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準,但其中只有一項對碰撞安全提出要求且僅限于正面碰撞,標準低于燃油車。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)程等汽油車的標準,但碰撞事故的頻繁發(fā)生表明,目前的碰撞標準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。一方面國家碰撞標準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)面碰撞標準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,整車處于靜止狀態(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。

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。

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。

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。

基于惡劣工況下的純電動車碰撞安全仿真與評估hypermesh技術(shù)圖片6

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。

基于惡劣工況下的純電動車碰撞安全仿真與評估hypermesh技術(shù)圖片7

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。

基于惡劣工況下的純電動車碰撞安全仿真與評估hypermesh技術(shù)圖片8

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。

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)面碰撞標準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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