增程式純電動汽車側(cè)碰撞研究*

劉存山,馮 津

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 東莞 523808; 2.廣州合贏教學(xué)設(shè)備有限公司,廣東 廣州 525100)

0 引言

增程式純電動汽車(E-REV)具備在線充電功能，彌補了傳統(tǒng)純電動汽車?yán)m(xù)駛里程不足的缺點，與混合動力電動汽車相比，擁有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易等優(yōu)點，因此越來越受到人們的重視。

隨著新能源汽車大量進(jìn)入市場，E-REV汽車的安全性也越來越引起人們的重視，作為進(jìn)入市場化應(yīng)用的車型，E-REV應(yīng)該擁有與傳統(tǒng)燃油車同樣良好的側(cè)碰撞安全性。據(jù)統(tǒng)計，我國造成死亡和重傷的汽車碰撞事故中，側(cè)碰事故約占35%，其致死率僅次于正碰撞[1]，因此研究E-REV汽車的側(cè)碰撞安全性能是非常重要的。

本文以某增程式純電動汽車為研究對象，針對該車的結(jié)構(gòu)特點，使用有限元仿真技術(shù)來分析該E-REV的側(cè)碰撞安全性能，并與試驗驗證相結(jié)合，研究獲得該款車型更好的側(cè)碰撞安全性能的方法。

1 側(cè)碰撞安全性設(shè)計原則

本文研究對象是一款改制式的增程式純電動汽車。該款車的增程式發(fā)動機(jī)、增程器、驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)控制器和減速器均布置在發(fā)動機(jī)艙。動力電池箱布置在車輛后排座椅和后備箱之間的位置，約重230 kg，動力電池箱總能量為13 kWh。增程式純電動汽車基本結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

E-REV車輛的側(cè)碰撞安全性試驗必須滿足GB20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》和GB/T19751—2005《混合動力電動汽車安全要求》[2]。

圖2為E-REV側(cè)碰撞有限元模型。E-REV的側(cè)碰撞仿真分析方法與傳統(tǒng)汽車完全一樣。在我國標(biāo)準(zhǔn)側(cè)碰撞試驗中,要求被撞車體受到的最大側(cè)向碰撞力不超150 kN[3]。側(cè)碰撞安全結(jié)構(gòu)總的設(shè)計原則是：在側(cè)碰發(fā)生時盡量降低左右兩個B柱間(或者左右兩個車門間)的相對運動速度。好的設(shè)計這個相對速度可以低于6 m/s，差的可能高于10 m/s。

圖1 增程式純電動汽車基本結(jié)構(gòu)框圖

圖2 E-REV側(cè)碰撞有限元模型

2006年7月頒布執(zhí)行的《汽車側(cè)面碰撞的乘員防護(hù)》法規(guī)中對車身變形的評價方法為新車設(shè)計提出了指導(dǎo)性要求。側(cè)碰撞對假人的傷害程度由假人的生存空間和傳遞給假人的撞擊決定，而上述內(nèi)容又由撞擊過程中生存空間的侵入量和侵入速度決定[4]。因此，側(cè)碰撞安全性能的優(yōu)劣性可通過撞擊過程中車輛的侵入量和侵入速度來評判。

與正面碰撞不同，側(cè)碰撞需要盡快地將碰撞能量從被撞擊側(cè)傳遞到對側(cè)?？紤]到撞擊點與乘員距離的問題，本文設(shè)計了一些橫向承載條，以加快側(cè)向碰撞能量的傳遞速度,同時優(yōu)化該車側(cè)圍結(jié)構(gòu)，避開乘員易被傷害的區(qū)域。

2 E-REV的側(cè)碰撞仿真分析

本文按照C-NCAP可變性移動屏障側(cè)碰撞試驗的要求建模,將整車車架模型處理后導(dǎo)入有限元軟件，使用LS-DYNA作為求解器進(jìn)行分析計算。

2.1 E-REV車身結(jié)構(gòu)與原型車對比

經(jīng)過仿真計算得到E-REV白車身一階彎曲模態(tài)為37.8 Hz，稍小于原型車的38.3 Hz，滿足≥32 Hz的目標(biāo)值要求；白車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為48.9 Hz，稍大于原型車48.7 Hz，滿足≥35 Hz的目標(biāo)值要求；E-REV白車身扭轉(zhuǎn)剛度為19 821 daNm/rad，小于原型車21 815 daNm/rad，滿足≥10 612 daNm/rad的目標(biāo)值設(shè)計要求。

