摘要

在對插電式混合動力汽車的發(fā)動機、燃油箱和動力電池、電機、高壓電路等關(guān)鍵零部件進行相關(guān)的碰撞安全性能開發(fā)時，不僅需要考慮傳統(tǒng)燃油車的碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求，同時還要考慮電動汽車動力電池安全相關(guān)的碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求和電安全設(shè)計防護。文章首先分析了相應(yīng)的碰撞試驗法規(guī)，結(jié)合上汽某插電式混合動力汽車整車布置方案，針對其特殊結(jié)構(gòu)重點研究其追尾碰撞和側(cè)面柱碰撞工況，在考慮傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)和乘員安全的基礎(chǔ)上，對動力電池、高壓電系統(tǒng)等電安全進行了分析。文章對研究插電式混合動力汽車的碰撞安全，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵字：追尾碰撞 側(cè)面柱 電安全 插電式混合動力汽車
作者：周會鋒 艾維全 蔡毅
單位：上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心

插電式混合動力汽車，是介于純電動汽車與燃油汽車之間的一種新能源汽車，既有傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機、變速器、傳動系統(tǒng)、油路和油箱，也有純電動汽車的電池、電動機和控制電路，而且電池容量比較大，有充電接口。它綜合了純電動汽車和混合動力汽車的優(yōu)點，既可實現(xiàn)低污染、低排放行駛，也能通過混動模式增加車輛的續(xù)駛里程。在插電式混合動力汽車相關(guān)動力源的布置和開發(fā)過程中，針對發(fā)動機、燃油箱和動力電池、電機、高壓電路同時存在的結(jié)構(gòu)和特點，不僅需要考慮傳統(tǒng)燃油車的碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求，同時還要考慮電動汽車動力電池安全相關(guān)的碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求和電安全設(shè)計防護。

混合動力汽車碰撞相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)解析

插電式混合動力汽車相關(guān)的安全碰撞設(shè)計要求，不僅包括傳統(tǒng)燃油汽車相關(guān)的碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，還包括電動汽車安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)以及動力電池安全設(shè)計保護相關(guān)企業(yè)要求。如表 1 所示，混合動力汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)包括 4 個部分: 第一部分是傳統(tǒng)燃油車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求，第二部分是電動汽車國內(nèi)主要法規(guī)［1-2］， 第三部分是 C-NCAP 碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求，第四部分是動力電池全方位側(cè)面柱的企業(yè)設(shè)計要求分析工況。



表 1 中的第一部分主要是指正面和側(cè)面碰撞對乘員的保護，以及后碰燃油系統(tǒng)的要求［3］， 同時對車體結(jié)構(gòu)也有基本的設(shè)計要求; 第二部分是電安全相關(guān)的主要法規(guī)，它們在電動汽車碰撞試驗電解液泄漏和動力電池保持位置等方面要求基本一致: 碰撞試驗后，動力電池不能發(fā)生明顯移位( 如不能侵入乘員艙、不能從車身上甩出 等) ; 電解液不能發(fā)生泄漏 ( 30 min 內(nèi)不超過5L) ; 高壓電元器件碰撞試驗前 /后測量和評價 絕緣電阻是必要的，或者滿足低電壓、低電能、物理防護和絕緣電阻四選一; 第三部分是 C-NCAP 在國標(biāo)的基礎(chǔ)上，對車內(nèi)更多位置乘員的各梯度傷害得分的綜合評價，同時對碰撞速度、側(cè)面可移動壁障質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式以及車體結(jié)構(gòu)都有更高的評價要求; 第四部分動力電池全方位側(cè)面柱工況，是企業(yè)內(nèi)部針對動力電池的一種設(shè)計保護，要求在碰撞過程中動力電池框的擠壓變形不能超過一定程度，從而防止內(nèi)部電芯模組發(fā)生變 形和受到擠壓。

混合動力汽車后碰撞仿真和試驗解析

在對上汽某插電式混合動力汽車進行整車動力電池和底盤布置設(shè)計時，基于上述相關(guān)傳統(tǒng)車碰撞國家標(biāo)準(zhǔn)、C-NCAP 碰撞要求、電安全碰撞國家要求以及企業(yè)要求進行了詳細的性能評估和設(shè)計優(yōu)化。其中與傳統(tǒng)燃油車的主要區(qū)別是追尾碰撞工況和全方位側(cè)面柱工況。在追尾碰撞工況設(shè)計過程中，為確保電池末端不出現(xiàn)較大的擠壓變形，對電池框結(jié)構(gòu)以及車身上電池安裝點結(jié)構(gòu)均進行多次優(yōu)化設(shè)計，以保證電池安裝點在碰撞過程中不失效，同時油箱綁帶及安裝形式在碰撞過程中不發(fā)生失效或脫落。圖 1 是追尾碰撞工況混動車尾部整體的變形情 況，可以看出車體結(jié)構(gòu)變形較小。


