插电式混合动力汽车碰撞安全性能设计开发

摘要

在对插电式混合动力汽车的发动机、燃油箱和动力电池、电机、高压电路等关键零部件进行相关的碰撞安全性能开发时，不仅需要考虑传统燃油车的碰撞安全标准要求，同时还要考虑电动汽车动力电池安全相关的碰撞标准要求和电安全设计防护。文章首先分析了相应的碰撞试验法规，结合上汽某插电式混合动力汽车整车布置方案，针对其特殊结构重点研究其追尾碰撞和侧面柱碰撞工况，在考虑传统汽车结构和乘员安全的基础上，对动力电池、高压电系统等电安全进行了分析。文章对研究插电式混合动力汽车的碰撞安全，具有一定的指导意义。

关键字：追尾碰撞 侧面柱 电安全 插电式混合动力汽车
作者：周会锋 艾维全 蔡毅
单位：上海汽车集团股份有限公司技术中心

插电式混合动力汽车，是介于纯电动汽车与燃油汽车之间的一种新能源汽车，既有传统汽车的发动机、变速器、传动系统、油路和油箱，也有纯电动汽车的电池、电动机和控制电路，而且电池容量比较大，有充电接口。它综合了纯电动汽车和混合动力汽车的优点，既可实现低污染、低排放行驶，也能通过混动模式增加车辆的续驶里程。在插电式混合动力汽车相关动力源的布置和开发过程中，针对发动机、燃油箱和动力电池、电机、高压电路同时存在的结构和特点，不仅需要考虑传统燃油车的碰撞安全标准要求，同时还要考虑电动汽车动力电池安全相关的碰撞标准要求和电安全设计防护。

混合动力汽车碰撞相关标准解析

插电式混合动力汽车相关的安全碰撞设计要求，不仅包括传统燃油汽车相关的碰撞安全标准法规，还包括电动汽车安全碰撞标准法规以及动力电池安全设计保护相关企业要求。如表 1 所示，混合动力汽车碰撞安全标准包括 4 个部分: 第一部分是传统燃油车碰撞安全标准要求，第二部分是电动汽车国内主要法规［1-2］， 第三部分是 C-NCAP 碰撞安全标准要求，第四部分是动力电池全方位侧面柱的企业设计要求分析工况。



表 1 中的第一部分主要是指正面和侧面碰撞对乘员的保护，以及后碰燃油系统的要求［3］， 同时对车体结构也有基本的设计要求; 第二部分是电安全相关的主要法规，它们在电动汽车碰撞试验电解液泄漏和动力电池保持位置等方面要求基本一致: 碰撞试验后，动力电池不能发生明显移位( 如不能侵入乘员舱、不能从车身上甩出 等) ; 电解液不能发生泄漏 ( 30 min 内不超过5L) ; 高压电元器件碰撞试验前 /后测量和评价 绝缘电阻是必要的，或者满足低电压、低电能、物理防护和绝缘电阻四选一; 第三部分是 C-NCAP 在国标的基础上，对车内更多位置乘员的各梯度伤害得分的综合评价，同时对碰撞速度、侧面可移动壁障质量和结构形式以及车体结构都有更高的评价要求; 第四部分动力电池全方位侧面柱工况，是企业内部针对动力电池的一种设计保护，要求在碰撞过程中动力电池框的挤压变形不能超过一定程度，从而防止内部电芯模组发生变 形和受到挤压。

混合动力汽车后碰撞仿真和试验解析

在对上汽某插电式混合动力汽车进行整车动力电池和底盘布置设计时，基于上述相关传统车碰撞国家标准、C-NCAP 碰撞要求、电安全碰撞国家要求以及企业要求进行了详细的性能评估和设计优化。其中与传统燃油车的主要区别是追尾碰撞工况和全方位侧面柱工况。在追尾碰撞工况设计过程中，为确保电池末端不出现较大的挤压变形，对电池框结构以及车身上电池安装点结构均进行多次优化设计，以保证电池安装点在碰撞过程中不失效，同时油箱绑带及安装形式在碰撞过程中不发生失效或脱落。图 1 是追尾碰撞工况混动车尾部整体的变形情 况，可以看出车体结构变形较小。


