基于惡劣工況下的純電動(dòng)車(chē)碰撞安全仿真與評(píng)估

2017-01-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:電池模組的變形量是判斷電動(dòng)車(chē)碰撞安全的重要指標(biāo)之一。本文基于HyperMesh建立整車(chē)有限元模型,通過(guò)引入Euro-NCAP側(cè)面柱碰和FMVSS301高速后碰兩種惡劣工況對(duì)某純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行碰撞仿真和評(píng)估。計(jì)算結(jié)果表明在惡劣工況下純電動(dòng)車(chē)電池模組變形量滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)引入更嚴(yán)苛工況對(duì)電動(dòng)車(chē)碰撞安全進(jìn)行評(píng)估的方法,這對(duì)國(guó)內(nèi)建立更加完整的電動(dòng)車(chē)安全碰撞體系具有重要的參考價(jià)值。

1 概述

隨著世界環(huán)境污染和能源危機(jī)的雙重壓力下,新能源汽車(chē)的研發(fā)勢(shì)在必行。而目前純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展最為迅速,電動(dòng)汽車(chē)已然成為未來(lái)解決能源和環(huán)境危機(jī)的必然方向。但是,近年來(lái)純電動(dòng)車(chē)碰撞事故的頻繁發(fā)生,無(wú)疑將電動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全的課題再次推至聚光燈下。

目前我國(guó)只有GB/T18384.1、2、3-2001《電動(dòng)汽車(chē)安全要求》三項(xiàng)涉及電動(dòng)車(chē)安全的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),但其中只有一項(xiàng)對(duì)碰撞安全提出要求且僅限于正面碰撞,標(biāo)準(zhǔn)低于燃油車(chē)。因此,在國(guó)內(nèi)針對(duì)電動(dòng)車(chē)的開(kāi)發(fā)基本是參照GB11551-2003《乘用車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》、GB20072-2006《乘用車(chē)后碰燃油系統(tǒng)安全要求》及C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程等汽油車(chē)的標(biāo)準(zhǔn),但碰撞事故的頻繁發(fā)生表明,目前的碰撞標(biāo)準(zhǔn)很不利于電動(dòng)車(chē)的乘員保護(hù)[2-3]。電動(dòng)車(chē)最大的安全問(wèn)題就是電池包和高壓線路在碰撞發(fā)生時(shí)的安全問(wèn)題。一方面國(guó)家碰撞標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于純電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)仍然較低,另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的電池?cái)D壓測(cè)試并不能完全替代實(shí)際中可能發(fā)生的碰撞測(cè)試。尤其是在車(chē)輛的側(cè)面和后面部位易產(chǎn)生過(guò)大的變形,不能有效的保證電池包的完整性從而產(chǎn)生漏電、漏液以及起火等現(xiàn)象發(fā)生。因此,我們?cè)陔妱?dòng)車(chē)的開(kāi)車(chē)過(guò)程中有必要引入更加嚴(yán)苛的工況用以評(píng)估電動(dòng)車(chē)的碰撞安全性。

本文以滿足GB20072后面碰撞及C-NCAP側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)的某純電動(dòng)汽車(chē)為對(duì)象,利用Altair公司HyperMesh軟件建立了整車(chē)有限元模型, 并針對(duì)Euro-NCAP29km/h側(cè)面柱碰及FMVSS30180km/h高速后碰兩個(gè)惡劣工況進(jìn)行仿真分析以評(píng)估在開(kāi)發(fā)過(guò)程中電動(dòng)車(chē)的碰撞安全性能。

2 有限元模型建立

本文主要利用HyperMesh軟件建立純電動(dòng)車(chē)整車(chē)有限元模型,主要包括車(chē)身、閉合件、底盤(pán)和動(dòng)力系統(tǒng)以及完整的電池包模型。在針對(duì)國(guó)內(nèi)法規(guī)時(shí),我們往往簡(jiǎn)化了電池包的建模,對(duì)電池包的評(píng)估往往是針對(duì)電池框架的整體變形。為此,我們?cè)卺槍?duì)惡劣工況下的碰撞評(píng)估中,我們?cè)敿?xì)地將電池包內(nèi)部電池模組進(jìn)行了建模和連接,期望在碰撞中能夠得到內(nèi)部模組的變形情況,從而反映電池包的碰撞安全性。整個(gè)有限元模型共1576516個(gè)節(jié)點(diǎn),2236025個(gè)單元,包括梁?jiǎn)卧?、殼單元、?shí)體單元、彈簧和鉸鏈等單元類型,如圖1 所示。

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圖 1整車(chē)及電池模組有限元模型

3 基于Euro-NCAP側(cè)面柱碰工況純電動(dòng)車(chē)碰撞安全評(píng)估

3.1 有限元模型描述

純電動(dòng)車(chē)側(cè)面結(jié)構(gòu)及電池包布置空間如圖2所示。

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圖 2電動(dòng)車(chē)側(cè)面結(jié)構(gòu)及電池包布置空間

