基于侧碰安全性的纯电动轿车地板构架设计的研究

李仲奎

（东风汽车公司技术中心，武汉　430058）

基于侧碰安全性的纯电动轿车地板构架设计的研究

李仲奎

（东风汽车公司技术中心，武汉430058）

为提升纯电动轿车在侧面碰撞过程中对动力电池和驾驶员的保护性能，对电动汽车车身结构进行了研究。通过对侧碰过程中电动汽车车身变形模式的分析，提出了对电动汽车B柱结构和地板结构的改进方案，根据改进方案设计了车身地板构架结构。通过仿真和试验表明，改进后的车身地板对电池和驾驶员都有较好的保护性能。

主题词：纯电动轿车侧面碰撞地板构架性能

1　前言

目前，轿车基本上都采用不带有车架的承载式车身［1］，车身底板主要由门槛梁、内纵梁、座椅梁、地板横梁和中通道连接形成地板构架实现承载。纯电动轿车的动力电池因体积大、互联性要求高，多集中布置在车身底板下部位置，且由于动力电池自身质量大、易发生火灾事故等原因，在纯电动轿车开发过程中如何重新构建地板构架结构，实现对电池的可靠固定和对电池、驾驶员、乘员的有效保护成为车身设计的关键［2］。为此，本文针对纯电动轿车的车身地板结构设计进行了研究。

2　纯电动轿车电池安全性分析

2.1动力电池布置

目前，纯电动汽车动力电池布置方式主要有3种方案，一是采用一个电池包，布置于前地板与中地板下方；二是分成两个电池包，分别位于中通道和中地板下方；三是采用一个电池包，位于后悬架后方、行李箱底部。考虑到电池的容量、箱体结构、密封及装载空间和整车的轴荷分配［3］，第1种方案更受车企推崇，其布置方式如图1所示。

图1　电池系统布置位置

第1种方案的优点是电池单体集中在一个电池包内，互联性好，电池冷却系统设计及密封都相对简单；缺点是后排乘客脚踏位置偏高，前排座椅升降功能被取消。此方案对车身地板结构设计影响较大，除要考虑车辆碰撞过程中对乘员的保护，更要关注碰撞过程中动力电池能否受到较好保护，以及电池固定点是否可靠。由于动力电池安装位置对正面碰撞吸能空间无影响，因此研究电动轿车的碰撞性能主要关注侧面碰撞。

2.2传统车侧碰过程中车身变形模式分析

传统车在发生侧面碰撞时，通常情况下车身横断面变形状态如图2所示，门槛梁的变形如图3所示。由图2可看出，B柱下段向内侧倾斜移位较大，左前地板受到挤压折弯或溃缩变形，变形量较大。由图3可看出，门槛梁侵入量较大，最大侵入量达225.6 mm。若电动汽车在发生侧面碰撞时也出现类似的车身变形，就会造成门槛梁挤压电池，使电池受到损伤。

图2　传统车侧碰变形示意

图3　传统车侧碰后门槛梁侵入量

2.3电动轿车侧碰过程中车身变形模式分析

电动轿车地板断面如图4所示，电池箱体边缘距门槛梁仅170 mm左右，如果发生侧面碰撞，则电池系统会受到严重挤压。故此在电动轿车地板结构设计上首先需要加强地板的横向强度设计［4］，以避免侧面碰撞过程中门槛梁向车身内侧弯曲过多而挤压电池。

图4　电动轿车地板断面

当地板横向强度增加之后，侧碰时地板变形将减小，碰撞能量因在地板处得不到有效释放而转移到B柱或其它部位，这样又会造成B柱变形量过大，以致伤害到驾驶员。因此，还需要改变B柱的变形模式，以提高驾驶员生存空间。

图5是车辆发生侧面碰撞前、后B柱变形模式对比。由图5可以看出，侧碰前B柱断面状态为中下段向车身外侧微凸；传统车侧碰过程中，B柱断面状态为下段向车身内侧倾斜，整体仍呈向车身外侧凸起的弧形，能为驾驶员提供较大的生存空间；电动轿车发生侧碰时，期望的B柱变形状态为中上段呈向车身外侧凸起的弧形，B柱底端向车身内侧仅有少许移位，可避免门槛梁挤压电池。考虑到碰撞能量的转化，允许B柱的下段向内侧弯曲，以便于吸能。

图5　车辆B柱变形模式对比

由上述分析可知，要实现电动轿车在侧碰过程中既能保护驾驶员和乘员安全，又能保护车身底板下方的动力电池免受挤压损毁，需要对B柱强度和地板结构进行改进。B柱强度可通过改变B柱的截面结构实现，而车身底板结构较复杂，更改较困难。为此，将针对电动轿车的车身地板构架进行改进设计。

3　电动轿车地板构架设计

3.1地板构架改进方案

电动轿车地板结构呈现凸凹不平状，如图6所示。为增强车辆碰撞过程中对电池的保护，提升电池系统的固定点强度，以及增强车身的弯曲刚度、扭转刚度，最终设计的地板构架方案如图7所示。由图7可看出，改进后车身地板上各梁构成纵向贯通、横向贯通的相互关联的结构。