( a) 有限元仿真分析


( b) 整车碰撞试验
图 1 混合动力汽车追尾碰撞工况

在追尾碰撞过程中，整个移动壁障的动能主要靠车身来吸收，同时还要保护动力电池不受较大影响。图2( a) 是电池周边车身结构有限元仿真分析状态，可以看到后纵梁是主要的承载件以及传力路径。从图 2 ( b) 追尾碰撞试验后的底部总体变形图可以看出，电池在车身结构的保护下仍保持完好状态，未出现较大的挤压变形。


( a) 有限元分析中纵梁和动力电池变形


（b）整车试验后底部视图
图2 混合动力汽车追尾碰撞工况解析

在追尾碰撞试验工况中，针对传统燃油车主要是考察燃油系统燃油是否泄漏和蓄电池是否移位，而对于动力电池布置较为靠后的混合动力汽车来说，同时还要考核动力电池是否有电解液泄漏的风险。图 3 是将追尾碰撞后的试验车辆安装在翻转台上，将整车进行 360 °翻转后，进一步查看燃油系统和动力电池系统的泄漏情况［4］。


图3 混合动力汽车追尾碰撞后泄漏情况检查

电安全侧面斜柱撞设计解析

动力电池全方位侧面柱工况是企业内部针对动力电池的一种设计保护，其要求在碰撞过程中电池框的挤压变形和材料失效不能超过一定程度，从而防止内部电芯模组出现变形和受到 挤压。

由于上汽某插电式混合动力汽车的电池位于车辆后桥后面，故以后轮中心为分析起点，向后进行分析查找柱撞电池最薄弱的位置，并查看电池框的变形情况，如图 4 ( a) 所示。在距离后轮向后约 400 mm 的位置上撞击时，车体结构会产生一定程度的变形，此处电池框会与车身周边的挤压变形件有一定的接触。但由于车辆重心远离碰撞点，车辆在此碰撞工况下会产生一定程度的甩尾现象，因此此工况不会导致电池出现大 的挤压变形，如图 4( b) 所示。


（a) 全方位侧面柱分析


（b) 侧面柱工况车体甩尾现象
图 4 混合动力汽车追尾碰撞工况解析

从图 5 的动力电池应力云图可以看出，电池框的塑性应变较小，没有失效的风险。因此判断动力电池的布置和车身的结构设计满足企业内全方位侧面柱电安全保护的要求。


图 5 动力电池侧面柱工况应力云图

结  语

针对混合动力汽车的所有碰撞工况，本文重点解析与动力电池相关的追尾碰撞工况和全方位侧柱撞工况。其中主要基于混合动力汽车总体布置的情况，考察燃油系统、蓄电池和动力电池相关的碰撞安全设计要求。
追尾碰撞工况结合项目开发节点，采用有限元分析、试验验证和对标优化等手段进行了充分的分析和验证; 在斜柱撞工况中，有限元分析结果显示风险较小，因此未进行进一步的试验验证，此工况对于纯电车型更有实际意义。而对于电池处于尾部的混合动力汽车来说，结合实际交通事故工况，甩尾时可能存在车身电子稳定控制系统介入的情况，其对车辆侧滑进行提前制动， 从而造成更轻微的碰撞，针对这种主动安全与被 动安全相结合的性能分析，后续要进行更深入的研究。


参考文献
［1］GB/T 31498－2015．电动汽车碰撞后安全要求［S］．北京: 中国标准出版社，2015．
［2］GB/T 19751－2005．混合动力电动汽车安全要求［S］．北京: 中国标准出版社，2005．
［3］GB 20072－2006． 乘用车后碰撞燃油系统安全要求［S］．北京: 中国标准出版社，2006．
［4］王宏雁，范益承．燃料电池汽车追尾碰撞模拟分析［J］．汽车·拖拉机，2005(1) : 28-31