燃油車改制電動車后正面碰撞性能變化分析

李向津，韓璐

北京現代汽車有限公司，北京 101300

為了快速響應市場，大部分車企首選將現有燃油車改制為電動車。原車的結構能否滿足電動車的基本性能需要，尤其是安全性能，使得電動汽車的碰撞安全設計成為一個新的課題[1]。本文通過對比傳統燃油車與在其基礎上改制的電動車的正面碰撞性能，分析整車正面碰撞性能變化規律情況，可以了解由傳統汽油車改制電動車時需要注意的問題，為新車設計提供一定的參考依據。經過電動車開發案例論證和試驗驗證，保證結構達到試驗要求，滿足了國家法規標準，為日后電動車設計提供進一步的借鑒和參考。

1 正面碰撞試驗相關知識

1.1 國家強制正面碰撞試驗法規

GB 11551?2014《汽 車 正 面 碰 撞 的 乘 員 保護》法規[2]是國家對車輛正面碰撞最基本的要求。只有達到所規定的最基本的技術性能要求，企業所生產的車輛才能進行認證公告，上市銷售。所以在汽車產品開發階段，企業要投入大量的車輛進行乘員約束系統的標定與試驗驗證，以確保最終設計的車輛可以滿足要求。這是一個長周期、反復確認驗證的的過程。

近年來，隨著CAE 仿真技術的不斷發展，設計驗證環節逐漸數據化，依靠仿真手段進行車輛碰撞性能的驗證，具備可重復性和可對比性[3]，運用CAE 仿真分析技術可以縮短開發周期，減少試驗次數及開發成本[4]。

1.2 試驗方法

法規中規定正面碰撞試驗的主要內容是車輛以50 km/h(最小速度不低于48 km/h)的速度對撞剛性墻(見圖1)。

圖1 正面碰撞示意

碰撞結束后，試驗人員對通過仿人模型采集的數據進行處理，來評價車輛是否滿足法規的技術要求。主要參數包括頭部性能指標(HPC)、頸部傷害(NIC)、頸部彎矩、胸部壓縮指標(ThCC)、胸部黏性指標(V.C)和大腿圧縮力指標(FFC)。

在仿真分析時，這就要求把整車碰撞后的技術要求分解到具體的車體結構指標中,頭部和頸部的傷害值對應的車體指標項為車體加速度[5]。根據《乘用車正面碰撞的乘員保護》(GB11551?2014)對車輛加速度測量點的要求，車身加速度時間歷程應以車輛駕駛員側B 柱下端加速度傳感器的數值為基礎確定[6]。其中，胸部和腿部的的傷害指標對應乘員約束系統的性能，不在本文中討論。

1.3 車輛耐撞性工程評價

在實際車輛開發工作中，為了快速進行工程仿真分析，常采用車輛B 柱下方的加速度信號作為評價車輛耐撞性的基本參數，這種方法已經過大量的工程驗證與應用。加速度傳感器獲取的信號經過濾波處理后，可以得到車輛整個碰撞過程中加速變化的情況。在此基礎上，通過數學處理，還可以獲取車輛速度變化數據與車輛變形的數據。在汽車行業中廣泛采用這種方法進行車輛開發的工程仿真分析與驗證。

2 某電動車正面碰撞性能對比分析

在某車型開發過程中，為了節約全新開發電動車的巨大成本投入，縮短電動車產品的開發周期，公司決定基于某款傳統燃油車進行電動車的改制與開發。通過評估動力系統、電機電池系統的主要參數，以及車身結構，公司最終選定了的原型車，并確立了電動車改制方案。

改制電動車在原型車的基礎上取消了發動機、變速箱、進排氣、燃油箱等系統，增加了電機、控制器及電池等部件。由于車輛續航需要及電池容量需求，電池質量引起車輛質量急劇增加，在整車質量有巨大變化的情況下，我們需要對車輛的碰撞安全性能進行評估，考察質量變化對其的影響。文中主要討論了正面碰撞性能的變化情況。

2.1 建立仿真分析模型

目前整車有限元仿真試驗因其研究費用低廉、周期較短、采集數據信息較為全面等優點[7]，已經成為了汽車碰撞安全技術領域普遍采用的試驗方法。為了預估改制對車輛碰撞性能的影響，我們需要分別建立原型車與改制車的整車碰撞仿真模型(如圖2)，通過計算對結果數據進行對比。

