燃料电池汽车正面碰撞安全性研究

燃料电池汽车正面碰撞安全性研究
万党水1凌天钧1李向荣2
（1上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804；
2中国汽车技术研究中心，天津300162）
摘要:燃料电池汽车在结构上有别于传统汽车，其碰撞安全性尤应关注。

本文重点对燃料电池汽车结构特点进行研究，建立燃料电池汽车正面碰撞有限元模型，运用LS-DYNA显式仿真技术，制定车辆安全性能设计方案。

通过实车正面碰撞试验，验证车辆结构改进设计的效果。

关键词:燃料电池汽车；碰撞安全性；正面碰撞试验；CAE
A Study on Safety of the Fuel Cell Vehicle Frontal Impact
Wan Dangshui1 Ling Tianjun1 Li Xiangrong2
1. SAIC Motor Technical Center
2. China Automobile Test and Research Center
Abstract: Fuel Cell Vehicle is different from traditional vehicle in structure, more attention should be paid on its crash safety. In this paper, the structural features of Fuel Cell Vehicle are emphatically studied, a finite element model for the frontal crash of the Fuel Cell Vehicle is created, and the design scheme of vehicle safety performance is established through LS-DYNA explicit technique. The frontal crash test on a real vehicle verifies the effectiveness of the modification design of vehicle structures.
Keywords: Fuel Cell Vehicle; Crash Safety; Frontal Crash Test; CAE
前言
汽车安全性一直是车辆设计需要考虑的重要方面，随着燃料电池汽车的出现及推广，其安全性同样备受关注。

常见的燃料电池汽车以氢作为燃料，由氢和氧通过燃料电池产生电能，再由电力驱动汽车。

易燃的车载氢燃料系统、高压储氢系统以及高压电驱动模块等，都使氢燃料电池汽车的碰撞安全问题比传统汽车更为突出。

目前大多数燃料汽车还都是基于某种原型车改造而成[1]，但是燃料电池系统的添加势必会改变原先的车辆结构，使其被动安全性能
发生变化，影响到碰撞时的车身耐撞性及乘员保护特性。

氢燃料电池汽车的安全性主要包括三个方面：结构安全，高压电安全和燃料安全。

因此，在进行实车碰撞试验时需要考虑到漏电和氢泄露等因素，在试验中增加相应的试验程序及评价方法，既保证试验过程的安全，又能对整车及氢系统的安全性做出合理的判断。

由于燃料电池汽车研发成本高昂，进行多次实车碰撞试验来研究车辆安全性并不现实。

正面碰撞是汽车碰撞事故中最多、对人体危害最大的碰撞形式，也是国际上许多安全法规中规定的小型客车和轿车最主要的被动安全试验[2]。

因此，本文运用CAE 仿真技术，建立燃料电池汽车正面碰撞试验的模型，根据模拟运算结果分析车辆正面碰撞的车身安全性。

通过实车碰撞试验验证燃料汽车结构设计的可行性，并且结合试验数据研究车辆乘员保护安全性能。

1. 燃料电池汽车有限元模型
本文中的燃料电池汽车是在原型车的基础上改造而成，主要改变了动力系统的整体布局和相应的前舱内部结构，蓄电池和氢瓶及其周围的支架也进行了重新设计，车身地板也有较大的改动。

由于车身承载结构相似，燃料电池汽车的模型在原型车模型的基础上进行创建，去除不一样的部件，加入新的总成。

运用Hypermesh 软件对新的部件划分网格、定义连接、设定约束及试验条件。

这样作可以节约大量重新建模的时间，同时又保证了模型的初始精度。

1.1前舱布置
燃料电池汽车的动力总成位于车辆前舱内部，将原型车的发动机和变速器拆除，加入新的动力总成，车辆前悬不做改动，与碰撞性能相关的纵梁与副车架也保留原貌。

在前舱区域，分别布置有PCU 、电机、减速器、压缩机等大质量部件，另外还有控制模块等。

同时，针对这些部件设计了固定和连接支架，完成后的前舱模型如图1所示。

其中，PCU 、电机、减速器和压缩机等在碰撞中几乎不发生变形，在模型中定义为刚体。

1.2车身地板结构
在该燃料电池汽车中，动力模块主要包括燃料电池、蓄电池及氢泵等。

电堆和氢辅助系统都布置在地板下方，为了保证一定的离地间隙，必须将地板抬高，并采用在原车车身上切割后重新焊接新部件的方式处理。

完成后的车辆地板三维模型如图2所示。

1.3氢瓶保护系统
在行李舱布置有上下两个单独固定的氢瓶，先分别用方钢拼焊出一个框架。

在框架的下部焊接有成型的托架，上部用弹性绑带将氢瓶固定于框架之上。

整个氢瓶和框架通过螺栓固定于车身后纵梁下方，如图3所示。

这样设计是为了保证氢瓶在车辆受到撞击时的稳固性，同时避免复杂的固定装置增加过多的质量。

1.4整车模型
在完成上述关键部位的模型后，调整连接，重新定义约束，赋予相应的材料和截面属性，完成燃料电池汽车整车有限元模型的建立。

并为正面碰撞仿真计算，定义接触、试验条件等。

图1 前仓布置
图2车身地板结构
图3 氢瓶保护系统
2. 正面碰撞仿真及车身结构改进
根据国家乘用车正面碰撞法规标准（GB11551-2003），整车试验是车辆以规定的速度撞击刚性壁障。

