純電動城市客車動力電池安全防護碰撞仿真分析與改進

胡付超，王 波，林 偉，常 穎

（山東沂星電動汽車有限公司，山東 臨沂 276017）

純電動城市客車動力電池安全防護碰撞仿真分析與改進

胡付超，王 波，林 偉，常 穎

（山東沂星電動汽車有限公司，山東 臨沂 276017）

根據純電動客車動力電池被動安全防護性能的要求，對一12 m純電動城市客車進行側面碰撞仿真分析，分析其電池艙防撞梁的變形情況，并進行改進。

純電動客車；動力電池；安全防護；碰撞仿真

隨著純電動客車的迅速發(fā)展，由于其動力儲能裝置為高能化學電源，在發(fā)生碰撞、翻車等極限情況時，很可能會造成電池包的爆炸、燃燒等危險反應，或由于電源失效而造成汽車功能性障礙而造成的二次傷害[1-2]，尤其是乘員密集的城市客車更加危險。因此，動力電池的被動安全得到廣泛關注，2016年末我國發(fā)布了《電動汽車安全技術條件》，其中明確指出，若有可充電儲能系統(tǒng)未安裝在車輛頂部需進行碰撞安全試驗。本文針對一12 m純電動城市客車進行側面碰撞仿真分析，根據分析結果對電池艙的防撞性能進行改進。

1 原模型分析

1.1 原模型的建立

整車骨架由薄壁型材焊接或鉚接組成封閉式全承載結構系統(tǒng)，因此均采用板殼單元進行離散，碰撞接觸位置采用完全積分算法提高計算精度，其他單元使用單點積分算法。結構型材材料使用分段線彈塑性模型（MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY），對于不可壓縮的橡膠材料采用超彈性材料模型（MAT_MOONEYRIVLIN_RUBBER）[2-3]?？紤]到計算時間、質量增加和仿真精度等因素，單元尺寸控制在5～15 mm之間。部分參與承載結構的圓管采用beam單元，空氣懸架剛度按最大剛度進行計算，由于前后橋剛度較大，且距碰撞區(qū)域較遠，采用剛性單元建模，其他附件包括電池箱等，均以質量單元的形式直接或間接加載到與車架連接位置。由于碰撞過程的接觸情況較為復雜，骨架結構間的接觸統(tǒng)一選用自動單面接觸算法進行模擬。該算法能夠自動搜索接觸面，可提高計算效率和收斂特性[3-6]。

移動壁障由碰撞塊和移動車組成，總質量為925.7 kg，靜止狀態(tài)碰撞塊前表面下邊緣離地間隙為300 mm，碰撞塊總高500 mm，總橫向寬1 500 mm，上碰撞塊縱向寬度440 mm，下碰撞塊縱向寬度500 mm，移動車的前、后輪距為1 500 mm，移動車的軸距3 000 mm，初始移動速度50 km/h[7]，持續(xù)碰撞時間100 ms。最終整車骨架有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 結果分析

碰撞過程中動能與內能相互轉化，最終趨于穩(wěn)定，總能量基本保持平衡，滑移能與沙漏能均不超過總能量的3%，如圖2所示，從能量曲線的變化情況可以認為計算過程較為穩(wěn)定。

圖2 碰撞系統(tǒng)能量轉化曲線

圖3 防撞梁侵入時間歷程曲線

電池箱管理系統(tǒng)安裝在電池箱最靠近防撞梁的位置，距防撞梁僅100 mm，因此防撞梁的變形程度直接影響到電池系統(tǒng)的安全。從圖3防撞梁侵入時間歷程曲線可以看出，在碰撞接觸后的第40 ms后，侵入距離達到100 mm，開始接觸電池箱前面板，直至第70 ms前防撞梁持續(xù)侵入電池箱安全空間，因此實際中這部分動能將轉嫁到電池箱中，電池及其管理系統(tǒng)安全將難以保證。仿真結果表明，艙門及防撞梁的變形較為嚴重。