圖2 整車正面碰撞仿真模型

本文使用了hypermesh 進行了網格劃分，原型車模型總規模約200 萬單元，改制電動車模型總規模約230 萬單元。并借助oasys.primer 建立了邊界條件及加載工況，使用lsdyna 進行了求解計算，并利用hperview 和oasys.reporter 進行了結果處理，形成了最終的仿真分析結果報告。

2.2 仿真模型的對標

如何對正面碰撞模擬結果可靠性進行評價已經有確切的方法，通常采用對比B 柱加速度時間歷程曲線完成。這是因為在正面碰撞中，由于車體B 柱通常是不變形的，該點的加速度曲線反映著受試車體的碰撞性能[8]，所以行業公認把B 柱加速度作為評判車輛耐性能的基本指標[9]。當仿真與試驗結果誤差不超過20%，我們認為仿真模型真實可靠[10]。

為了確保仿真結果的可信度，在原型車模型完成之后，本文把仿真結果與原型車試驗結果進行對標。原始波形經過濾波通道頻率等級為60的低通濾波器濾波后[11]，得到CFC60 波形，B 柱加速度曲線對比結果如圖3 所示。

圖3 整車正面碰撞仿真與試驗對標模型

碰撞過程中能量變化情況、沙漏能比率等指標曲線見圖4。從圖中可以看出，在整個碰撞過程中，總能量守衡，碰撞結束后整體能量為141.4 kJ，計算沙漏能為4.0 kJ，占比為2.83%，小于規定的5%，因此模型有效，碰撞仿真結果可信度較高[12]。

圖4 整車正面碰撞仿真能量轉化過程

主要傳感器測點速度變化見圖5，車輛整體變形量對比見圖6。速度變化與終速穩定趨勢相近，整車計算最大壓縮量為554 mm，試驗最大壓縮量為601 mm，誤差為?7.8%，滿足工程使用要求。

在汽油車碰撞模型的基礎上，我們通過更新結構建立了改制電動車的仿真模型，再進行正面碰撞仿真的仿真計算，以保證原型車與改制車仿真計算對比結果的可信度。

圖5 速度信號變化過程

圖6 位移信號變化過程

2.3 原型車與改制車正面碰撞仿真結果對比

2.3.1 加速度信號對比分析

原型車(燃油)正面碰撞加速度信號與改制電動車的加速度信號對比如圖7 所示。由結果可知，燃油車正面碰撞最大加速度為35.5g，發生時刻為50.1 ms；由其改制的電動車正面碰撞最大加速度為28.6g，發生時刻為66.5 ms。

圖7 加速度信號對比

兩者對比可知整車正面碰撞加速度峰值有所降低，峰值時刻后移。詳細結果見表1。改制電動車相對于原型車，由于整車質量增加(主要為電池，集中在車身中后部)，正面碰撞時峰值加速度降低約20%。其峰值的降低有助于改善駕駛員頭部傷害HIC 值，降低了后繼安全氣囊的標定工作難度。加速度峰值時刻滯后，影響安全氣囊的起爆時間，說明整車質量變化過大的情況下，影響車輛安全性，需要對安全氣囊重新進行標定。

表1 燃油車與電動車正面碰撞加速度信號仿真結果對比

2.3.2 速度信號對比分析

在整車正面碰撞過程中，當車輛的碰撞速度降為0 時，表明碰撞壓縮過程結束，車輛開始反彈，通常把這個速度變化等于0 的時刻定義為碰撞結束的時刻。由圖8 中速度變化曲線可知，當速度變化到0 時，燃油車(原型車)的整個正面碰撞過程結束的時刻為68.8 ms，電動車(改制車)的整個正面碰撞結束的時刻為80.6 ms。

圖8 速度信號對比

兩者對比，可以明顯看出電動車(改制車)碰撞過程持續的時間比燃油車(原型車)的長，增加了11.8 ms，碰撞持續過程延長。這表明有更多的結構部件參與了碰撞過程的變形吸能，所以延長了碰撞變形持續的時間，這個結果與整車質量增加導致初始碰撞總能量增加是一致的。而碰撞持續的時間增加以后，將會導致駕駛員向前運動時間和運動距離增加，可能導致駕駛員前移量或者胸部壓縮量增加，需要重新標定安全帶，以保證駕駛員和乘員的位移量在合理的范圍內。

2.3.3 位移(變形)信號對比分析

在整車正面碰撞過程中，車輛前端壓縮量是考察整車耐撞性的一個重要的指標。我們可以通過仿真直接獲取車輛前端的變形量，即從碰撞開始到碰撞結束時刻，車輛在車身方向上位移的距離就是希望獲得的車身的最大變形量。之后，車身變形的結構開始反彈，所以本文在碰撞試驗后測量的車輛最大壓縮量一般小于仿真結果，其誤差產生的原因也在這里。由圖9 車身位移(變形)曲線可知，燃油車(原型車) 在68.8 ms 時車身前端最大變形量為598.6 mm，電動車(改制車)在80.6 ms 時車身前端最大變形量為672 mm。

