纯电动汽车正面碰撞安全性分析

张晓旭

摘要：从纯电动汽车兴起至今，电动汽车的销量火爆，但电动汽车发生的故障也不断增加，使乘员的人身安全和财产受到极大的威胁。为了保证乘员的驾车安全，国外和我国都对纯电动汽车的安全性能投入了大量的人力和物力，同时纯电动汽车碰撞后的被动安全性也受到人们越来越多的关注。本文结合有限元软件对国内纯电动汽车碰撞的被动安全性进行分析，其目的是为了进一步对纯电动汽车的优化，使其被动安全性能越来越高，对后期的相关纯电动车辆的发明提出宝贵的指导意见。

关键词：电动汽车;安全;正面碰撞

0  引言

由于新能源汽车的节能减排的效果显著正受到全球的认可，人们普遍认为新能源汽车对人们的健康出行，减少城市污染，促进社会经济的可持续发展有着深远的影响。我国新能源汽车以比亚迪、一汽、吉利等为代表，也快速的发展起来。新能源汽车的安全性研究对汽车行业都有着非常重要的作用，汽车的被动安全性体现为汽车碰撞后保护人员的安全性，研究碰撞安全性也由此油然而生。目前，国内的新能源汽车的被动安全研究正按照人—车—路—环境的智能化的发展方向，并融入交通物流运输、电气电子、互联网等产业协调发展，提高了汽车的碰撞安全性能。

1  电动汽车被动安全法规

目前，国际上主要以美国的FMVSS 305 和欧洲的ECER100作为电动汽车的被动安全法规。我国参照国外的法规也在2001年制定了《电动汽车安全要求》作为电动汽车碰撞安全性法规，并在2005年又出台了《混合动力电动汽车安全要求》，于2009年又有《燃料电池汽车安全要求以及中国碰撞法规》等，对电动汽车的发展做出指导。

对于电动汽车的正面碰撞试验，除了要符合电动汽车的被动法规要求，还要符合《汽车正面碰撞乘员保护》的标准要求。

2  电动汽车正面碰撞有限元模型的建立

电动汽车碰撞有限元模型的建立，是将电动汽车的整车结构转换成数字模型，进行有限元模型的建立，赋予模型工作条件、单元信息、材料属性、连接关系的设置，模拟汽车正面碰撞的过程并获得碰撞结果。有限元的方法是汽车碰撞安全分析的一个强有力的工具，主要凭借其强大的功能，简单的操作，可靠的结果和较高的效率而应用。在进行有限元仿真模型建立的过程中，主要包括几何尺寸简化和网格划分，以及沙漏现象的控制等。

由于汽车车体结构复杂，整体计算规模大，所以汽车的碰撞仿真计算过程复杂，建模要求高。要确保得出准确的计算结果，电动汽车的碰撞安全性评价准确，就要保证每一个步骤的精度，电动汽车碰撞有限元模型建立的步骤如图1所示。

本文电动车辆车体有限元模型在HyperMesh中建立，然后导出K文件，并将K文件导入到LS-DYNA软件中，最后用HyperView进行结果处理与分析。

3  电动汽车的正面碰撞仿真分析

电动汽车的正面碰撞主要形式为，车辆与固定刚性墙发生碰撞，虽然发生几率很小，但是伤害程度很大，所以在电动汽车发生正面碰撞时，保护驾驶室乘客生命安全就显得尤为重要。

本文建立的有限元仿真模型采用单精度高斯微积分求解算法，其中沙漏控制在5%范围内，以保证沙漏能曲线的光滑度。采用《车辆正面碰撞乘员保护法则（CMVDR294）》安全法规作为仿真模拟的出发点进行正面撞击刚性墙。根据动量定理和能量守恒定律，由于电动车辆的正面碰撞过程中刚性墙固定不动，碰撞车辆车体的初速度设定为48km/h（13.33m/s），利用LS-DYNA进行计算。

3.1 能量变化分析

从总能量、动能、内能及沙漏能的变化情况来看，总能量等于车辆碰撞开始时的动能，没有出现减少的现象，碰撞结束时，碰撞动能大部分已经转化吸收掉，从这一过程可以得出能量守恒的结论。从沙漏能一直保持小于5%的数值，可以断定沙漏能正常，能量变化稳定没有出现任何突变，模型合理，能量变化情况正常。

3.2 车体变形分析

计算结束利用HyperView对结果进行分析。在整个计算时间120ms的进程中，从计算开始直到10ms车体才与刚性墙接触发生碰撞，在此之前车身变形为0，到碰撞20ms由于受到刚性墙的撞击，车体变形逐渐增加，前防撞横梁已经发生了很大变形，前防撞横梁已经被压平并陷入机体内部。随着碰撞的继续，摆臂的支架外侧板、摆臂支架内侧板、纵梁以及加强板也都发生了不同程度的塑性变形，地板纵梁前段与加强板一起也由于挤压力的作用发生弯曲变形。在随后的时间里，由于车体变形吸收了大量的能量，为碰撞起到了缓冲作用，碰撞速度也不断减小，直至为0，于是车头的变形逐渐回弹，最终在计算结束后车辆由于碰撞反弹而向后退回，变形也不再明显。可见车头的吸能情况很理想，实现了能量的分散，在整个计算仿真过程中。车辆的变形主要集中在车体前端，驾驶员及乘客的生存都没有收到威胁，保证了一定的安全性。

3.3 碰撞加速度分析

加速度是随碰撞里的变化而变化的，碰撞力增加加速度也会随之增加，即电动车辆的司乘人员在碰撞过程中的冲击力可以通过碰撞加速度体现。所以为了保护电动汽车内部司乘人员的安全，电动汽车碰撞加速度也要满足要求。由仿真计算结果可知，电动车辆车体最大加速度为41.5g，小于许可值，在加速度方面满足司乘人员的安全要求。

3.4 前围板侵入量分析

前围板是乘员舱与车体前部乘员舱结构的分界面，一旦前围板侵入量过大将使其组件，例如制动踏板与人员直接接触，使人员的生存空间受到威胁，因此前围板的侵入分析也是电动车辆正面碰撞评价指標之一。在分析过程中将前围板的后移量作为侵入量的判定标准，根据仿真结果，前围板最大侵入量62.65mm，由于侵入量稍大，人员的腿部会因为前围板的入侵在碰撞过程中受到碰撞伤害，但入侵量在许可范围之内，满足法规要求。

3.5 电池系统的安全分析

对于电动汽车在碰撞过程中，高压电池的安全性非常重要，因为在碰撞事故中，重要部件发生损坏或者防护保护失效，电池也不应损坏，否则作为能量的聚集体，一旦损坏将造成不可估量的危险。本车电池组作为电动汽车一切动力的源泉，安装在车身车辆底盘下，这样设计是由于乘客室的坚固设计，再加上车门的外围护栏的作用，就可以很好的保护电池不收到损坏。在仿真计算中电池包应变率小于许可值，电池包不存在安全隐患。

4  结论

本文对基本力学方程、碰撞问题的求解方法、显式有限元理论、变形体与刚性墙碰撞理论等理论的运用，对电动汽车的车体结构有限元模型进行了正面碰撞仿真分析，并对其碰撞的计算的正确性进行了能量变化的验证。确保仿真结果的正确的基础上，对电动汽车的车体变形、碰撞加速度、前围板侵入量以及电池系统的安全进行了计算分析。结果表明本款电动汽车结构稳固，安全性可靠。

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