純電動客車尾部碰撞安全防護結構設計

崔崇楨，李建平

純電動客車尾部碰撞安全防護結構設計

崔崇楨，李建平

（宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450001）

純電動客車尾部布置有動力電池、整車控制器、高壓配電盒等高壓零部件，在遭受卡車、公交車等大型車輛追尾碰撞時容易產生短路、漏電，甚至電池起火。為了提升和評估純電動客車尾部結構防護效果，文章采用卡車以100%和30%重疊率追尾電動客車的仿真方法分析了客車尾部結構變形，并設計了吸能結構、碰撞傳力結構改善電動客車尾部碰撞安全性。從仿真分析結果來看，客車尾部結構的變形量顯著減小，純電動客車尾部動力電池、高壓配電盒等高壓零部件被擠壓損壞的風險降低。

純電動客車；尾部碰撞；吸能結構；動力電池

近年來純電動客車在我國大中小城市迅速普及，已經成為人們日常出行的重要交通工具。由于客車質量大，搭載的動力電池電量也較高，電池箱一般布置在前后軸中間的乘客艙下部、車輛尾部、頂部等，整車控制器、高壓配電盒等高壓零部件常布置在尾部艙體內。一旦發生側面、尾部碰撞等安全事故，會造成高壓零部件和動力電池擠壓損壞，產生短路、漏電、起火、爆炸等危險情況，危及車內的乘客[1]。為了提升電動客車安全性，2016年工信部組織制定了《電動客車安全技術條件》，并于2020年5月正式發布了《電動客車安全要求》（GB 38032－2020）。在碰撞安全性方面，參考乘用車側面碰撞安全性試驗方法，要求電動客車最薄弱位置應滿足950 kg移動變形壁障碰撞后不起火、不爆炸[2-3]。在純電動客車碰撞安全性研究方面，王震坡等[4]采用仿真分析的方法對純電動客車的側面碰撞安全性進行了研究，指出了電池艙門骨架剛度小、電池模塊固定能力差、碰撞區側圍骨架緩沖吸能能力弱等是影響側碰電池安全性的主要因素；胡付超等[5]根據《電動客車安全技術條件》要求，針對某12 m純電動城市客車側面碰撞安全性進行了仿真分析和改進研究；郭慧[6]采用碰撞相容性方法研究了乘用車追尾純電動公交事故，并提出了純電動客車尾部電池箱防護結構的改進方案。以上研究主要針對乘用車與電動客車側面和尾部碰撞事故，而電動客車在停靠站、正常運行過程中被卡車、公交車等大型車輛追尾起火的事故時有發生，采用乘用車追尾客車評價方法不足以覆蓋卡車、公交車追尾公交車事故，如何評價純電動客車后部遭受卡車、客車碰撞中高壓零部件的安全性已成為客車行業的一個難題。

本文結合某8 m純電動客車特點，提出了采用10 t卡車有限元模型以100%和30%重疊率追尾碰撞客車的仿真分析評價方法，并設計了客車尾部吸能結構和傳力結構，有效改善了尾部被撞時高壓零部件的安全性，為純電動客車尾部碰撞安全性改善提供了參考。

1 客車尾部碰撞工況建立

純電動客車為提高其續航能力，布置有較多動力電池箱，為了不影響乘員艙空間，尾部一般會集中布置部分動力電池、控制器、高壓配電盒等高壓零部件。當被其他車輛追尾時，容易引起高壓線束擠壓破損，電池箱、控制器擠壓變形，導致短路、漏電、起火等事故。結合近年網絡媒體的公開報道，分析多起純電動客車被卡車、公交車等大車追尾起火的事故，從事故碰撞位置來看，可以分為全寬追尾碰撞和偏置追尾碰撞。全寬追尾碰撞是兩車參與碰撞部件多，重疊率接近100%的事故類型；偏置追尾碰撞是兩車部分部件參與碰撞變形的事故類型，典型事故如圖1所示。