圖9 車身位移(變形)

電動車(改制車)相對于燃油車(原型車)在正面碰撞工況下，其車身前端最大變形量增加量為73.4 mm，增幅接近12.3%。最大變形量的增加表明車身結構部件參與變形的程度增加，前端結構變形吸能量也變大。其原因是整車質量增加(主要是電池包的質量增加，集中在車輛中后部)，而車輛前端結構基本上保持了與原車結構一致，在沒有進行針對性加強的情況下，需要更多的結構部件參與變形來承擔吸能的作用，所以車身前端變形量會加大。這與前文整個碰撞變形過程變長的原因分析也是一致的。

3 正面碰撞主要影響因素及試驗結果

3.1 改制車正面碰撞性能主要影響因素

3.1.1 整車質量增加量

燃油車改制電動車時，由于續航里程的要求，電池包的質量增加導致整車質量有了大幅度的增加，這成為影響整車正面碰撞安全性能的首要因素。正面碰撞總能量計算公式為

式中M為碰撞車總質量。由此可見，整車總質量的增加將直接影響碰撞的總能量。

而車輛前端結構變形吸能，可以簡化為碰撞力在變形路徑上的做功：

當車輛前端結構基本不變時，可以近似地認為碰撞力F固定。由于總的動能增加，前端結構需要吸收更多的能量，即E′在F不變的條件下，做功的距離則會增加，車身最大變形增加。

3.1.2 車身結構相對強弱變化

由于電池包集中在車輛的地板中部和后部，車身前端基本上保持了原車的結構。電池包本身的安裝方式(剛性支架)和自身(內部角鋼桁架)結構均對車身中部地板剛度有加強作用。在車身前部結構總體不變的情況下，由于后部結構的加強，將導致車身前部結構相對變弱，這也從側面印證了仿真分析中車身前端為了吸收更多的碰撞能量，其變形量增加的結果。

3.1.3 對車輛正面碰撞的影響趨勢

燃油車改制電動車時，為了節約開發成本，最大程度上沿用了原車的結構，在車輛質量大幅增加的情況下，將導致改制車有如下變化：

1)碰撞加速度峰值：由于車輛前端結構相對“變弱”，整車正面碰撞加速度峰值將有所降低，峰值發生時刻也將比原車滯后；

2)車身最大變形量：由于需要整車初始動能增加，車身前端結構需要吸收更多的能量，所以車身變形量將比原車增大；

3)碰撞過程持續時間：由于車身變形量的增加，整個碰撞變形持續的過程也將延長，即車輛速度變為0 的時刻將滯后。這樣才能保證碰撞能量得到充分的傳導和釋放，車身的加速度、速度、位移信號三者相互印證，結果統一。

3.2 正面碰撞試驗結果

電動車(改制車)完成以后，公司委托中國汽車研究所碰撞試驗中心在進行了正面碰撞摸底試驗。試驗如10、11 所示。

圖10 正碰面碰撞摸底試驗

圖11 正碰面碰撞摸底試驗加速度曲線

根據試驗結果，我們對原車結構進行了局部改善與加強，并在此基礎上完成了電動車(改制車)車輛碰撞性能的強檢認證，車輛碰撞安全性能滿足了GB 11551?2014 《汽車正面碰撞的乘員保護》法規的要求。

4 結論

本文研究了燃油車改制電動車時正面碰撞仿真分析的主要過程，基于整車正面碰撞仿真結果主要因素的對比，總結了車輛改制過程中正面碰撞性能的主要影響因素及趨勢。

1)在未進行全新開發的條件限制下，由燃油車改制電動車的技術方案是可行的。

2)在車輛前端變形空間足夠的情況下，整車質量的增加引起正面碰撞安全性能的變化，可以由增加車輛前端變形量來實現碰撞能量轉移。

3)通過對加速度、速度和位移變形信號的分析對比，可以明確燃油車(原型車)和電動車(改制車)的正面碰撞性能差異程度和主要變化趨勢。

通過本研究，可以明確正面碰撞性能受改制影響的范圍，針對性地做出設計調整和結構改善，避免盲目、無目標地開展設計工作。仿真方法的應用可以協助我們快速驗證設計方案，減少設計反復周期，降低電動車的研發成本。