純電動汽車追尾碰撞安全性能優化研究*

施盧丹， 顏先華， 黃正軍， 易舒

(1.金華職業技術學院， 浙江 金華 321000；2.眾泰汽車工程研究院， 浙江 杭州 310018)

作為交通運載工具，純電動汽車與傳統內燃機汽車存在著相同的碰撞安全問題，且由于其采用電動驅動系統，使用中還存在特有的高壓電安全隱患。當前國內針對電動汽車碰撞后安全要求的法規GB/T 31498-2015對電動汽車在正面碰撞和側面碰撞試驗后車輛的動力系統安全作了明確規定，但未涉及追尾碰撞。據統計，追尾碰撞是中國城市道路交通的主要事故形態之一，其事故數量及造成的傷亡人數僅次于正面和側面碰撞，且由追尾碰撞導致的直接財產損失比例最高；在高速公路事故中，追尾碰撞的事故比例高達44.9%，居各類事故之首。因此，開展純電動車追尾碰撞的安全性研究及開發非常迫切且具有非常重要的意義。

現階段針對追尾碰撞安全性能的研究多集中在低速碰撞中車輛前排乘員頸部揮鞭傷、碰撞行李箱沖擊安全優化、傳統燃油汽車和混合動力電動汽車的碰撞結構變形控制、燃油系統完整性保護等方面，對純電動汽車在追尾碰撞中的車身結構耐撞性和電池安全性等的研究相對較少。該文結合某純電動汽車追尾碰撞安全性能開發，分析純電動汽車追尾碰撞中結構設計思路及方法。

1 追尾碰撞試驗

1.1 試驗工況

參照GB 20072-2006對追尾碰撞中燃油系統安全的要求對純電動汽車進行追尾碰撞安全性能開發。試驗中，車輛處于整備質量狀態靜置于跑道上，重量為(1 100±20) kg的后碰移動車輛與試驗車輛沿Y向100%重疊，以(50±2) km/h的速度撞擊試驗車輛尾部。

1.2 追尾碰撞開發要求

對于純電動汽車，除需滿足傳統汽車追尾碰撞時車身結構開發要求外，還需考察動力電池包等高壓裝置的安全，如電池包在碰撞試驗時不得起火和爆炸、不釋放有害性氣體，電池包固定裝置不發生失效，電池包不發生明顯位移侵入乘員生存空間等。參照GB/T 31467-2015對電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統的安全要求，結合相關試驗成果，得出純電動汽車追尾碰撞中技術開發要求如下：

(1) 碰撞過程中，動力電池包安裝固定支架縱向加速度最大值小于25.2g。

(2) 碰撞中動力電池包外殼的最大壓縮變形量≤10 mm，壓縮變形比例≤5%，電池包無明顯受擠壓痕跡。

(3) 碰撞試驗后，動力電池包不穿入乘員艙，高壓線束區域無明顯擠壓痕跡。

(4) 碰撞后無電解液進入乘員艙，也不發生電解液泄漏。

2 純電動汽車追尾碰撞仿真模型

2.1 有限元求解的力學模型

目前，車輛碰撞安全分析主要采用有限元仿真分析法。對于常規碰撞工況，有限元求解模型的力學模型為：

(1)

式中：A為基礎系統所占空間；σ1為內應力；εv為虛應變；S為除接觸摩擦力外的外力作用表面；Fe為外作用力；uv為虛位移；C為接觸表面；Fef為接觸摩擦力；ur為兩接觸點的相對虛位移；ρ為質量密度；a為接觸系統的加速度。

有限元方法運用的離散概念是將連續的三維幾何體分割成有限多個非常小的多邊形或多面體單元，各單元僅在節點處連接，把原來無限多自由度體系簡化成有限多個自由度體系，建立代數方程組進行迭代求解，得到數值解答。

式(1)經過有限元離散后，轉化為式(2)所示等效方程組：

Ma=Fe-Fi-Fef

(2)