圖1 純電動客車被追尾事故

1.1 純電動客車有限元模型建立

本文以某8 m純電動客車為研究對象，根據車輛幾何模型，利用HyperMesh軟件建立有限元模型，主要包括骨架、車架、電池箱體、控制器外殼、后艙門等。車身型材、板材采用殼單元，單元尺寸控制在10 mm左右，型材接頭部位通過共節點或剛性單元進行連接。實車骨架材料主要為QSTE700、510L、Q235三種常用鋼材，仿真分析采用24號MAT_PICEWISE_LINEAR_PLASTI- CITY材料本構模型。電池箱、高壓盒、電動空壓機等高壓部件簡化為空殼，不考慮其材料特性和接觸特性，僅用來測量仿真中其他結構是否侵入到其結構空間內（產生擠壓）。模型整備質量為 6 850 kg，空載重心位置均與實車一致，整車有限元模型如圖2(a)所示。尾部高壓零部件如圖2(b)所示，電動空壓機位于后部車架中間，左右兩個電池箱位于后段中部，高壓配電盒位于左側電池箱上部。

圖2 某8 m純電動客車有限元模型

1.2 碰撞車輛有限元模型

目前，在國內外的碰撞法規中還沒有針對客車后碰撞臺車的相關規定，乘用車后碰的臺車質量僅有1 100 kg[7]，不適合模擬客車、貨車等大型車輛。本文選擇米蘭理工大學ANGHILERI等建立的某載貨汽車模型作為碰撞車輛，并將其配重至10 t，與電動客車最大載重質量接近，如圖3所示。

圖3 碰撞車輛有限元模型

1.3 分析工況

《中國汽車行駛工況第2部分：重型商用車輛》（GB/T38146.2－2019）提出了我國貨車（車輛總質量＞5 500 kg）在市區和城郊的運行速度標準工況，市區和城郊的平均速度分別為5.13 km/h和31.28 km/h[8]，因此，選擇30 km/h作為貨車碰撞速度，電動客車為靜止狀態。

全寬追尾碰撞采用卡車與客車中心線一致的100%重疊追尾。偏置追尾碰撞相對更加復雜，為了考核客車左后部結構強度，采用30%客車尾部車寬重疊率，此時客車縱梁后部不參與碰撞變形，貨車縱梁與客車左后結構發生碰撞，對客車左后部結構強度要求相比其他重疊率更高。

基于以上分析，分別建立10 t卡車100%和30%重疊率追尾碰撞某8 m純電動客車分析工況，碰撞速度均為30 km/h，碰撞初始動能為347 kJ，如圖4所示。

圖4 追尾碰撞仿真分析工況

選取兩種工況碰撞后車體結構與高壓配電盒、電池箱、電動空壓機等的距離作為評價指標，要求碰撞后關鍵高壓零部件不受擠壓，如表1所示。

表1 追尾碰撞中尾部高壓部件安全距離要求 單位：mm

100%重疊工況30%重疊工況 高壓配電盒安全距離≥0≥0 電池箱安全距離≥0≥0 電動空壓機安全距離≥0≥0

2 100%重疊追尾碰撞分析及改進

2.1 原狀態分析

客車原狀態被卡車100%重疊追尾碰撞后，高壓艙變形如圖5所示。貨車車架及橫梁離地高度在700～1 000 mm范圍內，與客車尾部電池箱下部和固定結構處在同一高度。由于沖擊力較大，客車尾部部分車架、骨架型材被撞擊出現斷裂，侵入到高壓配電盒、轉向油罐、電動空壓機、電動空壓機空濾器等結構空間內部，意味著在真實碰撞中這些部件將會受到碰撞擠壓，損壞風險較高。

圖5 原狀態100%重疊追尾碰撞變形示意圖

2.2 優化方案設計及驗證

采用碰撞幾何相容性設計思路，在客車尾部離地高度700～1 000 mm范圍內合理設計客車后部吸能結構及車架力傳遞結構，與貨車車架及橫梁結構持平，如圖6(a)所示。吸能結構包括左右兩個吸能器和橫板，傳力結構包括橫梁和斜撐，如圖6(b)所示。通過吸能結構吸收碰撞能量、緩沖碰撞強度，車架傳力結構向其他結構傳遞和分散碰撞力，確保高壓零部件不被擠壓。通過多輪優化分析，吸能結構吸能量達到45 kJ時，可以保證后部電池箱、轉向油罐、電動空壓機、電動空壓機空濾器等部件不會受到擠壓。

