电动车侧柱碰翻转研究及对策

夏丁 张建 胡涛 邸曙升 赵志新

（东风汽车有限公司东风日产乘用车公司技术中心）

侧面柱碰撞用于模拟汽车出现侧滑而撞击大树、电线杆等柱状物体所发生的交通事故。据统计，在我国由于侧面碰撞事故而导致死亡的案例中有38%是因为乘员的头部撞到柱状物体而造成的。2019 年3 月25 日，推荐性国家标准《汽车侧面柱碰撞的乘员保护》（GB/T 37337—2019）由国家标准化管理委员会批准发布，并于 10 月1 日正式实施[1]。同时 C-NCAP 2021 版也会对电动车追加侧柱碰工况的评价[2]。侧柱碰标准在我国的推出将进一步提高和改善汽车侧面碰撞安全性，更大限度地降低汽车交通事故中乘员的伤亡数量。汽车在发生侧柱碰时，如若绕x 轴（汽车前后方向）翻转角度过大，会导致汽车上部侵入量过大，侵占乘员生存空间，因此针对侧面柱碰绕x 轴翻转运动的研究具有重要意义。

1 电动车翻转运动理论分析

侧柱碰速度为32 km/h、角度为75°，碰撞工况如图1 所示，性能要求需同时满足乘员保护要求和强电保护要求[1-3]。侧面柱碰撞中，碰撞瞬间的车体运动由侧向平动和绕柱旋转（z 向）运动组成[4]，如图2 所示。当碰撞中心线通过汽车质心时，车身吸收能量最大，车身吸收能量公式，如式（1）所示。

图1 电动车侧面柱碰工况示意图

图2 电动车柱碰XY 平面运动学分析

式中：Ep——车身吸能，J；

m——碰撞车质量，kg；

h——脉冲力臂，质心到碰撞中心线的距离，m；

rz——z 向旋转半径，m；

EMz——z 向旋转吸能，J；

v0——碰撞车初始速度，m/s。

然而在柱碰过程中，汽车不仅会发生侧向平动和绕柱（z 向）转动，同时还会发生x 向翻转运动。实际运动为XY 平面的移动、z 向旋转、x 向翻转3 种运动形式叠加的三维复杂运动，文章将其简化成XY 平面（如图 3 所示）和 YZ 平面（如图 4 所示）2 个平面的运动，分别进行理论分析。

图3 柱碰汽车XY 平面运动（俯视图）

图4 柱碰汽车YZ 平面运动（后视图）

考虑到电动车与燃油车的结构和布置完全不同，柱碰过程中汽车的运动姿态也会有所差异，文章选取同平台的某电动车和某燃油车进行对比分析。

1.1 汽车z 向旋转对比分析

通过对比可以发现：燃油车的发动机一般前置，因此整车质心相对靠前；电动汽车前端无发动机，前地板下端有电池包，整车质心相对更靠后。选取2 款典型的同平台的燃油车和电动汽车，根据式（1），对比脉冲力臂及z 方向旋转吸能，如表1 所示。

表1 某燃油车与某电动车z 向转动对比

由表1 可知，相比燃油车，电动车脉冲力臂更小，脉冲力臂越小，汽车绕z 轴的旋转运动就会越少。电动车碰撞能量中绕z 轴旋转的能量占比仅为0.5%，相比燃油车的3.4%减少了很多。

1.2 汽车x 向翻转对比分析

电池包对电动车地板有加强作用，同时为了保护电池包，门槛、地板横梁一般会做得较强。同平台的电动车除地板以外的上车身零件一般又是留用燃油车的。这样就会导致电动车下车身反力矩强于上车身反力矩，这样的结构特性会使得电动车在YZ 平面产生翻转运动。简化柱碰汽车YZ 平面受力，如图5 所示。

图5 柱碰汽车YZ 平面运动学分析

根据达朗贝尔原理，汽车所受惯性力系可以简化成通过质心的惯性力和YZ 平面内的惯性力矩。惯性力（ma）方向与加速度相反。惯性力矩（Mx/N·m）转向与角加速度（β/（rad/s2））相反。对左侧接地点O 列力矩平衡方程，有：