式中：M為系統質量矩陣；a為加速度矢量；Fe為外力矢量；Fi為內力矢量；Fef為接觸摩擦力矢量。

求解式(2)，利用中心差分方法得到下一時刻系統的運動規律和能量變化規律，即整車碰撞結構響應的特征關系。

2.2 材料的力學模型

純電動汽車車身鈑金材料大多為低碳鋼，有限元分析中采用LS-DYNA中24號分段線性塑性材料模型(MAT 24)，考慮材料應變率效應的影響，24號材料模型可通過輸入材料Cowper Symonds本構模型的相關參數將材料的應變率效應考慮進去，其本構模型表達式為：

(3)

典型金屬材料的應力-應變曲線見圖1。

圖1 典型金屬材料的應力-應變曲線

2.3 整車碰撞模型

按照有限元分析理論的相關要求，將車身、底盤、動力電池、驅動電機、充電機等三維數據進行網格化離散處理，為提高模型求解精度，將車輛追尾碰撞區域內的網格調整至平均尺寸5～8 mm。根據GB 20072-2006建立圖2所示純電動汽車追尾碰撞CAE分析模型。

圖2 純電動汽車追尾碰撞模型

3 純電動汽車追尾碰撞安全性能優化

純電動汽車發生追尾碰撞過程中，主要依靠后防撞梁總成及后地板左右縱梁的變形吸收碰撞能量。根據碰撞能量管理原則，將后部車身結構劃分為壓潰吸能區、變形過渡區和不變形區域(見圖3)。其中：不變形區域主要包含動力電池包周圍結構和乘員艙空間，是追尾碰撞中車身結構安全的基礎和核心；壓潰吸能區主要包含后防撞梁總成和后地板左右縱梁結構，該區域和變形過渡區是追尾碰撞中能量吸收的重點設計關注區域。

圖3 純電動汽車追尾碰撞縱向分區

3.1 基礎模型碰撞結果分析

按圖2所示追尾碰撞模型進行仿真計算，碰撞中后部車身骨架變形見圖4。由圖4可知：碰撞過程中，后部車身結構強度設計匹配不合理，未能實現逐級壓潰變形。由于吸能盒X向尺寸偏小，結構相對偏硬，碰撞中變形程度較小；后部車身骨架主要變形區域位于車身后地板縱梁前段及后段搭接區域，變形形式以折彎為主，后地板縱梁后段未能有效壓潰吸能，前段對應動力電池包處出現輕度折彎(圖4中圓圈內所示)。

圖4 優化前模型碰撞中后部車身骨架變形

受后地板縱梁后段吸能效率偏低的影響，未能充分耗散碰撞載荷，前段在碰撞過程中承受及傳遞給動力電池位于車輛后部的車身安裝支架的力較大，不僅導致該處兩個車身支架產生明顯變形，也導致動力電池支架與其殼體產生擠壓，殼體最大應變達5.79%(見圖5)，不滿足要求。

圖5 優化前模型碰撞中動力電池殼體應變

如圖6所示，碰撞過程中，車輛左右側B柱下端X向加速度峰值分別為22.3g和20.9g，均未超過25g，滿足開發要求。但根據后部車身骨架變形順序，碰撞初始階段，縱梁前后端搭接處的折彎和后防撞梁總成受撞擊變形幾乎同時發生，8～13 ms內產生較高的加速度峰值，隨后加速度急速回落，直至38 ms時，車體加速度上升緩慢，此時車身骨架變形吸能效率偏低；而進入碰撞中后期的38～70 ms，加速度形成相對穩定的區間，表明在較長一段時間內動力電池要承受較高的加速度沖擊。

圖6 優化前模型B柱下端X向加速度曲線

3.2 車身結構優化設計

針對該純電動汽車追尾碰撞中的問題，根據碰撞中逐級變形壓潰的理論和能量管理的基本原則制定車身結構優化思路。

(1) 為提高后防撞梁總成在追尾碰撞中的作用，將防撞梁材料提升至HC340/590DP級別，并對吸能盒沿整車X向加長25 mm(見圖7)。

圖7 后防撞梁總成優化方案

(2) 為提高碰撞13～38 ms內車身結構的吸能效率，使能量在碰撞早期充分耗散，在后縱梁實行變形誘導設計，取消原模型中的外凸肋條，改為內凹的小誘導槽(見圖8)。

