李向津，韓璐

北京現(xiàn)代汽車有限公司，北京 101300

為了快速響應市場，大部分車企首選將現(xiàn)有燃油車改制為電動車。原車的結構能否滿足電動車的基本性能需要，尤其是安全性能，使得電動汽車的碰撞安全設計成為一個新的課題[1]。本文通過對比傳統(tǒng)燃油車與在其基礎上改制的電動車的正面碰撞性能，分析整車正面碰撞性能變化規(guī)律情況，可以了解由傳統(tǒng)汽油車改制電動車時需要注意的問題，為新車設計提供一定的參考依據(jù)。經(jīng)過電動車開發(fā)案例論證和試驗驗證，保證結構達到試驗要求，滿足了國家法規(guī)標準，為日后電動車設計提供進一步的借鑒和參考。

1 正面碰撞試驗相關知識

1.1 國家強制正面碰撞試驗法規(guī)

GB 11551?2014《汽 車 正 面 碰 撞 的 乘 員 保護》法規(guī)[2]是國家對車輛正面碰撞最基本的要求。只有達到所規(guī)定的最基本的技術性能要求，企業(yè)所生產(chǎn)的車輛才能進行認證公告，上市銷售。所以在汽車產(chǎn)品開發(fā)階段，企業(yè)要投入大量的車輛進行乘員約束系統(tǒng)的標定與試驗驗證，以確保最終設計的車輛可以滿足要求。這是一個長周期、反復確認驗證的的過程。

近年來，隨著CAE 仿真技術的不斷發(fā)展，設計驗證環(huán)節(jié)逐漸數(shù)據(jù)化，依靠仿真手段進行車輛碰撞性能的驗證，具備可重復性和可對比性[3]，運用CAE 仿真分析技術可以縮短開發(fā)周期，減少試驗次數(shù)及開發(fā)成本[4]。

1.2 試驗方法

法規(guī)中規(guī)定正面碰撞試驗的主要內容是車輛以50 km/h(最小速度不低于48 km/h)的速度對撞剛性墻(見圖1)。

圖1 正面碰撞示意

碰撞結束后，試驗人員對通過仿人模型采集的數(shù)據(jù)進行處理，來評價車輛是否滿足法規(guī)的技術要求。主要參數(shù)包括頭部性能指標(HPC)、頸部傷害(NIC)、頸部彎矩、胸部壓縮指標(ThCC)、胸部黏性指標(V.C)和大腿圧縮力指標(FFC)。

在仿真分析時，這就要求把整車碰撞后的技術要求分解到具體的車體結構指標中,頭部和頸部的傷害值對應的車體指標項為車體加速度[5]。根據(jù)《乘用車正面碰撞的乘員保護》(GB11551?2014)對車輛加速度測量點的要求，車身加速度時間歷程應以車輛駕駛員側B 柱下端加速度傳感器的數(shù)值為基礎確定[6]。其中，胸部和腿部的的傷害指標對應乘員約束系統(tǒng)的性能，不在本文中討論。

1.3 車輛耐撞性工程評價

在實際車輛開發(fā)工作中，為了快速進行工程仿真分析，常采用車輛B 柱下方的加速度信號作為評價車輛耐撞性的基本參數(shù)，這種方法已經(jīng)過大量的工程驗證與應用。加速度傳感器獲取的信號經(jīng)過濾波處理后，可以得到車輛整個碰撞過程中加速變化的情況。在此基礎上，通過數(shù)學處理，還可以獲取車輛速度變化數(shù)據(jù)與車輛變形的數(shù)據(jù)。在汽車行業(yè)中廣泛采用這種方法進行車輛開發(fā)的工程仿真分析與驗證。

2 某電動車正面碰撞性能對比分析

在某車型開發(fā)過程中，為了節(jié)約全新開發(fā)電動車的巨大成本投入，縮短電動車產(chǎn)品的開發(fā)周期，公司決定基于某款傳統(tǒng)燃油車進行電動車的改制與開發(fā)。通過評估動力系統(tǒng)、電機電池系統(tǒng)的主要參數(shù)，以及車身結構，公司最終選定了的原型車，并確立了電動車改制方案。

改制電動車在原型車的基礎上取消了發(fā)動機、變速箱、進排氣、燃油箱等系統(tǒng)，增加了電機、控制器及電池等部件。由于車輛續(xù)航需要及電池容量需求，電池質量引起車輛質量急劇增加，在整車質量有巨大變化的情況下，我們需要對車輛的碰撞安全性能進行評估，考察質量變化對其的影響。文中主要討論了正面碰撞性能的變化情況。

2.1 建立仿真分析模型

目前整車有限元仿真試驗因其研究費用低廉、周期較短、采集數(shù)據(jù)信息較為全面等優(yōu)點[7]，已經(jīng)成為了汽車碰撞安全技術領域普遍采用的試驗方法。為了預估改制對車輛碰撞性能的影響，我們需要分別建立原型車與改制車的整車碰撞仿真模型(如圖2)，通過計算對結果數(shù)據(jù)進行對比。