圖3為彎曲加載后E-REV車身后地板最大變形處的變形量，在x=2 250 mm的位置(x軸的零點位于車身前部結(jié)構(gòu)件鋼梁頂端),彎曲變形量最大，約0.183 mm，原型車為0.149 mm，彎曲變形量稍有增大，仍然滿足設(shè)計值要求。

圖3 E-REV車身后地板最大變形

在5g的加速度工況下，E-REV底部的高壓線槽單段線槽最大應(yīng)力為2.410 MPa，遠(yuǎn)小于50 MPa的屈服強(qiáng)度，并且在側(cè)碰撞仿真試驗中E-REV車輛底部高壓線槽產(chǎn)生了一定程度的變形，但是線槽整體保持完整，沒有損壞現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 E-REV側(cè)碰撞門檻變形分析

對E-REV側(cè)碰撞過程中車門變形情況進(jìn)行研究。根據(jù)C-NCAP可變形移動壁障側(cè)碰撞試驗的要求,將壁障的縱向中垂面與試驗車輛上通過碰撞側(cè)前排座椅R點的橫斷垂面對準(zhǔn)，碰撞速度設(shè)為50 km/h，提交LS-DYNA計算，得到的結(jié)果如圖4所示。圖4的仿真結(jié)果顯示，E-REV整車側(cè)碰撞結(jié)果的變化趨勢和原型車類似，門檻的變形不大，但B柱中部變形嚴(yán)重，上、下部變形較小。

綜合仿真計算的結(jié)果來看，E-REV車身結(jié)構(gòu)在側(cè)碰撞試驗中，因為車重的變化導(dǎo)致原型車已有的車身結(jié)構(gòu)件應(yīng)力和屈服強(qiáng)度發(fā)生了較大變化，使得車身主要的承重部位的碰撞變形量增大，但是增大的幅度在可以接受的范圍內(nèi),可以滿足國家側(cè)碰撞法規(guī)的要求，但是如果要取得較高的性能值，還需要對E-REV整車結(jié)構(gòu)做針對性的優(yōu)化設(shè)計。

圖4 E-REV側(cè)碰撞B柱變形結(jié)果

由表1的主要損傷值可以看出，E-REV在側(cè)碰試驗中，雖然駕駛員頭部沒有與B柱發(fā)生直接碰撞，但是左前門內(nèi)側(cè)對應(yīng)假人的肋部侵入量較大，偏向低性能值，駕駛員的頭部和胸部在安全氣囊沒有完全展開的情況下與之發(fā)生接觸，導(dǎo)致駕駛員側(cè)頭部HIC(Head injury criteria)損傷值偏高，無法得到好的C-NCAP分?jǐn)?shù)。因此有必要對于E-REV乘員約束系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得在側(cè)碰撞試驗中為乘員提供最優(yōu)的保護(hù)。

表1 E-REV側(cè)碰撞主要損傷指標(biāo)結(jié)果

常用的HIC有兩種，表1中的HIC36是指時間間隔不超過36 ms的HIC。

3 E-REV側(cè)碰撞仿真及優(yōu)化結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本文從E-REV車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和乘員約束系統(tǒng)配置參數(shù)的優(yōu)化兩方面分別進(jìn)行。

3.1 E-REV車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對前面章節(jié)仿真分析得到的結(jié)果，將B柱和頂部、底部車架結(jié)合位置修改為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并改用高強(qiáng)度鋼材，強(qiáng)力包覆住乘員艙的空間，強(qiáng)化防撞鋼梁和修改左前門的防撞銷結(jié)構(gòu)，后地板前橫梁加厚至3 mm，全面地提升了側(cè)碰撞時的防護(hù)能力，最大程度地保證乘員的安全。優(yōu)先后的E-REV車身結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的E-REV車身結(jié)構(gòu)

3.2 E-REV乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化

徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法是一種3層前向網(wǎng)絡(luò)，輸入到輸出的映射是非線性的，而隱層空間到輸出空間的映射是線性的。RBF網(wǎng)絡(luò)是局部逼近的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以避免局部極小問題，有效地減少和控制目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)的波動，進(jìn)而快速地計算得到目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化計算的結(jié)果，非常適合設(shè)計目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計計算。RBF網(wǎng)絡(luò)逼近的性能指標(biāo)函數(shù)為:

(1)

其中:E(k)為性能指標(biāo)函數(shù)；y(k)為目標(biāo)函數(shù)對象；ym(k)為網(wǎng)絡(luò)輸出量變量；w=[w1,w2,…,wm]T為網(wǎng)絡(luò)權(quán)向量；h=[h1,h2,…,hm]T為高斯基函數(shù)。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整過程為：

W(k)=W(k-1)+ΔW(k)+α(W(k-1)-W(k-2)).