圖6 100%重疊追尾碰撞改進方案

2.2.1吸能器設計

汽車吸能器設計時，需要根據整車要求確定截面型式、材料、壁厚等參數。常用的截面型式有正方形、田字型、圓形、多邊形、嵌套等，吸能器材料有鋼材、鋁合金、復合材料等[9-10]。本文根據客車尾部的空間尺寸，考慮到鋁合金在變形吸能過程中的壓潰力更加穩定、沒有材料失效的特點[11]，采用6063P鋁合金擠壓成型的“田字型”吸能器。吸能器截面尺寸為110 mm×80 mm；四周壁厚為4.0 mm；內部“十字形”肋板厚度為 3.5 mm。吸能器4條棱邊及每個平面中心處開有圓形誘導孔，半徑為8 mm，使吸能器按照“手風琴”模式變形，并降低初始壓潰力峰值，吸能器本體型材在準靜態載荷下平均壓潰力為300 kN左右，如圖7－圖8所示。

圖7 “田字形”吸能器

圖8 吸能器壓潰變形和壓潰力

2.2.2吸能器臺架碰撞驗證

為驗證上述方案中吸能器能否產生穩定的軸向壓潰變形，以及傳力支撐結構能否支撐吸能器變形，打制如圖6(b)所示的尾部框架結構進行碰撞試驗驗證。碰撞試驗采用剛性表面臺車撞擊固定臺架的方法，其中臺車質量為690.5 kg，前部剛性表面高度為400 mm，寬度為1 490 mm。為保證試驗中吸能結構能夠吸收45 kJ左右的能量，考慮到碰撞過程中的能量耗散，將碰撞臺車速度設定為45 km/h，碰撞能量約為55 kJ。為了便于試驗，將尾部框架進行上下倒置，如圖9(a)所示。

碰撞試驗后，左右兩側吸能器均能產生正常軸向壓潰式變形，左側吸能器變形量為75 mm，右側吸能器變形量為65 mm，變形模式與仿真分析中一致；傳力結構保持原狀態，無明顯的彎曲和軸向壓潰變形，如圖9(b)所示。從試驗結果可以看出，碰撞吸能結構有效變形，吸收碰撞能量，傳力結構可以保證吸能結構產生軸向壓潰變形。

圖9 臺架碰撞試驗

2.3 改進效果

對原狀態及優化后的客車進行100%重疊追尾碰撞仿真分析，尾部高壓零部件與周圍結構安全距離對比如表2所示。客車原狀態碰撞中高壓配電盒受到侵入，侵入量42 mm，優化后安全距離達到63 mm；電池箱安全距離由25 mm提升到 97 mm；電動空壓機安全距離從-33 mm提升到 37 mm，有效保證高壓零部件不受擠壓，降低了漏電、短路風險。

表2 100%重疊追尾碰撞尾部高壓部件安全距離對比 單位：mm

原結構優化結構 高壓配電盒安全距離-42（侵入）63 電池箱安全距離2597 電動空壓機安全距離-33（侵入）37

3 30%偏置追尾碰撞分析及改進

3.1 原狀態分析

按照100%重疊追尾碰撞優化改進后的方案，進行30%重疊追尾碰撞工況進行仿真分析，客車后部電池箱安裝層骨架強度較低，產生彎曲變形，變形量約250 mm；后圍結構侵入電池箱125 mm，侵入高壓盒140 mm，而電動空壓機由于位于車架中間從而未受到碰撞，尾部結構碰撞變形如圖10所示。未受到碰撞的主要原因是100%重疊追尾碰撞優化改進方案增加的吸能和傳力結構布置在車架中部，但是在30%重疊追尾碰撞工況中起不到吸能效果。

圖10 原狀態30%重疊追尾碰撞變形

3.2 改進方案及分析

根據原狀態30%重疊碰撞仿真分析結果，進行結構優化改善，在電池底部安裝層骨架增加傳力結構，使碰撞力向中間主桁架傳遞，降低電池艙體局部變形。同時對后圍立柱型材加強，降低后圍骨架變形，如圖11所示。