圖8 后縱梁后段優化方案

(3) 為加強對動力電池后部重量的支撐，將車輛后部的車身安裝支架材料由HC250/450DP提升為HC340/590DP級別。

3.3 改善效果驗證

對改進方案進行追尾碰撞仿真計算，縱梁變形見圖9。由圖9可知：優化后的后縱梁后段在碰撞

圖9 優化后縱梁變形

中充分變形吸能，呈現出較理想的軸向折疊壓潰；后縱梁前段與后段搭接處略有折彎，對應電池包處其形狀保持良好。

優化后，整車在碰撞過程中通過結構變形所吸收的能量總和為57.61 kJ，車輛主要吸能部件如后防撞梁總成及后縱梁后段吸收的碰撞能量明顯提升，其中后縱梁后段吸能15.94 kJ，比基礎模型提升151.8%，占整車總吸收能量的27.67%；間接引起備胎盆吸能量略有增加，后部關鍵結構吸能量占車輛總吸收能量的61.74%。通過合理的車身結構強度匹配，提升了變形吸能區的零部件吸能效率，顯著降低了后縱梁前段的變形程度，從而有效保證了動力電池及固定點的結構穩定。優化前后各主要零件的能量吸收對比見表1。

表1 優化前后各零件吸能對比

通過優化，后縱梁后段更合理的軸向折疊壓潰模式可有效降低碰撞過程中車體加速度，加速度峰值降至14g，碰撞過程的中后期平均加速度約10g，表明碰撞中車體振動沖擊在相對較低的水平。動力電池包外殼體的最大壓縮變形量為9.4 mm，最大應變為4.56%(見圖10)，滿足設計要求。碰撞過程中動力電池包對乘員艙無明顯擠壓，判定碰撞后無電解液進入乘員艙，發生電解液泄露的幾率低。

圖10 優化后模型碰撞中動力電池包最大應變

4 實車試驗結果及加速度曲線相關性

優化后實車追尾碰撞試驗結果見圖11。由圖11可知：碰撞后，后部行李箱嚴重破壞，后保險杠總成與翼子板搭接處脫落，碰撞傳感器觸發安全氣囊控制器系統，高壓回路斷開，車身結構變形吸能區在碰撞中充分壓潰，乘員艙僅有輕微變形，動力電池包無損壞。

圖11 優化后實車追尾碰撞結果

優化模型仿真加速度曲線與實車碰撞加速度曲線對比見圖12。由圖12可知：實車和仿真的加速度曲線趨勢基本一致，但由于材料曲線及網格精度等因素的影響，曲線的峰值存在一定差異，整體而言仿真模型能較準確地反映碰撞歷程。

圖12 優化后碰撞加速度曲線

5 結論

該文針對某純電動汽車追尾碰撞安全性能開發，建立整車碰撞有限元模型，基于有限元計算結果進行追尾碰撞車身結構優化設計，試驗結果表明，優化設計后車輛具有良好的追尾碰撞安全性能。主要結論如下：

(1) 追尾碰撞中，后部車身骨架結構的設計要依據逐級壓潰變形吸能的原則，后防撞梁及后縱梁等主要骨架結構要吸收超過60%的碰撞能量；碰撞吸能區不能布置高壓組件，防止碰撞中因線束短路造成車內乘員高壓電擊傷害。

(2) 追尾碰撞安全防護設計中，碰撞過程中整車及動力電池包固定支架處的加速度峰值要小于25g，以降低碰撞過程中動力電池所受振動和沖擊。

(3) 采用有限元方法進行汽車碰撞安全性能分析和優化，可降低設計成本，縮短設計周期。