電動客車碰撞安全性設計改進

關鍵詞：CAE ；電動客車；碰撞安全

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，汽車已經日漸成為人們的生活必需品。但傳統內燃機汽車帶來的環境污染及能源短缺問題日益凸顯，電動汽車以其良好的環保特性和能源替代特性而備受關注。如何開發出安全又經濟，同時能夠滿足用戶需求的電動汽車，已成為各國政府和汽車行業共同關注的新課題。

在電動汽車研發領域，碰撞安全性一直是消費者和研發人員最為關注的關鍵問題之一。特別是對于客車這類載客量大、行駛工況復雜的車型，一旦發生交通事故，往往會造成嚴重后果。

相較于傳統燃油客車，由于動力系統的特殊性，電動客車的安全系統設計更為復雜。在行駛過程中，若車輛發生碰撞、翻車等事故，可能導致動力系統短路、漏電、燃燒甚至爆炸，從而對乘員造成電傷害、化學傷害以及燃燒傷害等多重威脅。因此，在電動客車的研究開發過程中，對其安全設計進行系統的研究具有極其重要的意義。

目前，各汽車企業和研究機構對電動汽車安全性的研究已日趨成熟，但在碰撞安全性的根本原因、解決方案及策略方面仍在不斷積累經驗。本文對新型純電動客車在研發過程中的碰撞安全性進行基礎性能指標分析，識別出相關的問題風險項。以解決問題為導向，從碰撞能量、重量分配、傳力路徑、布置缺陷等根本原因出發，提出相應的改進方案，并對方案進行仿真驗證，以確保該新型電動客車的碰撞安全性滿足要求。

1 燃油客車與電動客車結構對比

1.1 傳統燃油客車結構特性

傳統燃油客車的結構特性與其他類型的乘用車相似。在前機艙內，布置有燃油發動機、變速器、燃油管路及排氣系統的部分結構，如圖1 所示。在正面碰撞過程中，前艙的動力系統會受到正面沖擊并向車輛后方移動。由于動力系統的結構強度通常高于車體結構，因此它會擠壓前圍板，導致前圍板及其周圍的車體結構發生變形，進而侵入乘員艙，影響艙內乘員的生存空間。此外，在碰撞過程中，這些部件的安全性同樣需要被考慮，以防止燃油泄漏或起火等風險的發生，如圖2 所示。

1.2 新能源電動客車結構特性

新能源客車的前艙則通常布置有AC 高壓空調壓縮機（ 用于制冷）、PTC 高壓加熱器（ 用于制熱）、MCU 電機控制器、PDU高壓配電盒、DCDCamp;OBC（ 直流轉換器amp; 車載充電器）、 VCU整車控制器以及HV-Motor 高壓電機等元件，如圖3 所示。由于這些高壓元件的殼體通常采用厚度較大的鑄鋁材料制成，其結構強度往往高于車體結構。因此，在車輛發生正面碰撞時，這些高壓元件也可能會對前圍板產生擠壓，導致前圍板及其周圍的車體結構發生變形，進而壓縮乘員艙的乘員生存空間。

此外，電動客車的乘員艙下方通常還布置有高壓動力電池。作為儲能元件，高壓動力電池在碰撞過程中的安全性能尤為重要。因此，不但需要在其周圍的車體上設計有強大的保護結構，還需要確保電池包自身具有足夠強度的殼體。這樣在發生碰撞時，高壓電池包才能保持較好的結構完整性，從而防止電池內部的短路、泄露或爆炸等危險情況的發生，如圖4 所示。

2 電動客車碰撞分析

2.1 初始設計正面碰撞仿真分析

GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》與GBT31498-2021《電動汽車碰撞后安全要求》中對M1 類電動客車的碰撞安全性提出了詳細的正面碰撞技術要求。

在基于某燃油客車平臺進行電動車型開發的過程中，通過更新動力系統等相關零部件，形成了同平臺的新型電動客車初始設計，如圖5 所示。利用ANSA、OASYS 等仿真建模軟件，為這款新型電動客車建立了仿真建模，并借助動力學軟件LSdyna，對其在50 kph 正面100% 重疊剛性墻碰撞的安全性進行了仿真計算，得到了整車的變形結果。