圖11 30%重疊追尾碰撞改進方案

改進前后的30%重疊追尾碰撞仿真分析結果對比如表3所示。電池安裝層骨架最大變形量由250 mm下降到45 mm；高壓配電盒安全距離由-140 mm提升到5 mm；電池箱安全距離由-125 mm提升到60 mm。保證這兩個高壓部件不受變形結構擠壓損壞，尾部車體結構變形情況如圖12所示。

表3 30%重疊追尾碰撞尾部高壓部件安全距離對比 單位：mm

原結構優化結構 高壓配電盒安全距離-140（侵入）5 電池箱安全距離-125（侵入）60

圖12 優化后30%重疊追尾碰撞結構變形

4 結論

1）結合常見事故類型建立了10 t卡車以 30 km/h速度100%和30%重合率追尾碰撞某8 m純電動客車碰撞仿真分析模型，并采用碰撞幾何相容性的方法進行結構優化改進。

2）針對100%重疊碰撞，設計了“田字形”吸能結構和傳力結構，關鍵部件安全距離增加70～105 mm；針對30%重疊碰撞，設計了傳力結構和立柱加強結構，關鍵部件安全距離增加了145～185 mm，有效保護純電動客車后部電池箱、高壓盒、電動空壓機等高壓零部件不被擠壓。

本文的客車尾部碰撞安全性仿真分析方法和結構優化方案為純電動客車尾部安全性改善提供了參考。

[1] 曹立波,童俊,鄧群,等.混合動力客車高壓電安全性能研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2008(4):42- 46.

[2] 中華人民共和國工業和信息化部.工業和信息化部關于進一步做好新能源汽車推廣應用安全監管工作的通知[EB/OL].(2016-11-15)[2023-01-02].https:// www.miit.gov.cn/zwgk/zcwj/wjfb/zbgy/art/2020/art_7d72a420ded343f69087f4fcbd833e19.html.

[3] 中華人民共和國工業和信息化部.電動客車安全要求:GB 38032－2020[S].北京:中國標準出版社,2020.

[4] 王震坡,王越.純電動客車側碰撞有限元建模及仿真分析[J].北京理工大學學報,2013,33(3):266-270.

[5] 胡付超,王波,林偉,等.純電動城市客車動力電池安全防護碰撞仿真分析與改進[J].客車技術與研究, 2017,39(5):26-28.

[6] 郭慧.純電動公交車與乘用車追尾碰撞相容性研究[D].廣州:華南理工大學,2015.

[7] 中華人民共和國工業和信息化部.乘用車后碰撞燃油系統安全要求:GB 20072－2006[S].北京:中國標準出版社,2006.

[8] 中華人民共和國工業和信息化部.中國汽車行駛工況第2部分:重型商用車輛:GB/T 38146.2－2019[S].北京:中國標準出版社,2019.

[9] 劉中華,程秀生,楊海慶,等.薄壁直梁撞擊時的變形及吸能特性[J].吉林大學學報(工學版),2006,36(1): 25-30.

[10] LU G X,YU T X.Energy Absorption of Structures and Materials[M].New York:CRC Press LLC,2003.

[11] 崔崇楨.全承載客車正面碰撞吸能器設計與驗證[J].汽車工程學報,2021,11(6):427-433.

Design of Safety Protection Structure of Pure Electric Bus in Rear End Impact

CUI Chongzhen, LI Jianping

( Yutong Bus Company Limited, Zhengzhou 450001, China )

Power battery packs, vehicle control unit and power distribution unit of pure electric bus are always located at its rear end. Short circuit, leakage of electricity and fire would occur when the rear end of pure electric bus is impacted by truck or bus. In order to improve and evaluate the protection effect of pure electric bus rear end structure, the simulation method of rear impact by truck with 100% and 30% overlap is used to analyze the rear end structure deformation of electric bus. The energy absorption structures and impact force transfer structures are designed to improve electric bus safety in rear end impact. The simulation results show that the deformation of bus rear ear structures and the damage risk of battery packs, power distribution unit of pure electric bus are decreased obviously.

Pure electric bus; Rear end impact; Energy absorption structures; Power battery

U469.13

A

1671-7988(2023)18-56-06

崔崇楨（1984－），男，博士，高級工程師，研究方向為汽車安全技術，E-mail:155137791@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.012