图6　电动轿车地板结构

3.2地板构架结构设计

根据地板构架方案设计的地板结构如图8所示。由图8可看出，改进后的地板结构与传统车的区别是，座椅横梁贴合在地板凸起形状的上方，内外端仍然连接中通道和门槛梁，对于前地板中部高、边部低的现状，在边部上方座椅横梁采用悬空状态，似桥梁跨越，另外增加前地板下横梁以提升横向强度。为提升车身的纵向强度，紧邻电池箱两侧设计前地板内纵梁，内纵梁前端通过平滑过渡连接车身前纵梁，后端连接后地板边纵梁，同时在内纵梁设置电池箱的固定点。

图7　电动轿车地板构架方案

图8　改进后地板结构形式

座椅横梁处的地板横断面如图9所示，座椅横梁外端连接门槛梁，内端连接中通道。前地板下横梁处的地板横断面如图10所示，下横梁连接左右门槛梁，同时连接中通道底部。

图9　座椅横梁处横断面

该构架结构匹配的地板总成和安装电池后的结构状态如图11所示。

图10　前地板下横梁处横断面

图11　电池在地板下方安装状态

4　性能分析及试验验证

4.1性能分析

4.1.1白车身静刚度

针对按构架方案设计的电动轿车白车身进行了弯曲刚度、扭转刚度分析，结果见表1。与同平台的传统车车身相比，电动轿车白车身静刚度明显提高。

表1　电动轿车白车身静刚度与传统车对比结果

4.1.2电池固定点强度

对该电动轿车动力电池箱固定点强度进行了垂直冲击、转向、制动3种工况分析，结果见表2。由表2可知，存在风险的零件最大应力值都小于零件自身材料的屈服极限值，满足强度要求。

表2　某电动轿车动力电池固定点强度

4.1.3侧面碰撞分析

通过仿真模拟［5］移动变形壁障以50 km/h的速度撞击电动轿车侧面，碰撞后B柱侵入量如图12所示，最大值位于B柱的下段，即P3点处，为106.3 mm。B柱的底端侵入量较小，仅有28.6 mm。B柱中上段仍保持向车身外侧外弯曲的趋势。整体变形模式符合预期。

仿真过程中门槛梁的侵入量如图13所示，在P3～P7位置处侵入量较大，变形趋势与传统车类似，总体上侵入量比传统车小很多，最大侵入量仅为69.3 mm。

图12　电动轿车侧碰后B柱侵入量

图13　电动轿车侧碰后门槛梁侵入量

仿真过程中电池箱体的侵入量如图14所示，电池箱体侧边最大侵入量为2.64 mm。由于电池组位于箱体内部，与箱体之间还有约10 mm的间隙，因此电池箱体的少许变形不会对电池组造成挤压，电池处于安全状态。

图14　电动轿车侧碰后电池箱体侵入量

4.2试验验证

4.2.1耐久试验

对按前文构架方案开发的电动轿车进行了道路耐久试验，试验车辆行驶8.6万km后未发现电池固定点处车身有开裂现象，整个车身底板下方完好无损坏。

4.2.2侧碰试验

对该电动轿车进行了移动变形壁障侧面撞击试验，车身变形情况符合要求，B柱中上段呈现向车身外侧凸起的弧形，底端略微内凹，假人的头部、胸部、骨盆、腹部都受到较好的保护。车身门槛梁变形量较小，动力电池箱体状态良好，几乎未受到挤压变形。车身碰撞后状态如图15所示。

图15　侧碰试验后的车辆

5　结束语

为提升电动轿车侧面碰撞过程中对动力电池和驾驶员的保护性能，对电动轿车车身结构进行了研究。通过对侧碰过程中电动汽车车身变形模式进行分析，提出改进B柱结构和地板结构的设计方案，并设计了电动轿车车身底板构架结构。经仿真分析和试验测试表明，所设计的车身结构对电池和驾驶员都有较好的保护性能。

1高云凯，邵力行，张海华.微型电动车非承载式车身轻量化研究.汽车工程，2008，30（9）：808～810.

2高云凯，姜欣，张荣荣.电动改装轿车车身结构优化设计分析.汽车工程，2005，27（1）：115～117.

3刘宁，王家雁，吴明瞭，等.动力电池包系统在纯电动汽车上的应用.北京汽车，2014（6）：30～34.

4吴东琴.前地板横梁对车身及侧碰性能的影响.2013中国汽车工程学会年会，北京，2013.

5兰凤崇，庄良飘，钟阳，等.乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践.汽车工程，2010，32（9）：763～768.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年6月28日。

Research on Design of the Underbody Framework for Pure Electric Car Based on Side Impact Crashworthiness

Li Zhongkui
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430058）

In order to improve the protection performance of electric car，especially，the safety capability for battery and driver in course of lateral collision，the body structure of electric car is researched.After analyzing body deformation mode during lateral collision，an improvement plan for B-pillar structure and floor structure of electric car is proposed，based on this plan，car underbody framework is designed.Both simulation and test indicate that the improved underbody and battery can provide fairly good protection to the battery and driver.

Pure electric car,Lateral collision,Underbody framework,Performance

U463.83

A

1000-3703（2016）09-0043-04