纯电动城市客车动力电池安全防护碰撞仿真分析与改进

胡付超，王 波，林 伟，常 颖

（山东沂星电动汽车有限公司，山东 临沂 276017）

纯电动城市客车动力电池安全防护碰撞仿真分析与改进

胡付超，王 波，林 伟，常 颖

（山东沂星电动汽车有限公司，山东 临沂 276017）

根据纯电动客车动力电池被动安全防护性能的要求，对一12 m纯电动城市客车进行侧面碰撞仿真分析，分析其电池舱防撞梁的变形情况，并进行改进。

纯电动客车；动力电池；安全防护；碰撞仿真

随着纯电动客车的迅速发展，由于其动力储能装置为高能化学电源，在发生碰撞、翻车等极限情况时，很可能会造成电池包的爆炸、燃烧等危险反应，或由于电源失效而造成汽车功能性障碍而造成的二次伤害[1-2]，尤其是乘员密集的城市客车更加危险。因此，动力电池的被动安全得到广泛关注，2016年末我国发布了《电动汽车安全技术条件》，其中明确指出，若有可充电储能系统未安装在车辆顶部需进行碰撞安全试验。本文针对一12 m纯电动城市客车进行侧面碰撞仿真分析，根据分析结果对电池舱的防撞性能进行改进。

1 原模型分析

1.1 原模型的建立

整车骨架由薄壁型材焊接或铆接组成封闭式全承载结构系统，因此均采用板壳单元进行离散，碰撞接触位置采用完全积分算法提高计算精度，其他单元使用单点积分算法。结构型材材料使用分段线弹塑性模型（MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY），对于不可压缩的橡胶材料采用超弹性材料模型（MAT_MOONEYRIVLIN_RUBBER）[2-3]。考虑到计算时间、质量增加和仿真精度等因素，单元尺寸控制在5～15 mm之间。部分参与承载结构的圆管采用beam单元，空气悬架刚度按最大刚度进行计算，由于前后桥刚度较大，且距碰撞区域较远，采用刚性单元建模，其他附件包括电池箱等，均以质量单元的形式直接或间接加载到与车架连接位置。由于碰撞过程的接触情况较为复杂，骨架结构间的接触统一选用自动单面接触算法进行模拟。该算法能够自动搜索接触面，可提高计算效率和收敛特性[3-6]。

移动壁障由碰撞块和移动车组成，总质量为925.7 kg，静止状态碰撞块前表面下边缘离地间隙为300 mm，碰撞块总高500 mm，总横向宽1 500 mm，上碰撞块纵向宽度440 mm，下碰撞块纵向宽度500 mm，移动车的前、后轮距为1 500 mm，移动车的轴距3 000 mm，初始移动速度50 km/h[7]，持续碰撞时间100 ms。最终整车骨架有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

1.2 结果分析

碰撞过程中动能与内能相互转化，最终趋于稳定，总能量基本保持平衡，滑移能与沙漏能均不超过总能量的3%，如图2所示，从能量曲线的变化情况可以认为计算过程较为稳定。

图2 碰撞系统能量转化曲线

图3 防撞梁侵入时间历程曲线

电池箱管理系统安装在电池箱最靠近防撞梁的位置，距防撞梁仅100 mm，因此防撞梁的变形程度直接影响到电池系统的安全。从图3防撞梁侵入时间历程曲线可以看出，在碰撞接触后的第40 ms后，侵入距离达到100 mm，开始接触电池箱前面板，直至第70 ms前防撞梁持续侵入电池箱安全空间，因此实际中这部分动能将转嫁到电池箱中，电池及其管理系统安全将难以保证。仿真结果表明，舱门及防撞梁的变形较为严重。

2 模型改进与分析

2.1 模型改进

从以上分析结果可以看出，防撞梁刚度偏低，变形过大，难以保证其电池安全。通常有两种减小碰撞变形的措施：第一是增加结构刚度，但是容易产生较大瞬时冲击加速度；第二是加装吸能装置，可在降低冲击的同时减小结构件的变形。但是由于电池舱的空间有限，只能采取第一种措施。因为碰撞块是蜂窝铝块，本身具有较好的吸能效果，因此可以通过改变防撞梁的结构形式增加其刚度，有效利用碰撞块的吸能作用，减小防撞梁的变形[8-9]。