圖2 整車正面碰撞仿真模型

本文使用了hypermesh 進行了網(wǎng)格劃分，原型車模型總規(guī)模約200 萬單元，改制電動車模型總規(guī)模約230 萬單元。并借助oasys.primer 建立了邊界條件及加載工況，使用lsdyna 進行了求解計算，并利用hperview 和oasys.reporter 進行了結果處理，形成了最終的仿真分析結果報告。

2.2 仿真模型的對標

如何對正面碰撞模擬結果可靠性進行評價已經(jīng)有確切的方法，通常采用對比B 柱加速度時間歷程曲線完成。這是因為在正面碰撞中，由于車體B 柱通常是不變形的，該點的加速度曲線反映著受試車體的碰撞性能[8]，所以行業(yè)公認把B 柱加速度作為評判車輛耐性能的基本指標[9]。當仿真與試驗結果誤差不超過20%，我們認為仿真模型真實可靠[10]。

為了確保仿真結果的可信度，在原型車模型完成之后，本文把仿真結果與原型車試驗結果進行對標。原始波形經(jīng)過濾波通道頻率等級為60的低通濾波器濾波后[11]，得到CFC60 波形，B 柱加速度曲線對比結果如圖3 所示。

圖3 整車正面碰撞仿真與試驗對標模型

碰撞過程中能量變化情況、沙漏能比率等指標曲線見圖4。從圖中可以看出，在整個碰撞過程中，總能量守衡，碰撞結束后整體能量為141.4 kJ，計算沙漏能為4.0 kJ，占比為2.83%，小于規(guī)定的5%，因此模型有效，碰撞仿真結果可信度較高[12]。

圖4 整車正面碰撞仿真能量轉化過程

主要傳感器測點速度變化見圖5，車輛整體變形量對比見圖6。速度變化與終速穩(wěn)定趨勢相近，整車計算最大壓縮量為554 mm，試驗最大壓縮量為601 mm，誤差為?7.8%，滿足工程使用要求。

在汽油車碰撞模型的基礎上，我們通過更新結構建立了改制電動車的仿真模型，再進行正面碰撞仿真的仿真計算，以保證原型車與改制車仿真計算對比結果的可信度。

圖5 速度信號變化過程

圖6 位移信號變化過程

2.3 原型車與改制車正面碰撞仿真結果對比

2.3.1 加速度信號對比分析

原型車(燃油)正面碰撞加速度信號與改制電動車的加速度信號對比如圖7 所示。由結果可知，燃油車正面碰撞最大加速度為35.5g，發(fā)生時刻為50.1 ms；由其改制的電動車正面碰撞最大加速度為28.6g，發(fā)生時刻為66.5 ms。

圖7 加速度信號對比

兩者對比可知整車正面碰撞加速度峰值有所降低，峰值時刻后移。詳細結果見表1。改制電動車相對于原型車，由于整車質量增加(主要為電池，集中在車身中后部)，正面碰撞時峰值加速度降低約20%。其峰值的降低有助于改善駕駛員頭部傷害HIC 值，降低了后繼安全氣囊的標定工作難度。加速度峰值時刻滯后，影響安全氣囊的起爆時間，說明整車質量變化過大的情況下，影響車輛安全性，需要對安全氣囊重新進行標定。

表1 燃油車與電動車正面碰撞加速度信號仿真結果對比

2.3.2 速度信號對比分析

在整車正面碰撞過程中，當車輛的碰撞速度降為0 時，表明碰撞壓縮過程結束，車輛開始反彈，通常把這個速度變化等于0 的時刻定義為碰撞結束的時刻。由圖8 中速度變化曲線可知，當速度變化到0 時，燃油車(原型車)的整個正面碰撞過程結束的時刻為68.8 ms，電動車(改制車)的整個正面碰撞結束的時刻為80.6 ms。

圖8 速度信號對比

兩者對比，可以明顯看出電動車(改制車)碰撞過程持續(xù)的時間比燃油車(原型車)的長，增加了11.8 ms，碰撞持續(xù)過程延長。這表明有更多的結構部件參與了碰撞過程的變形吸能，所以延長了碰撞變形持續(xù)的時間，這個結果與整車質量增加導致初始碰撞總能量增加是一致的。而碰撞持續(xù)的時間增加以后，將會導致駕駛員向前運動時間和運動距離增加，可能導致駕駛員前移量或者胸部壓縮量增加，需要重新標定安全帶，以保證駕駛員和乘員的位移量在合理的范圍內。

