhuǎn)向管柱對駕駛員傷害的規(guī)定

5)ECE R94 Frontal Collision 正面碰撞-2014

6)ECE R95 Lateral Collision 側(cè)面碰撞-2014

7)ECE R12 Steering Protection 轉(zhuǎn)向保護(hù)-2012

8)FMVSS305 Electric powered vehicles, electrolyte spillage and electrical shock protection 電動汽車-電解液濺出及電擊保護(hù)-2013

以上相關(guān)法規(guī)均對電動車安全部分提出了相應(yīng)要求，關(guān)于對電動車碰撞安全的特殊要求如下表1所示[1]：

表1 電動車碰撞安全特殊要求[1-6]匯總表

2018版C-NCAP中明確提出了關(guān)于對電安全的要求，如下：

防觸電保護(hù)：基本要求為可充電儲能裝置端絕緣電阻與電底盤之間的絕緣電阻值要大于或等于100Ω/V；選擇要求(四選一)部分包含低電壓、低電能、物理防護(hù)、負(fù)載端絕緣電阻；

電解液泄露評價：試驗結(jié)束后30min內(nèi)，若沒有電解液從REESS中溢出到乘員艙，且從REESS中溢出到乘員艙外的電解液不超過5.0L，即為安全；

REESS (可充電儲能裝置)要求評價：①如果檢查結(jié)果位于乘員艙內(nèi)的REESS保持在安裝位置，其部件保持在外殼內(nèi)；位于乘員艙外的REESS部分未進(jìn)入乘員艙，即為安全；②如果試驗結(jié)束后30min內(nèi)，REESS沒有起火、爆炸現(xiàn)象發(fā)生，即為安全[7]。

2 現(xiàn)有車型存在的問題及分析

2.1 問題描述

考慮電動車在碰撞中的安全性能，在開發(fā)設(shè)計時增加了后排柱碰試驗，撞擊位置為電池包T型的側(cè)面位置，某混動車型汽車在進(jìn)行32km/h側(cè)面后排柱撞試驗中，柱撞(撞擊電池包T型結(jié)構(gòu)位置)，電池包的塑性應(yīng)變?yōu)?5%電池包側(cè)向變形侵入量為46mm，整體變形侵入較大，碰撞中電池包存在受擠壓變形過大導(dǎo)致的起火、爆炸風(fēng)險。如圖1、2所示。

圖1 電池包塑性應(yīng)變情況

圖2 電池包變形情況

2.2 原因分析

通過對仿真結(jié)果不同時刻的分析，如圖3所示，初步判斷是由于該車型側(cè)面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，在碰撞過程中撞擊位置出現(xiàn)較大的變形侵入，直接擠壓到電池包，導(dǎo)致電池包及其內(nèi)部模組出現(xiàn)較大變形，存在起火爆炸的風(fēng)險問題。

圖3 側(cè)面柱撞整車變形情況

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過對電池包變形侵入情況分析，主要原因在于側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)較弱，因此在側(cè)面增加一支撐板結(jié)構(gòu)，如圖4中①結(jié)構(gòu)，定義材料屬性為B340/590DP材料，厚度2.0mm；同時將中通道的材料強(qiáng)度進(jìn)行提升，由原來的DC06材料厚度1.2提升為B170P1材料，厚度不變。

圖4 電池包中通道布置位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

將電池包中地板布置區(qū)域的結(jié)構(gòu)件材料強(qiáng)度進(jìn)行提升，如下圖5所示。具體材料性能差異如表2,表3所示，

圖5 電池包中地板布置位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

優(yōu)化前優(yōu)化后①B250P1/1．2mmB400/780DP/1．5mm②B250P1/1．5mmB400/780DP/1．5mm③B250P1/1．2mmB400/780DP/1．5mm

表3 材料性能對比

4 優(yōu)化結(jié)果評定

4.1 仿真分析驗證

4.1.1 整體變形情況分析

從整車的變形情況分析，如下圖6所示，通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，撞擊處的變形侵入較之前明顯改善。

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖6 電池模組變形情況

4.1.2 塑性應(yīng)變分析

采用Hyperworks和LS-DYNA軟件對模型進(jìn)行分析計算及后處理，從分析結(jié)果看電池包的最大塑性應(yīng)為22%，如圖7所示，較之前有改善。

圖7 電池包塑性應(yīng)變情況

4.1.3 模組侵入量分析

如圖8所示，碰撞中電池包模組的侵入僅為1.5mm，較之前有明顯改善，滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

圖8 電池模組變形情況

4.1.4 模組受力分析

優(yōu)化后，從碰撞中受力分析電池包外殼受力為6.4KN，而內(nèi)部模組受力為1.1KN，較優(yōu)化前模組受力為27KN，受力明顯降低。如圖9所示。由于優(yōu)化后電池模組受力較小，因此模組受擠壓變形的風(fēng)險降低。

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖9 電池包受力情況對比

4.2 試驗驗證

如下圖10所示，試驗后車門和門檻發(fā)生向乘員艙的變形侵入，電池包安裝點(diǎn)未出現(xiàn)受擠壓的變形斷裂問題，僅此處門檻由于受壁障擠壓而產(chǎn)生的變形。

圖10 撞擊側(cè)變形情況

圖11 撞擊側(cè)底部變形情況

將電池包與車體分離發(fā)現(xiàn)電池包上殼體受擠壓發(fā)生變形，如圖12所示。拆除電池包上殼體觀察，電池包內(nèi)部模組未被撞擊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，電池包安全，如圖13。

圖12 電池包外殼變形情況

5 結(jié)論

通過對電動車相關(guān)要求分析和對某混動車型側(cè)面柱碰進(jìn)行的優(yōu)化分析，得出如下結(jié)論：

1)電動車發(fā)生碰撞不同于傳統(tǒng)車型，電池包受到

圖13 電池包內(nèi)部變形情況

撞擊破壞，動力電池就有可能產(chǎn)生爆炸、起火，要充分考慮電池包可能發(fā)生撞擊情況，開發(fā)過程中要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行多種分析。

2)對側(cè)面區(qū)域結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)經(jīng)過仿真和試驗驗證，表明所提的方案對側(cè)面柱碰結(jié)果有利，為其他車型結(jié)構(gòu)開發(fā)提供參考。

3)動力電池及其高壓部件要盡可能布置在車輛碰撞的非變形吸能區(qū)域內(nèi),避免在碰撞中動力電池及其高壓部件收到擠壓變形而出現(xiàn)短路，起火等風(fēng)險。

4)該優(yōu)化方案對未來新能源車電池包的開發(fā)提供參考依據(jù)，同時也為新能源車的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了優(yōu)化的方向。

[1] 王凱, 李向榮, 白鵬. 電動汽車在碰撞試驗中的電氣安全[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報, 2012，3(1):34-37.

[2] 王凱,賀淑超. 電動汽車碰撞試驗方法研究[C]. 第八屆汽車交通安全會議， 2010，12.

[3] 繆文泉，接桂利，沈劍平等. 電動汽車碰撞電安全性風(fēng)險分析[J].第十七屆汽車安全學(xué)術(shù)會議，2014，304-310.

[4] 楊華，孫振東，劉玉光. 純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研究[J].北京汽車，2001，6.

[5] 楊華. 電動汽車正面碰撞仿真分析[D]. 武漢理工大學(xué),湖北，2008，3.

[6] 孫振東. 電動汽車正面碰撞試驗技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)， 2007，10，9.

[7] 中國汽車技術(shù)研究中心. C-NCAP管理規(guī)則(2018版)征求意見稿.天津：2017，1.