由于移动壁障下平面和客车底架纵梁上平面均距地面300 mm，壁障上平面高于客车侧围纵梁30 mm，因此侧围纵梁和下防撞梁承受主要撞击力。根据防撞梁的变形情况和电池舱跨度较大的结构特点，在不增加型材规格的前提下进行如下改进，如图4所示。

1）将下防撞梁下移60 mm，与舱门下骨架平齐，增加舱门骨架与防撞梁的接触面积，避免中间位置集中受力。

2）将防撞梁改为拱形结构，既增加了电池舱的安全空间，又提高了其碰撞刚度。

图4 防撞梁改进前后对比示意图

2.2 改进后结果分析对比

从能量的变化情况看，改进后防撞梁吸收的能量降低，蜂窝铝块吸能作用明显增加，如图5所示；从加速度变化情况看,如图6所示，改进后防撞梁瞬时加速度峰值明显增加，但电池箱固定点增加幅度并不明显，因此不会对高压保险、转接口等电池安全系统造成间接损坏；从防撞梁的变形情况来看，改进后的防撞梁侵入量明显减低，最大入侵距离为127 mm，减去拱形结构增加的30 mm的安全距离，实际相对入侵距离小于100 mm，如图7所示。

因此，防撞梁改进以后整个碰撞过程不会与电池箱发生接触，车身也相对稳定，保证了电池系统的安全性。

图5 蜂窝铝块和防撞梁吸能曲线

图6 加速度变化对比图

图7 防撞梁侵入时间历程曲线

3 结束语

对于侧面安装储能系统的纯电动客车，其电池系统的被动安全较为重要，当发生侧面碰撞时，由于舱门刚度小，吸能作用较低，防撞结构起主要保护作用；而防撞梁的结构形式和安装位置对于其防护作用影响较大，通常容易被忽略。本文通过仿真分析对比，更直观地验证了其影响程度，同时缩短了设计周期和试验成本。

[1]毛英慧.营运客车侧面碰撞仿真研究及安全性评价[D].西安：长安大学，2011.

[2]王震坡,王越.纯电动客车侧碰撞有限元建模及仿真分析[J].北京理工大学学报，2013（3）:266-270.

[3]吴平.客车车身骨架侧翻碰撞的有限元仿真模拟方法研究[D].长春:吉林大学，2005.

[4]张建,范体强,何汉桥.客车正面碰撞安全性仿真分析[J].客车技术与研究，2009，31（3）：7-9.

[5]邵珊珊.客车正面碰撞安全性能有限元分析[D].青岛:青岛理工大学，2013.

[6]阮诚心.基于侧翻碰撞安全性的客车车身改进设计及乘员损伤研究[D].长沙:湖南大学，2012.

[7]工业和信息化部.工业和信息化部关于进一步做好新能源汽车推广应用安全监管工作的通知：工信部装[2016]377号[A/OL].（2016-11-15）[2017-03-02]http://xxgk.miit.gov.cn/gdnps/wjfbContent.jsp?id=5362809.

[8]柳艳杰.汽车低速碰撞吸能部件的抗撞性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2012.

[9]刘长虹,殷培元,张克实.小型客车车架前纵梁碰撞性能的模拟仿真[J].广西大学学报（自然科学报），2009（1）:82-84.

Impact Simulation Analysis and Improvement on Power Battery Safety Protection for a Pure Electric City Bus

Hu Fuchao，Wang Bo，Lin Wei，Chang Ying
（Shandong Yixing Electric Vehicle Co.,Ltd,Linyi 276017,China）

According to the protection requirement of passive safety of pure electric bus power battery,the side impact simulation of a 12 m pure electric city bus is carried out,the deformation behavior of the anti-collision beam is analyzed and improved.

pure electric bus;power battery;safety protection;impact simulation

U469.72；U463.63

B

1006-3331（2017）04-0026-03

胡付超(1986-)，男，硕士；CAE分析师；主要从事客车CAE分析研究工作。

修改稿日期:2017-04-05