电动汽车侧面碰撞事故工况的力学及安全解析

电动汽车侧面碰撞事故工况的力学及安全解析

一、背景

随着人们安全意识的提升,车辆安全性在消费者购车因素中所占比重越来越大。对于用户而言,碰撞事故发生后能有效保护车上人员安全是最直接的需求。而对于工程开发人员,如何将碰撞事故中的用户安全转化为车辆开发中可量化分析的设计指标,在轻量化、低碳化背景下满足用户安全需求成为开发者需要掌握的重要前提。特别是电动汽车区别于传统燃油汽车碰撞安全的需求,更需要大家的重视和努力。

二、侧面碰撞工况

法规及NCAP体系为整车开发提供了很好的思路。基于车辆事故统计数据,分析事故形态及乘员伤害水平分布情况,可以将安全事故简化成几种典型的碰撞工况,如正面全宽碰撞,正面偏置碰撞,侧面可变形壁障碰撞等等。基于几种典型碰撞工况,开发人员就可以确定分析对象及进行相应的力学分析,进而提取车辆安全开发的重要指标,指导整车设计开发。

图1展示了典型的侧面碰撞工况:

图1 侧面碰撞工况

可变形的蜂窝铝壁障撞击被撞车侧面,模拟考察在侧面碰撞事故中对车内乘员的保护。目前主要的NCAP及保险体系相关侧面MDB工况可见图2,碰撞形式基本都是一致的,均为可变形蜂窝铝壁障以某一速度撞击试验车侧面。不同的是各国家和地区使用的壁障类型,壁障撞击位置,撞击速度和角度以及车内假人类型有明显差异,这与不同地域的事故类型特点,人体特点是相关联的。

图2 NCAP/保险体系侧碰工况(图片资料来源SafetyCompanion-2019)

三、机理分析

对于上述所有侧面碰撞工况,虽然壁障参数有所差异,但其受力机理都是一致的,可以将工况统一简化为如下质量-弹簧模型[1,2]:

图3 侧面碰撞简化模型[1,2]

质量-弹簧模型在理论设计阶段提供了一种简单高效且相对准确的分析方法,通过分析模型参数对碰撞过程的影响,帮助开发者快速确定影响乘员伤害的重要因素。

进一步的,对车内乘员、与乘员对应的车门结构以及壁障受力情况继续分解,以车门为分析对象,根据牛顿第二定律可知:

由此可得假人受力为:

图4 侧面受力分析

由公式(2)不难看出,减小壁障撞击力、降低车门动量(减小车门质量或减小车门侵入速度)、增加车身结构侧面强度均可减小假人受到的作用力,即降低假人伤害水平。结合实际工况,不难提取针对工程的结构设计指标:结构侵入速度、结构侧面强度或结构侵入量。

此外,从图4侧面受力分析可以看出,假人受力最直接来自于车门内饰结构。将车门饰板刚度简化为等效刚度K,撞击过程中门饰板侵入量等效为δ,则假人受力可以用公式(3)表示如下:

由此可知,设计合适的门饰板刚度或结构同样可以减小假人受力,起到保护乘员的效果。侧面安全气囊的作用正是利用这个原理,一方面降低结构与人体的接触刚度,使作用在人体的作用力较小;另一方面通过这一持续的分散作用力将人体推开,远离碰撞区域,达到保护乘员的效果。

有了上面的理论基础,在整车开发流程中就可以明确把车身结构的侵入速度,侵入量以及约束系统配置等作为设计指标,做到有的放矢的开发设计优化。

四、电动汽车特殊考量点

1、电动汽车碰撞安全风险

区别于传统燃油汽车系统结构的组成,电动汽车携带有高压系统,其额定工作电压基本在300~600V不等。因此,电动汽车侧面碰撞事故的防护需求在开发设计过程中不单单考虑到乘员的保护,同时还应当考虑到高压系统,特别是高压蓄电池的保护。在之前老王分享的“电动汽车碰撞安全标准法规和开发设计”曾对电动汽车碰撞安全风险做了详尽的介绍,电动汽车在碰撞过程中除了可能发生传统碰撞情况下人员伤亡的情况,还存在碰撞后高压系统受损,导致高压电裸露、高压泄露、短路、电池起火等次生风险,刚兴趣的朋友也可前往查看。

