电动乘用车正面碰撞车体结构（锂电池）耐撞性分析

曹景涛 陈西山 张慧芳

摘要：本文结合森源重工有限公司的电动乘用车项目，讨论了其中某款电动轿车在舱室布置和质量分布方面的特点，有针对性地设计规划了具有集中大质量块的电动轿车的碰撞载荷路径和正面碰撞变形区域，通过大量的CAE模拟分析，得出车身主要零部件在正面碰撞时对乘用空间的入侵量，计算结果表明：该设计达到了良好正面碰撞结构耐撞性能，保证了乘客的安全性。

关键词：电动轿车；结构耐撞性；变形空间；入侵量

1引言

能源短缺、环境污染等问题促进世界各国新能源汽车的发展，在这个大环境下，国内各大汽车企业的积极开发新能源汽车，其中以电动汽车为主。森源重工有限公司自主品牌电动乘用车项目开发出多款电动乘用车，本文以自主研发的某车型底盘系统，采用纯电动锂电池动力系统、全新的车身与内外饰，将锂电池包布置在底盘地下部，形成全新设计的电动乘用汽车。电动乘用车在整车布置、动力系统、储能电池包、质量分布、等方面均与传统内燃机动力乘用车具有有较大的差异。由于电动乘用车的电机、电池包等大质量块近似于刚性体的存在，使得电动汽车的碰撞与传统汽车不同，其设计成为一个新的难点。本文结合森源重工电动乘用车项目，针对纯电动乘用车车型小、质量大、重心低的特点，以理论分析和概念设计方法，完成了正向的正面结构耐撞性设计，获得了良好的结构耐撞性能，并形成适用于类似车型的设计方法。

2正面碰撞结构分析及有限元建模

图1所示的是此型的电动乘用车的主要部件布置方式。

限于储能要求和目前电池技术的限制，此纯电动汽车储能电池包的体积与质量要远远大于常规内燃机汽车。电动汽车需要布置一个大质量的储能电池包，一般来说质量都会超过200kg，往往超过整车质量20%，远超过内燃机汽车油箱的重量比例和混合动力汽车小型电池的重量比例。为充分利用车辆空间，这款电动汽车将储能电池包布置在地板以下，整车重心比传统内燃机车下移。同时，由于电动汽车没有排气系统，采用前轮驱动没有传动系统，所以没有中央通道。电动机、减速机体积比内燃机小，由于电动机发热降低，散热器体积也相应减小。而新增的PEB有较高的抗震和电磁屏蔽要求，因此需要较厚的金属外壳，这使它质量、体积较大，在碰撞中成为一个近似刚性体，占据了前舱上部的大量的可变形吸能空间。总体上，车辆中后部具有大集中质量的电动车的前碰撞变形空间非常紧张，为了获得较好的碰撞性能，保证碰撞安全，必须充分利用前舱碰撞中紧凑的吸能空间。

此次分析采用CAE有限元软件Hypermesh，薄壁件是乘用车车身的重要组成部分，如白车身、副车架、车身覆盖件等。在分析之前需要进行网格划分，对于薄壁件采用壳单元模拟格划分。划分网格太大将影响模拟精度，划分网格太小将大大增加计算时间。根据实际要求和经验，主要吸能部件网格划分较为精细，尺寸划分为10mm×10mm。由于电池包、电动机、减速器等近似刚体的存在，在实际碰撞中基本不发生变形，吸能也基本可以忽略不计，为简化计算可以采用刚性单元进行模拟。此车白车身与覆盖件连接形式主要是点焊和缝焊。共计划分节点1652564个，单元数量1634990个。有限元模型如图2所示。

根据GB11551-2003的要求，试验车辆100%重叠正面冲击刚性壁障，碰撞速度为50km/h，试验速度不得低于50km/h；前在排乘用舱驾驶员和乘员位置各放置一个HybridⅢ50百分位男性假人，用以测量前排人员受伤害情况。分析过程中，根据碰撞标准，试验车车速设定为50Km/h，碰撞方向设定为_X轴方向，进行正面100%重叠刚性碰撞，碰撞能量完全由试验车车体吸收，计算碰撞时间100ms。

3耐撞性分析

3.1仿真结果可靠性分析

汽车碰撞过程中，由于实际试验的不便性，计算机模拟仿真已成为汽车碰撞安全性能设计与改进的重要方法，保证模拟仿真结果的精确性和准确性是至关重要的，因此我们必须要确定分析结果的可靠性，只有准确的分析结果才有参考价值。