( a) 有限元仿真分析


( b) 整車碰撞試驗
圖 1 混合動力汽車追尾碰撞工況

在追尾碰撞過程中，整個移動壁障的動能主要靠車身來吸收，同時還要保護動力電池不受較大影響。圖2( a) 是電池周邊車身結(jié)構(gòu)有限元仿真分析狀態(tài)，可以看到后縱梁是主要的承載件以及傳力路徑。從圖 2 ( b) 追尾碰撞試驗后的底部總體變形圖可以看出，電池在車身結(jié)構(gòu)的保護下仍保持完好狀態(tài)，未出現(xiàn)較大的擠壓變形。


( a) 有限元分析中縱梁和動力電池變形


（b）整車試驗后底部視圖
圖2 混合動力汽車追尾碰撞工況解析

在追尾碰撞試驗工況中，針對傳統(tǒng)燃油車主要是考察燃油系統(tǒng)燃油是否泄漏和蓄電池是否移位，而對于動力電池布置較為靠后的混合動力汽車來說，同時還要考核動力電池是否有電解液泄漏的風(fēng)險。圖 3 是將追尾碰撞后的試驗車輛安裝在翻轉(zhuǎn)臺上，將整車進行 360 °翻轉(zhuǎn)后，進一步查看燃油系統(tǒng)和動力電池系統(tǒng)的泄漏情況［4］。


圖3 混合動力汽車追尾碰撞后泄漏情況檢查

電安全側(cè)面斜柱撞設(shè)計解析

動力電池全方位側(cè)面柱工況是企業(yè)內(nèi)部針對動力電池的一種設(shè)計保護，其要求在碰撞過程中電池框的擠壓變形和材料失效不能超過一定程度，從而防止內(nèi)部電芯模組出現(xiàn)變形和受到 擠壓。

由于上汽某插電式混合動力汽車的電池位于車輛后橋后面，故以后輪中心為分析起點，向后進行分析查找柱撞電池最薄弱的位置，并查看電池框的變形情況，如圖 4 ( a) 所示。在距離后輪向后約 400 mm 的位置上撞擊時，車體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定程度的變形，此處電池框會與車身周邊的擠壓變形件有一定的接觸。但由于車輛重心遠離碰撞點，車輛在此碰撞工況下會產(chǎn)生一定程度的甩尾現(xiàn)象，因此此工況不會導(dǎo)致電池出現(xiàn)大 的擠壓變形，如圖 4( b) 所示。


（a) 全方位側(cè)面柱分析


（b) 側(cè)面柱工況車體甩尾現(xiàn)象
圖 4 混合動力汽車追尾碰撞工況解析

從圖 5 的動力電池應(yīng)力云圖可以看出，電池框的塑性應(yīng)變較小，沒有失效的風(fēng)險。因此判斷動力電池的布置和車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足企業(yè)內(nèi)全方位側(cè)面柱電安全保護的要求。


圖 5 動力電池側(cè)面柱工況應(yīng)力云圖

結(jié)  語

針對混合動力汽車的所有碰撞工況，本文重點解析與動力電池相關(guān)的追尾碰撞工況和全方位側(cè)柱撞工況。其中主要基于混合動力汽車總體布置的情況，考察燃油系統(tǒng)、蓄電池和動力電池相關(guān)的碰撞安全設(shè)計要求。
追尾碰撞工況結(jié)合項目開發(fā)節(jié)點，采用有限元分析、試驗驗證和對標(biāo)優(yōu)化等手段進行了充分的分析和驗證; 在斜柱撞工況中，有限元分析結(jié)果顯示風(fēng)險較小，因此未進行進一步的試驗驗證，此工況對于純電車型更有實際意義。而對于電池處于尾部的混合動力汽車來說，結(jié)合實際交通事故工況，甩尾時可能存在車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)介入的情況，其對車輛側(cè)滑進行提前制動， 從而造成更輕微的碰撞，針對這種主動安全與被 動安全相結(jié)合的性能分析，后續(xù)要進行更深入的研究。


參考文獻
［1］GB/T 31498－2015．電動汽車碰撞后安全要求［S］．北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015．
［2］GB/T 19751－2005．混合動力電動汽車安全要求［S］．北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．
［3］GB 20072－2006． 乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求［S］．北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．
［4］王宏雁，范益承．燃料電池汽車追尾碰撞模擬分析［J］．汽車·拖拉機，2005(1) : 28-31