欒天 歐陽(yáng)俊 劉宗華 肖一淵 曾繁波

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院）

新能源汽車(chē)不但可以解決能源緊缺的問(wèn)題，還可以大大減少環(huán)境污染，倍受?chē)?guó)家關(guān)注。但動(dòng)力電池安全性能開(kāi)發(fā)尚未成熟，在發(fā)生碰撞時(shí)需要車(chē)體結(jié)構(gòu)對(duì)電池包提供足夠的保護(hù)，對(duì)車(chē)身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。純電動(dòng)車(chē)型較傳統(tǒng)車(chē)型減少了發(fā)動(dòng)機(jī)，增加了前端吸能空間，但同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，需要考慮新增高壓部件的布置問(wèn)題，在發(fā)生交通事故時(shí)，需要有比較堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，防止其出現(xiàn)短路、起火現(xiàn)象。由于動(dòng)力電池大多布置在車(chē)體中間，正面碰撞工況中車(chē)體前端鈑金變形后無(wú)法直接擠壓動(dòng)力電池。但高壓線束等高壓部件一般布置在前機(jī)艙，與車(chē)體的大變形區(qū)域距離較近，需要有足夠堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行特殊保護(hù)；側(cè)面碰撞中壁障與動(dòng)力電池距離較近，特別是側(cè)面柱碰，一般會(huì)引起車(chē)體側(cè)面鈑金的大幅度變形，直接擠壓電池包，需要優(yōu)化車(chē)體側(cè)面結(jié)構(gòu)的變形模式；車(chē)體發(fā)生追尾碰撞時(shí)，由于后副車(chē)架等結(jié)構(gòu)與電池包布置位置較近，碰撞過(guò)程中后縱梁變形較大，對(duì)后副車(chē)架進(jìn)行擠壓，從而對(duì)電池包后端進(jìn)行沖擊，需要對(duì)車(chē)體后端的變形進(jìn)行控制，充分考慮副車(chē)架的布置形式。

1 車(chē)體正面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 高壓線束破損問(wèn)題描述

動(dòng)力電池布置在車(chē)體中間，距離前端較遠(yuǎn)，正面碰撞過(guò)程中電池包未受擠壓，保存完好；高壓線束布置在前機(jī)艙，正面碰撞中前縱梁發(fā)生彎折后，電機(jī)受到擠壓相對(duì)于車(chē)體向后運(yùn)動(dòng)，冷卻風(fēng)扇被擠壓后向后運(yùn)動(dòng)；電機(jī)前端高壓線束被電機(jī)棱邊擠壓后破損，如圖1 所示；電源分配單元（PDU）前端高壓線束被冷卻風(fēng)扇擠壓后破損，并產(chǎn)生電火花，對(duì)乘員安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，如圖2所示。

圖1 某純電動(dòng)車(chē)電機(jī)前端高壓線束破損

圖2 某純電動(dòng)車(chē)電源分配單元前端高壓線束破損

1.2 高壓線束破損改進(jìn)策略

電機(jī)棱邊強(qiáng)度較大，在碰撞中一般視為剛體，只加強(qiáng)高壓線束無(wú)法滿足保護(hù)要求，需要將高壓線束移動(dòng)到相對(duì)空間較大的位置，同時(shí)在被擠壓側(cè)高壓線束附近增加保護(hù)支架，并進(jìn)行局部包覆，保護(hù)支架在吸收能量[1-2]的同時(shí)可以防止電機(jī)棱邊直接切割高壓線束，起到了一定的緩沖作用；風(fēng)扇棱邊雖然鋒利但強(qiáng)度較弱，針對(duì)風(fēng)扇棱邊擠壓PDU 前段高壓線束的問(wèn)題，只需要在擠壓側(cè)局部增加保護(hù)套即可，如圖3 所示。

圖3 某純電動(dòng)車(chē)高壓線束擠壓側(cè)增加保護(hù)裝置

1.3 車(chē)體正面碰撞仿真分析

對(duì)高壓線束保護(hù)支架和保護(hù)套進(jìn)行仿真建模，并連接入車(chē)體的有限元模型，提交服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)算。仿真結(jié)果顯示，被擠壓側(cè)高壓線束塑性應(yīng)變約為2%，不存在破損風(fēng)險(xiǎn)，如圖4 所示。

圖4 某純電動(dòng)車(chē)高壓線束塑性應(yīng)變

1.4 車(chē)體正面碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

增加50 km 全正碰和64 km 偏置碰撞進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)后高壓線束無(wú)破損，如圖5 所示。

圖5 車(chē)體正面碰撞試驗(yàn)后高壓線束無(wú)破損

2 車(chē)體側(cè)面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 電池包破損問(wèn)題描述

50 km/h 側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，壁障與車(chē)體接觸位置遠(yuǎn)離動(dòng)力電池和高壓線束，碰撞后動(dòng)力電池和高壓線束無(wú)破損，滿足電安全保護(hù)要求；32 km/h 側(cè)面柱碰工況中，被撞側(cè)車(chē)體側(cè)面結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，前排座椅后橫梁發(fā)生彎折后擠壓前地板，導(dǎo)致鈑金撕裂，露出鋒利邊，刺破電池包殼體，裸露的鈑金侵入模組內(nèi)部，存在短路起火風(fēng)險(xiǎn)，如圖6 所示。