式中：l1——门槛到地面z 向距离，m；

l2——汽车质心到门槛z 向距离，m；

l3——汽车质心到顶盖z 向距离，m；

l4——汽车质心到门槛y 向距离，m；

Fup——碰撞整个时间段的上车身平均反力，N；

Flwr——碰撞整个时间段的下车身平均反力，N。

由式（2）和式（3）可得：

汽车绕x 轴翻转角度（θx/（°）），如式（5）所示。

式中：t——碰撞时间，s；

rx——x 向旋转半径，m；

Δv——速度变化，m/s。

汽车绕 x 轴翻转能量（EMx/kJ），如式（6）所示。

根据式（4）～式（6），计算得到燃油车和同平台的电动车绕x 轴的翻转运动对比，如表2 所示。

表2 某燃油车与某电动车绕x 轴翻转对比

从表2 可以看出，电动车由于汽车上下反力配比与燃油车存在差异，导致绕x 轴的翻转运动增加，电动车绕x 轴翻转能量占比达到3.8%，这部分能量不能够忽视，因此对柱碰过程中车身吸能公式（式1）进行修正，如式（7）所示。

汽车在x 向翻转会导致汽车上端侵入量大于下端。电动车侵入量要求，如图6 所示，对于乘员保护来讲，车身上端侵入量（S1/mm）有一定限制；对于保护电池包来说，车身下端侵入量（S2/mm）也有一定限制。因此汽车翻转角度需满足一定条件，不能过大，过大则会侵占乘员生存空间（如图6 中虚线所示），影响乘员保护性能的达成。

图6 电动车侵入量要求

从车身吸能角度来讲，翻转角度太小，车身吸能又需要增加，不利于耐撞性的轻量化设计。因此汽车x 向翻转角度需要控制在合理数值，既能满足汽车上端乘员生存空间的达成，又有利于耐撞性轻量化设计。可以通过调整车体上下反力配比来控制汽车x 向翻转角度，如式（8）所示。

2 某电动车侧柱碰翻转对策改进

2.1 CAE 结果分析及对策

根据侧柱碰工况建立某电动车和某燃油车的结构耐撞性CAE 仿真分析模型。电动车和燃油车的CAE 解析的x 向翻转角度结果，如图7 所示。

图7 侧柱碰工况汽车翻转角度CAE 分析结果

从CAE 解析结果来看电动车x 向翻转角度确实比燃油车大了很多。将CAE 解析得到的翻转角度与按照式（5）计算得到的角度进行对比，如表3 所示，可见式（5）的理论计算是可信的。

表3 汽车x 向翻转角度CAE 值与计算值对比 （°）

某电动车初始CAE 结果x 向翻转角度为7°，导致汽车上端侵入量（S2=378 mm）偏大（不满足＜370 mm的性能目标），侵占了乘员肩部的生存空间，从而影响了假人胸部的得分，因此需要进行对策。计划将电动车x 向翻转角度减小2°，以满足乘员生存空间要求。按照式（8）计算，汽车上端平均反力需提升9 kN。

根据section AD 断面分析软件，汽车上端平均反力提升9 kN，对策为在A 柱对应柱碰位置局部增加抗拉强度为1 180 MPa、厚度为1.2 mm 的补强件，并且将顶盖前横梁厚度由1.0 mm 提升至1.4 mm，如图8 所示。

图8 汽车x 向翻转对策方案

2.2 对策CAE 及实车试验验证

针对某电动车对策后的模型重新进行整车侧面柱碰CAE 解析。仿真结果表明，对策后各项评价指标均满足侧柱碰结构耐撞性目标，如表4 所示。

表4 某电动车侧面柱碰初始方案和对策方案结果对比

实车碰撞结果也与仿真结果较为接近，试验各项指标都合格。电池模组与壳体间隙有35 mm（如图9 所示），电池包强电保护合格；乘员生存空间（汽车上端侵入量）满足目标要求；试验过程中汽车x 向翻转角度为5.2°，满足目标要求。

图9 某电动车侧面柱碰试验后电池包

3 结论

文章通过理论计算分析电动车相比燃油车在z 向旋转、x 向翻转运动方面的差异，指出了电动车对应柱碰x 向翻转的对策方向并得出：

1）电动车质心与碰撞基准线距离更小，汽车z 向旋转运动能量更小。

2）电动车车身上下反力配比存在差异，导致电动车会发生很大的绕x 轴的翻转运动，文章针对翻转角度和翻转能量进行了理论分析，对侧面柱碰的吸能理论进行了改进。

3）侧柱碰时如果不对汽车x 向翻转角进行控制，会导致汽车上端侵入量过大，侵占乘员的生存空间，从而影响乘员保护性能的达成。

4）文章通过理论计算，推算出如何选择合理的车体上下反力配比，来控制x 向翻转角度的大小，以满足强电保护和乘员生存空间两者性能的达成；CAE 分析和试验验证了此方法的有效性。