3.2邊界條件和初始條件

Euro-NCAP側(cè)面柱碰試驗(yàn)規(guī)定,整車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)放置在整備地面上,豎直固定放置一直徑為254mm的剛性圓柱,在Z向,剛性柱最低點(diǎn)距離地面之間的距離不得超過(guò)102mm,上端超出頂蓋最高點(diǎn)距離至少大于100mm。駕駛員假人的頭部重心對(duì)準(zhǔn)圓柱中心線,車(chē)輛以29km/h的速度撞擊剛性圓柱。盡管撞柱碰撞速度只有29km/h,但對(duì)車(chē)身的要求很高,試驗(yàn)工況如圖3所示。

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圖3 Euro-NCAP側(cè)面柱碰工況

3.3有限元仿真結(jié)果評(píng)估

從圖4仿真結(jié)果顯示車(chē)身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,剛性柱側(cè)面侵入較小。電池包布置合理,從而規(guī)避了剛性柱的侵入空間。

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圖4 側(cè)面柱碰變形結(jié)果

內(nèi)部電池模組從圖5看,正對(duì)剛性柱的內(nèi)部電池模組有較小位移,但無(wú)過(guò)大的擠壓和結(jié)構(gòu)侵入,在碰撞過(guò)程中不會(huì)造成發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況。在撞擊最嚴(yán)重時(shí)刻,模組之間最小間隙為1.5mm,單個(gè)模組最大變形為6mm,模組Y向?qū)挾?38mm,變形最大模組的Y向形變量為6mm/138mm=4.3%<30%。在合理的判定空間(針對(duì)模組單體)電池包壓縮量小于30%,滿足設(shè)計(jì)要求。

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圖5 內(nèi)部電池模組變形結(jié)果(最大變形時(shí)刻)

4 基于FMVSS301高速后碰工況純電動(dòng)車(chē)碰撞安全評(píng)估

4.1 有限元模型描述

純電動(dòng)車(chē)后面結(jié)構(gòu)及變形空間如圖6所示。

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圖6電動(dòng)車(chē)后面結(jié)構(gòu)及變形空間

4.2邊界條件和初始條件

FMVSS 301《燃油系統(tǒng)的完整性》規(guī)定,整車(chē)本身處于靜止水平地面上,使用FMVSS214中的臺(tái)車(chē),臺(tái)車(chē)放置在與整車(chē)相同的地面上并將壁障高度降低50mm。后碰臺(tái)車(chē)與整車(chē)有70%重疊并以80Km/h的速度撞擊整車(chē)后部,臺(tái)車(chē)可以偏向整車(chē)左側(cè)或者右側(cè),試驗(yàn)工況如圖7所示。

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圖7 FMVSS 301高速后碰工況

4.3有限元仿真結(jié)果評(píng)估

通過(guò)HyperView顯示整車(chē)和電池模組變形結(jié)果,可以看出車(chē)身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,后縱梁尾段變形充分,變形形式合理,吸能良好且無(wú)硬物直接撞擊到電池包,電池包整體變形較小,滿足車(chē)體對(duì)電池包防護(hù)的要求,整車(chē)變形如圖8所示。

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圖8 FMVSS 301高速后碰仿真結(jié)果

而從內(nèi)部電池模組來(lái)看,如圖9所示,高速后碰下的內(nèi)部電池模組有較小位移,但無(wú)后縱梁以及副車(chē)架等結(jié)構(gòu)侵入的出現(xiàn),因此在碰撞過(guò)程中不會(huì)造成發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況。在撞擊最嚴(yán)重時(shí)刻,模組之間最小間隙幾乎未發(fā)生改變,單個(gè)模組最大變形為2mm,模組X向?qū)挾?33mm,變形最大模組的X方向形變量為2mm/133mm=1.5%<30%。在合理的判定空間(針對(duì)模組單體)電池包壓縮量小于30%,滿足設(shè)計(jì)要求。

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圖9 內(nèi)部電池模組仿真結(jié)果(最大變形時(shí)刻)

5 結(jié)論

本文以滿足GB20072后面碰撞及C-NCAP側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)的某純電動(dòng)汽車(chē)為例,利用HyperMesh軟件建立整車(chē)有限元模型,通過(guò)引用FMVSS301高速后碰和Euro-NCAP側(cè)面柱碰這兩個(gè)工況對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全進(jìn)行了仿真和評(píng)估,仿真結(jié)果顯示,電動(dòng)車(chē)在這兩種惡劣工況下,電池模組的變形均滿足設(shè)計(jì)要求,可以有效防止其側(cè)面碰撞和高速追尾中發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況的出現(xiàn),從而在結(jié)構(gòu)上避免起火現(xiàn)象的發(fā)生。

本文所提供的方法可以在電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,有效地評(píng)估電動(dòng)車(chē)在惡劣工況下電池模組的變形量,提高電動(dòng)汽車(chē)碰撞結(jié)構(gòu)的安全性能。同時(shí),這也對(duì)國(guó)內(nèi)建立更加完整的電動(dòng)車(chē)安全碰撞體系具有重要的參考價(jià)值。

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