圖6 電池包殼體破損

2.2 電池包破損改進(jìn)策略

對(duì)前排座椅后橫梁形狀進(jìn)行改進(jìn)，局部切割鋒利邊，在彎折位置增加補(bǔ)強(qiáng)件，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的方法使得結(jié)構(gòu)中構(gòu)件布局和節(jié)點(diǎn)連接方式達(dá)到最優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)在滿足位移、應(yīng)力等約束條件下，能夠?qū)⑼廨d荷傳遞到結(jié)構(gòu)支撐位置，并且使結(jié)構(gòu)的相應(yīng)性能和指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)[3-4]，最終得到的部件形狀，如圖7 所示。

圖7 某純電動(dòng)車(chē)座椅橫梁增加補(bǔ)強(qiáng)件

2.3 車(chē)體側(cè)面柱碰仿真分析

增加補(bǔ)強(qiáng)件后，把原來(lái)的線面接觸變?yōu)槊婷娼佑|，大大降低了底部局部的塑性變形，保證了前地板的完整性，避免在碰撞過(guò)程中座椅橫梁棱邊直接與前地板接觸，刺破前地板，從而保護(hù)電池包不被刺破，如圖8所示。

圖8 車(chē)體側(cè)面柱碰試驗(yàn)前后地板塑性應(yīng)變對(duì)比

2.4 車(chē)體側(cè)面柱碰試驗(yàn)驗(yàn)證

增加32 km/h 側(cè)面柱碰工況試驗(yàn)，試驗(yàn)后電池包附近鈑金未出現(xiàn)破損，電池包和高壓線束保持完整，滿足電安全保護(hù)要求，如圖9 所示。

圖9 車(chē)體側(cè)面柱碰試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)變形

3 車(chē)體后面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 電池包破損問(wèn)題描述

80 km/h 后碰工況中，由于后縱梁變形較大，帶動(dòng)后副車(chē)架擠壓動(dòng)力電池后端，電池包殼體出現(xiàn)破損，模組存在短路、起火風(fēng)險(xiǎn)，如圖10 所示。

圖10 某純電動(dòng)車(chē)電池包后端破損

3.2 車(chē)體后縱梁改進(jìn)策略

對(duì)車(chē)體后縱梁根部進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合分析試驗(yàn)法與有限元方法之間的關(guān)聯(lián)性[5]，進(jìn)行多次仿真分析計(jì)算，在后縱梁根部增加補(bǔ)強(qiáng)件，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的方法優(yōu)化出最優(yōu)結(jié)構(gòu)[6-7]，周?chē)命c(diǎn)焊的形式進(jìn)行連接；同時(shí)提升后縱梁加強(qiáng)件的厚度，由1.2 mm 提升到1.5 mm，左右對(duì)稱，如圖11 所示。

圖11 某純電動(dòng)車(chē)后縱梁根部改進(jìn)方案

3.3 車(chē)體后面碰撞仿真分析

增加補(bǔ)強(qiáng)件減小了后縱梁后端的變形，減緩了副車(chē)架擠壓電池包殼體的強(qiáng)度。仿真結(jié)果顯示，擠壓區(qū)域塑性應(yīng)變大部分在2%左右，破裂風(fēng)險(xiǎn)較小，滿足電安全保護(hù)要求，如圖12 所示。

圖12 車(chē)體后面碰撞后端變形仿真分析

3.4 車(chē)體后面碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

增加80 km/h 后面碰撞工況試驗(yàn)，試驗(yàn)后車(chē)體后縱梁變形較小，電池包后端無(wú)破損，如圖13 所示。

圖13 車(chē)體后面碰撞試驗(yàn)后車(chē)體后端變形

4 結(jié)論

1）純電動(dòng)車(chē)型車(chē)體前端結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中除了要滿足吸能要求，還需保證足夠的剛度，對(duì)布置在前端的高壓部件進(jìn)行有效保護(hù)，如仍無(wú)法滿足保護(hù)要求，可以考慮額外增加保護(hù)套和保護(hù)支架的方法。

2）車(chē)體發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，由于車(chē)體側(cè)面吸能空間較少，一般會(huì)發(fā)生較大變形，并伴隨著焊點(diǎn)的開(kāi)焊和鈑金的撕裂，鋒利的棱邊一般會(huì)對(duì)電池包形成較大威脅，需要將線對(duì)面的接觸轉(zhuǎn)化為面對(duì)面的接觸，避免刺破電池包引起模組的短路、起火。

3）針對(duì)追尾工況，傳統(tǒng)50 km/h 國(guó)標(biāo)工況無(wú)法滿足目前新能源車(chē)型的電安全保護(hù)要求，需要考慮更加嚴(yán)苛的80 km/h 后碰，對(duì)后縱梁的強(qiáng)度提出了更高的要求，增加補(bǔ)強(qiáng)板是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

4）目前大多數(shù)動(dòng)力供應(yīng)商提供的動(dòng)力電池的安全性能要求無(wú)法滿足真實(shí)交通事故中的嚴(yán)苛工況，需要車(chē)身鈑金付出較大的代價(jià)去抵抗大變形對(duì)電池包的沖擊；電池包本體也需要增加強(qiáng)度，這樣不但可以大大減輕整車(chē)質(zhì)量，還可以減少工藝制造的難度。

5）控制高壓斷電的電子裝置通常在收到斷電指令后需要800 ms 左右才能完全切斷高壓電，如果能減小600 ms 左右的反應(yīng)時(shí)間，可以大大提高碰撞工況中的電安全保護(hù)性能。