2.2 結構耐撞性問題

在50 kph 的正面碰撞仿真分析中，該電動客車的前端結構發生了較大變形，前圍板向后移動，對乘員艙的乘員生存空間造成了較大的侵入，如圖6 所示。

此外，加速踏板的后移量較大，這可能導致乘員腿部受到較大的傷害風險；轉向盤的后移量同樣較大，這可能導致乘員頭部存在較大的傷害風險；A 柱相對于B 柱的距離變化量增大，這可能導致車門在碰撞后被卡住，無法打開，增加了乘員逃生的難度，如表1 所示。

3. 原因分析、改進方案及驗證

3.1 原因分析

針對電動車型在50 kph 正面碰撞仿真分析中多項結構耐撞性指標不滿足要求的情況，我們與同平臺燃油車型進行了對比分析，找出了以下根本原因：

（1） 電動車型碰撞能量增加：電動車型相較于燃油車型，質量由2 691 kg 增加至3135 kg，導致碰撞能量增加了16%。

（2） 電動車型重量分配惡化：在碰撞過程中，燃油車型的前艙動力系統在40 ms 時與剛性墻接觸，釋放了308 kg 的動能。而電動車型的前艙動力系統在50 ms 時才與剛性墻接觸，此時僅釋放了137 kg 的動能，剩余的較大動能需要通過車體結構的變形來吸收，如圖7 所示。此外，電動車型600 kg 左右的電池包掛點集中在縱梁中段，導致能量載荷在縱梁傳力路徑上集中。

（3） 電動車型傳力路徑減少：燃油車型的發動機為縱置，除了左右縱梁外，傳動系統也可以作為一條傳力路徑將載荷向后傳遞并通過各個安裝點和橫梁進行分散。而電動車型僅依靠左右縱梁作為傳力路徑，因此建議加強現有的2 個傳力路徑（ 縱梁），提高縱梁的承載能力，如圖8 所示。

（4） 電動車型布置空間缺陷：電動車型機艙內的VCU（ 整車控制器） 和左側AC（ 高壓空調壓縮機） 作為硬點，在正面碰撞過程中會擠壓前防火墻及轉向管柱，導致該位置侵入量較大。因此，需要對這3 個零件的布置位置進行優化設計，如圖9 所示。圖中零件A 為高壓空調壓縮機，零件B 為轉向管柱，零件C 為整車控制器。

3.2 改進方案

針對上述原因，提出了以下改進方案：

（1） 前縱梁后端加強板（B1500HS-1.8mm）X 負向延長100mm，以提高現有傳力路徑的傳力能力。

（2） 新增地板前橫梁（B1500HS-2.0 mm），以提高乘員艙結構強度。

（3） 將吸能盒厚度由1.5 mm 增加至1.8 mm，以增加前端結構碰撞吸能量。

（4） 將左側壓縮機向前移動29 mm，以降低對轉向管柱的沖擊變形。

（5） 將 VCU 整車控制器由當前位置移動到防火墻中間位置，以降低對前圍板的沖擊變形。

以上改進方案如圖10-12 所示。

3.3 方案驗證

在實施以上5 個改進方案后，再次對改進后的電動客車進行了50 kph 正面碰撞性能的仿真分析。結果顯示，乘員艙（ 前圍板） 的侵入量整體得到了明顯改善，如圖13 所示。同時加速踏板侵入量、轉向盤侵入量、A 柱相對于B 柱的距離變化量也均有明顯改善，乘員的腿部、頭部傷害風險大大降低，碰撞后車門無法打開的風險也被消除。如表2 所示，改進方案實施后，車體耐撞性各項指標均滿足設計要求。

4 總結

本文基于某客車平臺的電動車型碰撞安全性開發，對該車型初始設計進行正面碰撞仿真分析，識別到結構耐撞性的風險問題，并對產生問題的根本原因進行解析，在此基礎上提出多個改進方案并對方案效果進行了仿真分析驗證，最終使得問題得到解決，結構變形的各項指標均滿足設計要求，證明了該電動車型碰撞安全性設計的分析及改進方法的有效性，可以為今后其他電動車型的碰撞安全性設計提供改進思路和方法指導。