2.3.3 位移(變形)信號對比分析

在整車正面碰撞過程中，車輛前端壓縮量是考察整車耐撞性的一個重要的指標。我們可以通過仿真直接獲取車輛前端的變形量，即從碰撞開始到碰撞結束時刻，車輛在車身方向上位移的距離就是希望獲得的車身的最大變形量。之后，車身變形的結構開始反彈，所以本文在碰撞試驗后測量的車輛最大壓縮量一般小于仿真結果，其誤差產(chǎn)生的原因也在這里。由圖9 車身位移(變形)曲線可知，燃油車(原型車) 在68.8 ms 時車身前端最大變形量為598.6 mm，電動車(改制車)在80.6 ms 時車身前端最大變形量為672 mm。

圖9 車身位移(變形)

電動車(改制車)相對于燃油車(原型車)在正面碰撞工況下，其車身前端最大變形量增加量為73.4 mm，增幅接近12.3%。最大變形量的增加表明車身結構部件參與變形的程度增加，前端結構變形吸能量也變大。其原因是整車質量增加(主要是電池包的質量增加，集中在車輛中后部)，而車輛前端結構基本上保持了與原車結構一致，在沒有進行針對性加強的情況下，需要更多的結構部件參與變形來承擔吸能的作用，所以車身前端變形量會加大。這與前文整個碰撞變形過程變長的原因分析也是一致的。

3 正面碰撞主要影響因素及試驗結果

3.1 改制車正面碰撞性能主要影響因素

3.1.1 整車質量增加量

燃油車改制電動車時，由于續(xù)航里程的要求，電池包的質量增加導致整車質量有了大幅度的增加，這成為影響整車正面碰撞安全性能的首要因素。正面碰撞總能量計算公式為

式中M為碰撞車總質量。由此可見，整車總質量的增加將直接影響碰撞的總能量。

而車輛前端結構變形吸能，可以簡化為碰撞力在變形路徑上的做功：

當車輛前端結構基本不變時，可以近似地認為碰撞力F固定。由于總的動能增加，前端結構需要吸收更多的能量，即E′在F不變的條件下，做功的距離則會增加，車身最大變形增加。

3.1.2 車身結構相對強弱變化

由于電池包集中在車輛的地板中部和后部，車身前端基本上保持了原車的結構。電池包本身的安裝方式(剛性支架)和自身(內部角鋼桁架)結構均對車身中部地板剛度有加強作用。在車身前部結構總體不變的情況下，由于后部結構的加強，將導致車身前部結構相對變弱，這也從側面印證了仿真分析中車身前端為了吸收更多的碰撞能量，其變形量增加的結果。

3.1.3 對車輛正面碰撞的影響趨勢

燃油車改制電動車時，為了節(jié)約開發(fā)成本，最大程度上沿用了原車的結構，在車輛質量大幅增加的情況下，將導致改制車有如下變化：

1)碰撞加速度峰值：由于車輛前端結構相對“變弱”，整車正面碰撞加速度峰值將有所降低，峰值發(fā)生時刻也將比原車滯后；

2)車身最大變形量：由于需要整車初始動能增加，車身前端結構需要吸收更多的能量，所以車身變形量將比原車增大；

3)碰撞過程持續(xù)時間：由于車身變形量的增加，整個碰撞變形持續(xù)的過程也將延長，即車輛速度變?yōu)? 的時刻將滯后。這樣才能保證碰撞能量得到充分的傳導和釋放，車身的加速度、速度、位移信號三者相互印證，結果統(tǒng)一。

3.2 正面碰撞試驗結果

電動車(改制車)完成以后，公司委托中國汽車研究所碰撞試驗中心在進行了正面碰撞摸底試驗。試驗如10、11 所示。

圖10 正碰面碰撞摸底試驗

圖11 正碰面碰撞摸底試驗加速度曲線

根據(jù)試驗結果，我們對原車結構進行了局部改善與加強，并在此基礎上完成了電動車(改制車)車輛碰撞性能的強檢認證，車輛碰撞安全性能滿足了GB 11551?2014 《汽車正面碰撞的乘員保護》法規(guī)的要求。

4 結論

本文研究了燃油車改制電動車時正面碰撞仿真分析的主要過程，基于整車正面碰撞仿真結果主要因素的對比，總結了車輛改制過程中正面碰撞性能的主要影響因素及趨勢。

1)在未進行全新開發(fā)的條件限制下，由燃油車改制電動車的技術方案是可行的。

2)在車輛前端變形空間足夠的情況下，整車質量的增加引起正面碰撞安全性能的變化，可以由增加車輛前端變形量來實現(xiàn)碰撞能量轉移。

3)通過對加速度、速度和位移變形信號的分析對比，可以明確燃油車(原型車)和電動車(改制車)的正面碰撞性能差異程度和主要變化趨勢。

通過本研究，可以明確正面碰撞性能受改制影響的范圍，針對性地做出設計調整和結構改善，避免盲目、無目標地開展設計工作。仿真方法的應用可以協(xié)助我們快速驗證設計方案，減少設計反復周期，降低電動車的研發(fā)成本。