基于惡劣工況下的純電動車碰撞安全仿真與評估

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

摘要:電池模組的變形量是判斷電動車碰撞安全的重要指標(biāo)之一。本文基于HyperMesh建立整車有限元模型,通過引入Euro-NCAP側(cè)面柱碰和FMVSS301高速后碰兩種惡劣工況對某純電動汽車進行碰撞仿真和評估。計算結(jié)果表明在惡劣工況下純電動車電池模組變形量滿足設(shè)計要求。通過引入更嚴(yán)苛工況對電動車碰撞安全進行評估的方法,這對國內(nèi)建立更加完整的電動車安全碰撞體系具有重要的參考價值。

1 概述

隨著世界環(huán)境污染和能源危機的雙重壓力下,新能源汽車的研發(fā)勢在必行。而目前純電動汽車、混合動力汽車發(fā)展最為迅速,電動汽車已然成為未來解決能源和環(huán)境危機的必然方向。但是,近年來純電動車碰撞事故的頻繁發(fā)生,無疑將電動車運行安全的課題再次推至聚光燈下。

目前我國只有GB/T18384.1、2、3-2001《電動汽車安全要求》三項涉及電動車安全的國家標(biāo)準(zhǔn),但其中只有一項對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。因此,在國內(nèi)針對電動車的開發(fā)基本是參照GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》、GB20072-2006《乘用車后碰燃油系統(tǒng)安全要求》及C-NCAP評價規(guī)程等汽油車的標(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)很不利于電動車的乘員保護[2-3]。電動車最大的安全問題就是電池包和高壓線路在碰撞發(fā)生時的安全問題。一方面國家碰撞標(biāo)準(zhǔn)對于純電動車來說仍然較低,另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的電池擠壓測試并不能完全替代實際中可能發(fā)生的碰撞測試。尤其是在車輛的側(cè)面和后面部位易產(chǎn)生過大的變形,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,我們在電動車的開車過程中有必要引入更加嚴(yán)苛的工況用以評估電動車的碰撞安全性。

本文以滿足GB20072后面碰撞及C-NCAP側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)的某純電動汽車為對象,利用Altair公司HyperMesh軟件建立了整車有限元模型, 并針對Euro-NCAP29km/h側(cè)面柱碰及FMVSS30180km/h高速后碰兩個惡劣工況進行仿真分析以評估在開發(fā)過程中電動車的碰撞安全性能。

2 有限元模型建立

本文主要利用HyperMesh軟件建立純電動車整車有限元模型,主要包括車身、閉合件、底盤和動力系統(tǒng)以及完整的電池包模型。在針對國內(nèi)法規(guī)時,我們往往簡化了電池包的建模,對電池包的評估往往是針對電池框架的整體變形。為此,我們在針對惡劣工況下的碰撞評估中,我們詳細地將電池包內(nèi)部電池模組進行了建模和連接,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。整個有限元模型共1576516個節(jié)點,2236025個單元,包括梁單元、殼單元、實體單元、彈簧和鉸鏈等單元類型,如圖1 所示。

圖 1整車及電池模組有限元模型

3 基于Euro-NCAP側(cè)面柱碰工況純電動車碰撞安全評估

3.1 有限元模型描述

純電動車側(cè)面結(jié)構(gòu)及電池包布置空間如圖2所示。

圖 2電動車側(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)面柱碰試驗規(guī)定,整車處于靜止?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,剛性柱最低點距離地面之間的距離不得超過102mm,上端超出頂蓋最高點距離至少大于100mm。駕駛員假人的頭部重心對準(zhǔn)圓柱中心線,車輛以29km/h的速度撞擊剛性圓柱。盡管撞柱碰撞速度只有29km/h,但對車身的要求很高,試驗工況如圖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)果評估

從圖4仿真結(jié)果顯示車身結(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,正對剛性柱的內(nèi)部電池模組有較小位移,但無過大的擠壓和結(jié)構(gòu)侵入,在碰撞過程中不會造成發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況。在撞擊最嚴(yán)重時刻,模組之間最小間隙為1.5mm,單個模組最大變形為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(針對模組單體)電池包壓縮量小于30%,滿足設(shè)計要求。

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圖5 內(nèi)部電池模組變形結(jié)果(最大變形時刻)

4 基于FMVSS301高速后碰工況純電動車碰撞安全評估

4.1 有限元模型描述

純電動車后面結(jié)構(gòu)及變形空間如圖6所示。

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圖6電動車后面結(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,整車本身處于靜止水平地面上,使用FMVSS214中的臺車,臺車放置在與整車相同的地面上并將壁障高度降低50mm。后碰臺車與整車有70%重疊并以80Km/h的速度撞擊整車后部,臺車可以偏向整車左側(cè)或者右側(cè),試驗工況如圖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)果評估

通過HyperView顯示整車和電池模組變形結(jié)果,可以看出車身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,后縱梁尾段變形充分,變形形式合理,吸能良好且無硬物直接撞擊到電池包,電池包整體變形較小,滿足車體對電池包防護的要求,整車變形如圖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,但無后縱梁以及副車架等結(jié)構(gòu)侵入的出現(xiàn),因此在碰撞過程中不會造成發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況。在撞擊最嚴(yán)重時刻,模組之間最小間隙幾乎未發(fā)生改變,單個模組最大變形為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(針對模組單體)電池包壓縮量小于30%,滿足設(shè)計要求。

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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)的某純電動汽車為例,利用HyperMesh軟件建立整車有限元模型,通過引用FMVSS301高速后碰和Euro-NCAP側(cè)面柱碰這兩個工況對純電動汽車碰撞安全進行了仿真和評估,仿真結(jié)果顯示,電動車在這兩種惡劣工況下,電池模組的變形均滿足設(shè)計要求,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車開發(fā)過程中,有效地評估電動車在惡劣工況下電池模組的變形量,提高電動汽車碰撞結(jié)構(gòu)的安全性能。同時,這也對國內(nèi)建立更加完整的電動車安全碰撞體系具有重要的參考價值。

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