2 模型改進與分析

2.1 模型改進

從以上分析結果可以看出，防撞梁剛度偏低，變形過大，難以保證其電池安全。通常有兩種減小碰撞變形的措施：第一是增加結構剛度，但是容易產生較大瞬時沖擊加速度；第二是加裝吸能裝置，可在降低沖擊的同時減小結構件的變形。但是由于電池艙的空間有限，只能采取第一種措施。因為碰撞塊是蜂窩鋁塊，本身具有較好的吸能效果，因此可以通過改變防撞梁的結構形式增加其剛度，有效利用碰撞塊的吸能作用，減小防撞梁的變形[8-9]。

由于移動壁障下平面和客車底架縱梁上平面均距地面300 mm，壁障上平面高于客車側圍縱梁30 mm，因此側圍縱梁和下防撞梁承受主要撞擊力。根據防撞梁的變形情況和電池艙跨度較大的結構特點，在不增加型材規(guī)格的前提下進行如下改進，如圖4所示。

1）將下防撞梁下移60 mm，與艙門下骨架平齊，增加艙門骨架與防撞梁的接觸面積，避免中間位置集中受力。

2）將防撞梁改為拱形結構，既增加了電池艙的安全空間，又提高了其碰撞剛度。

圖4 防撞梁改進前后對比示意圖

2.2 改進后結果分析對比

從能量的變化情況看，改進后防撞梁吸收的能量降低，蜂窩鋁塊吸能作用明顯增加，如圖5所示；從加速度變化情況看,如圖6所示，改進后防撞梁瞬時加速度峰值明顯增加，但電池箱固定點增加幅度并不明顯，因此不會對高壓保險、轉接口等電池安全系統(tǒng)造成間接損壞；從防撞梁的變形情況來看，改進后的防撞梁侵入量明顯減低，最大入侵距離為127 mm，減去拱形結構增加的30 mm的安全距離，實際相對入侵距離小于100 mm，如圖7所示。

因此，防撞梁改進以后整個碰撞過程不會與電池箱發(fā)生接觸，車身也相對穩(wěn)定，保證了電池系統(tǒng)的安全性。

圖5 蜂窩鋁塊和防撞梁吸能曲線

圖6 加速度變化對比圖

圖7 防撞梁侵入時間歷程曲線

3 結束語

對于側面安裝儲能系統(tǒng)的純電動客車，其電池系統(tǒng)的被動安全較為重要，當發(fā)生側面碰撞時，由于艙門剛度小，吸能作用較低，防撞結構起主要保護作用；而防撞梁的結構形式和安裝位置對于其防護作用影響較大，通常容易被忽略。本文通過仿真分析對比，更直觀地驗證了其影響程度，同時縮短了設計周期和試驗成本。

[1]毛英慧.營運客車側面碰撞仿真研究及安全性評價[D].西安：長安大學，2011.

[2]王震坡,王越.純電動客車側碰撞有限元建模及仿真分析[J].北京理工大學學報，2013（3）:266-270.

[3]吳平.客車車身骨架側翻碰撞的有限元仿真模擬方法研究[D].長春:吉林大學，2005.

[4]張建,范體強,何漢橋.客車正面碰撞安全性仿真分析[J].客車技術與研究，2009，31（3）：7-9.

[5]邵珊珊.客車正面碰撞安全性能有限元分析[D].青島:青島理工大學，2013.

[6]阮誠心.基于側翻碰撞安全性的客車車身改進設計及乘員損傷研究[D].長沙:湖南大學，2012.

[7]工業(yè)和信息化部.工業(yè)和信息化部關于進一步做好新能源汽車推廣應用安全監(jiān)管工作的通知：工信部裝[2016]377號[A/OL].（2016-11-15）[2017-03-02]http://xxgk.miit.gov.cn/gdnps/wjfbContent.jsp?id=5362809.

[8]柳艷杰.汽車低速碰撞吸能部件的抗撞性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2012.

[9]劉長虹,殷培元,張克實.小型客車車架前縱梁碰撞性能的模擬仿真[J].廣西大學學報（自然科學報），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，碩士；CAE分析師；主要從事客車CAE分析研究工作。

修改稿日期:2017-04-05