(2)

其中：W(k)為進(jìn)行迭代計算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值；α為動量因子。

由于汽車側(cè)碰撞對人傷害最大的因素是車門的最大侵入量和最大侵入速度。我們選取5個對于E-REV原型車增加側(cè)向剛度影響較大的零件作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的對象，構(gòu)建以下優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[5]：

F(x)=k1F1(di)+k2F2(vj).

(3)

其中：F1為碰撞位移影響函數(shù)；di為車門最大侵入量， 且di≤0.2 m，i=1,…,n;F2為碰撞侵入速度影響函數(shù)；vj為車門最大侵入速度，且vj≤8 m/s，j=1,…,n;k1和k2為影響調(diào)整系數(shù)；n為迭代次數(shù)，此處取n=7。

啟動計算程序，開始RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法的迭代計算，經(jīng)13次迭代后，得到了最優(yōu)值。確定的氣袋織物透氣率是原型車的92%，安全帶織帶剛度是原型車的91%，座椅面料摩擦因數(shù)為原型車的90%，護(hù)膝板剛度為原型車的108%，安全氣囊材料泄氣率常數(shù)為1.2，起爆時間調(diào)整為碰撞后15 ms。

再次仿真的結(jié)果顯示：HIC值由672.6降低到了355.2，胸部最大壓縮量由42.5 mm降低到了23.6 mm，經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)后，假人的傷害指數(shù)大幅下降，效果明顯。

優(yōu)化設(shè)計后的車身結(jié)構(gòu)的側(cè)碰撞仿真結(jié)果與原型車的實測結(jié)果非常相近，假人的腹部力曲線、上中下三個位置的肋骨變形量最大值波形、骨盆碰撞力最大值波形以及頭部加速度波形都非常接近。圖6是優(yōu)化設(shè)計后的E-REV門檻在側(cè)碰撞后的變形結(jié)果，變形位移量較小。因此，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計后的E-REV比原型車具有更好的側(cè)碰撞安全性。

4 實驗分析

通過上述分析研究，對E-REV車輛的結(jié)構(gòu)和設(shè)計進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，經(jīng)實車側(cè)碰撞試驗，得到如圖7所示的試驗結(jié)果。從圖7中可以看出，仿真計算的加速度曲線和實車測試結(jié)果趨勢一致，仿真計算加速度最大值為19.1g，實車測試值為16.3g，仿真結(jié)果略大于實車測試值，計算結(jié)果可信。

圖6 E-REV側(cè)碰撞門檻變形結(jié)果

圖7 E-REV側(cè)碰撞B柱非碰撞側(cè)加速度仿真與測試曲線

綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后的E-REV側(cè)碰撞性能得到了較好的提高，重新優(yōu)化調(diào)整的約束系統(tǒng)參數(shù)能夠為乘員提供最優(yōu)的保護(hù)，仿真和試驗的結(jié)果均表明，該款E-REV有著高性能的側(cè)碰撞安全性。

5 結(jié)語

基于一款改制式的增程式純電動汽車的結(jié)構(gòu)和特點，建立了該車的側(cè)碰撞有限元仿真模型，經(jīng)過仿真計算，對其車身設(shè)計結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計算的結(jié)果，重新調(diào)整了設(shè)計參數(shù)，通過仿真和實車碰撞實驗，驗證了改進(jìn)設(shè)計方案的良好效果。本文的研究內(nèi)容對于改進(jìn)增程式純電動汽車側(cè)碰撞被動安全性的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳韶建，陶元芳.增程式電動汽車的概念與設(shè)計方案[J].機(jī)械工業(yè)與自動化，2010(5)：209-213.

[2] 楊裕生.增程式電動車具有較強(qiáng)的過渡優(yōu)勢[N].經(jīng)濟(jì)日報，2010-05-25(5).

[3] 黃世霖，張金換，王曉冬.汽車碰撞與安全[M].北京.清華大學(xué)出版社，2000.

[4] 公安部交通管理局.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2005.

[5] 中國汽車技術(shù)研究中心,清華大學(xué)汽車系，上海機(jī)動車檢測中心，等.GB 20071—2006 汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：1-62.