2、电动汽车高压系统结构布置的差异

老王就是负责电动汽车高压安全技术开发的,对电动汽车的高压系统结构布置略知一二。在现有的技术条件大,不管是企业油改电的车型还是全新的纯电架构车型,三电系统的零部件清单都差不多,但是各家企业在对于碰撞安全的深入研究上可能略有不同。用两个简单的车型来举例,一起看看不同的产品高压系统的布置的情况。

(1)PHEV(荣威RX5 eMAX)车型高压系统结构布置

荣威RX5 eMAX三电系统图

从荣威eMAX的三电系统图中我们可以发现,PHEV高压系统的布置都比较集中在整车碰撞防护的核心区域,特别是高压蓄电池的布置位置,一般都放在最安全的区域。正常的碰撞工况基本很难对其产生大的损伤。其中最恶劣的工况是32kph的测柱碰,可能在碰撞过程中造成侧梁侵入导致电池受损,值得大家关注。像荣威eMAX这种满足360°碰撞安全防护的车辆,目前市面上不多,主要是碰撞安全开发成本太高了!另外,普遍来说PHEV车型的高压线束通常都走车辆的中央通道位置,在侧碰过程中一般不大会受损,但是需要额外考虑与发动机排气管的隔热设计。

(2)EV(荣威MARVEL X)车型高压系统结构布置

荣威MARVEL X三电系统布置

荣威MARVEL X的三电系统布置图是个很典型的EV车型高压系统布置结构:大平板电池占据了整车底部大面积结构,同时基于车型两驱或是四驱、前驱或是后驱,直接决定了高压线束的走向。荣威MARVEL X的电池与前驱动系统的连接高压线束走的电池包右侧,避开了碰撞工况的主驾驶右侧碰撞区域。基本上全新的纯电动架构车型都会遇到这个高压线束布置走向问题,如果是油改电车型可以考虑使用排气管位置;如果不考虑车内地板舒适度也可以留出中央通道的位置供高压线束走向。当然了,如果能直接在电池包上进行前后高压出现设计也能较好的规避高压线在侧碰过程中的风险。

除了高压线束的,最主要就是高压电池包在侧碰工况中的考量了。纯电车型的电池由于电量要求高,普遍都是尽可能的大,因此在电池壳体与车身侧面防撞结构的间隙要充分考虑到位,同时也要考虑到电池的布置高度,尽可能的避免电池在侧碰过程中受损。

五、结语

安全遮不住,一碰总关命!

今年对于电动汽车行业来说可谓是喜忧参半,因各种各样的问题安全被提到了非常高的高度。虽然每个行业在发展的过程中都势必要经历阵痛,但是事关人身安全的事情,还是需要引起大家足够的重视。千里之堤,溃于蚁穴;作为从业者,一定要恪守安全的红线思维,绝不放任风险流入市场;作为消费者,也要理性看待技术发展的客观规律,不盲从、不妄断。

总的来说,多关注老王总没错咯,周末快乐!

【致谢】:感谢上汽碰撞安全工程与CAE技术专家WD对本文的技术支持!

参考文献 :

1. Hardy, W.; Foster, C.D.; King, A.I.; Tashman, S. (1997) Investigation of brain injury kinematics: Introduction of a new technique. Crashworthiness, Occupant Protection and Biomechanics in Transportation Systems, pp 241-254.

2. Paul Du Bois; Clifford C. Chou; Bahig B. Fileta; Tawfik B. Khalil; Albert I. King; Hikmat F. Mahmood; Harold J. Mertz; Jac Wismans; Priya Prasad; Jamel E. Belwafa. (2004)Vehicle crashworthiness and occupant protection. American Iron and Steel Institute.

3. 电动汽车碰撞安全标准法规和开发设计 - 工科男老王的文章 - 知乎 zhuanlan.zhihu.com/p/78


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发布于 2019-12-01

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