仿真分析碰撞过程中各能量变化曲线如图3所示，根据曲线图分析可以看出在碰撞过程中，沙漏能、内能、动能、总能量变化曲线均没有出现剧烈波动，碰撞过程中沙漏能（5kJ），占总能量（136kJ）的比例为3.6%，这个比例远远小于标准值（根据规定小于5%即可），因此可以确定此次仿真分析模型建立是准确有效的，碰撞仿真结果可靠并且具有参考意义。

3.2碰撞结构耐撞性分析

3.2.1碰撞时B柱形变分析

通过分析碰撞时B柱速度、加速度、位移曲线可以直接反应车辆碰撞时主要吸能区域的变化以及碰撞时的车辆总体形变情况。B柱对汽车发生碰撞时成员的受伤程度有着直接影响，B柱内部的加强部分既不能过硬也不能过软。因为B柱过硬会使能量传递到驾驶员身上，不能使能量通过车身和变形移动来很好的吸收能量，B柱过软则会使其变形过大，对驾驶员造成伤害。

车辆进行正面碰撞时，吸能盒首先被压溃，由B柱加速度曲线可以看出，25ms时B柱加速度曲线骤降，表明此时吸能盒吸能完成，此后车架开始变形吸能。车架变形首先由防撞梁、上边梁开始，由碰撞能量变化曲线图可以看出，此时B柱加速度保持在较高值并不断增大，其加速度峰值出现在42ms处，此时吸能区部件吸能完成，整车乘用仓结构开始变形吸收能量。由B柱速度曲线可以看出，B柱形变过程均匀，无剧烈变化。

3.2.2车门门框变形量分析

碰撞结束后，为保证乘客安全，需要车门能够正常开启。车门的防撞性能也是评价汽车碰撞安全性的重要指标，车门能不能正常开启（根据碰撞法规规定，碰撞结束后每排至少有一个车门可以正常打开），车门的变形量都是重要的數据指标。在碰撞仿真过程中，仅仅根据Hypermesh仿真数据确定车辆碰撞结束后，能否在国家标准规定的作用力下正常开启车门是比较困难的，但可以通过对门框变形量的数值对其进行间接评价。

在正面碰撞过程中，门框主要受纵向冲击力，门框的变形主要表现在出现纵向压缩。门框的强度决定了车门会不会受到挤压，当门框强度不够，碰撞变形量达到一定程度时，门框就会与车门发生挤压，使车门发生变形，轻度的变形问题不大，但是当车门变形比较严重时，就会使门框与车门卡死，同时车门变形量大也会对乘客造成伤害。

如图6所示，取出门框上有代表性的测量点，分别测出测点A～K的最大变形量。

模拟碰撞门框变形量如图7所示。

将门框变形量整理后与要求值对比如图8所示。

3.2.3浸入量分析

随着车体碰撞程度加大，乘用舱空间受到挤压，仓内乘员会因身前围板、方向盘、制动踏板、离合踏板等侵入乘用空间，受到挤压发成接触伤害。安全理想的车身结构应该保证在发生碰撞时，乘用空间不被挤压，零部件不应该大面积侵入成员空间，各吸能部件应能均匀变形、充分吸能，碰撞力不能过分集中，应该均匀分散至车身各部位骨架，均匀变化，乘用空间变形量越小越好，尽可能的降低乘用舱空间的挤压。前围板、方向盘以及制动脚踏板的侵入量如图9、图10、图11、图12所示。

3.2.4电池盒应力及应变分析

由于电动乘用车储能电池等大质量块的质量要占到整车质量的20%以上，这里有很大的区别于传统同内燃机车辆，因此需要对电池盒的应力及应变进行分析，保证车辆的安全可靠性。电池盒的应力及应变如图13所示。

4结语

本研究以森源自主研发的电动乘用车项目为依托，根据GB11551-2003的要求，对设计车进行正面碰撞仿真分析，从分析结果可以看出：

（1）碰撞过程中总能量基本未发生变化。系统能量主要由动能、内能、沙漏能组成，且分布比较合理，沙漏能占比较小，处于合理范围内，因此碰撞结果可靠有效；（2）B柱左侧最大加速度：40.8g，B柱右侧最大加速度：34.7g；（3）A柱发生变形，门槛前部发生变形；（4）前围板最大侵入量约为：145mm（目标值<150mm）；（5）方向盘x向最大侵入量约为：42mm（目标值<127mm，方向盘z向最大侵入量约为：40mm（目标值<100mm）；（6）制动踏板最大侵入量约为：46mm（目标值<200mm）；（7）碰撞过程中电池盒塑性应变为0.04，小于许用应變。根据分析结果显示，此款车型正面碰撞具有较好的结构耐撞性，满足安全需要。