正面碰撞模拟中通过刚性墙来模拟壁障，模型中还考虑了重力对碰撞的影响，在竖直方向添加9.8 m/s 2的加速度。

地面同样采用刚性墙定义，并考虑了轮胎与地面接触部分的摩擦力，整车初速度设定为50km/h 。

最后，利用LS-DYNA 对模型进行求解并输出仿真计算结果。

2.1仿真结果分析
本节文章中给出了对整车结构的改进前后几个阶段所作的CAE 分析结果。

图4给出的是设计首轮中碰撞后车辆的整体结构变形以及改进前后车身B 柱加速的曲线，从B 柱加速度曲线波形来看，碰撞的第一阶段即双梯形波的初始部分，持续时间较短。

这主要是因为燃料电池汽车的前舱布置相对紧凑，结构吸能不充分所造成的[3]。

图5为改进前后车身地板变形仿真结果。

由图可见，改进前车身地板变形严重，有下沉的趋势，导致电堆有损坏的危险。

这说明车身整体刚度较差，对于电堆的固定和乘员的保护都极为不利。

氢瓶在碰撞的过程中，由于惯性力作用发生较大的移动，对后排乘员舱的侵入将会威胁到乘员的安全。

造成这一结果是因为氢瓶绑带和限位杆没有起到很好的固定作用。

基于上述分析，针对燃料电池汽车前部动力部件布局进行了相应的改进，加强车身地板结构以增强对电堆的保护。

车辆尾部氢瓶在仿真结果中冲击加速度偏大，即所受冲击力较大，针对这一情况增加了固定氢瓶的部件，以保证氢瓶在碰撞过程中的安全性。

2.2 B 柱加速度的改善
从图4中可以看出，改进后B 柱加速度峰值减小，这表明车身前部结构吸能情况有所改善，传递到车身上的冲击随之减小。

这一变化不仅有利于车身变形的控制，同时也可以减小氢辅助系统受到的冲击，提高燃料系统的安全性。

2.3车身变形情况的改进
将前地板的抬高部分和原地板进行合并设计，即采用一个新的大地板替代原先的地板，这样能够更好的利用原车的工装夹具。

地板下部重新设计加强梁，以便安装燃料电池堆、蓄电池、氢辅助系统等，使之构成一个整体框架，从而提高车身的刚度和强度。

燃料电池堆的安装点由六个增加为十个，使得电堆在经受高速冲击的时候不致脱落。

改进前后车身地板变形情况如图5所示，改进后地板变形明显减小。

(b) B 柱加速度仿真结果对比 (a) 正面碰撞变形 图 4 正面碰撞仿真结果
2.4氢瓶模块的改进
上氢瓶改为采用3根绑带固定，下氢瓶则采用框架方式固定。

在两个氢瓶之间增加一保 护罩，限位杆由方管变为圆管，确保在发生撞击或长时间的行驶过程后氢瓶不会发生较大位
移，防止其侵入乘员舱，同时也提高了氢管路的安全性[4]。

改进前后氢瓶仿真结果如图6所示。

改进后氢瓶在碰撞过程中没有明显的位移变化，上部氢瓶的最大加速度值为28.7g ，下部氢瓶的最大加速度值为23.5g ，两个氢瓶之间的最大相对位移为28.6mm ，最大加速度和氢瓶最大相对位移都有明显的降低。

3. 实车正面碰撞试验
我们在天津中国汽车技术中心进行了燃料电池汽车实车正面碰撞试验，按照GB11551规定的试验程序，并增加燃料电池车专门的试验方法。

试验使用混合Ⅲ型50百分位男性假人，分别放置在驾驶员和右侧前排乘员位置，假人使用三点式安全带进行约束，试验车辆装备有驾驶员侧和乘员侧正面安全气囊。

为获得更多试验数据，在车身多个位置安装了加速度传感器，数据记录在车载记录仪中。

车辆实际碰撞速度为48 km/h ，碰撞试验前气瓶内打入1Mp 的氦气。

3.1 碰撞中车身所受冲击
从试验结果来看，尽管由于安装燃料电池系统使车辆自身质量有所增加，但是车辆前端还是可以很好的吸收撞击产生的能量。

撞击中的高速瞬间如图7所示。

车身A 柱的加速度如图8所示，从图中可以看到，A 柱加速度较为平缓，最大值在25g 左右，属于较理想的范围，这也就意味着车身受到的冲击并不是很大。

电堆及动力电池上加速度传感器信号如图9所示，从曲线来看这部分受到的冲击同样较为平缓。

这与前面改进设计后的仿真计算结果相吻合，有效的避免了电池损毁所造成的危险。

(a) 改进前
(b) 改进后 图5 改进前后车身地板变形仿真结果 (b) 改进后 (a) 改进前 图6 改进前后氢瓶仿真结果
图7燃料电池汽车正面碰撞试验图8车身A柱加速曲线
3.2 气瓶受冲击状况分析
试验时在上部气瓶及支架上安装车辆前进方向的加速度传感器，测量结果如图10所示。

其中气瓶前加速度传感器偏左，气瓶后加速度传感器偏右。

图中曲线显示这两个位置气瓶加速度十分接近，说明碰撞中气瓶只有沿车辆前进方向的运动，没有发生转动，即没有出现在车内的晃动。

另外从图中可以看出三个位置曲线完全吻合，说明支架牢靠，可以很好的固定住气瓶。

表1列出了实车碰撞试验乘员伤害结果。

从表中可以看出，驾驶员和乘员头部HIC值都远远低于标准所规定的限值，头部伤害的程度很低。

驾驶员及乘员的胸部位移量均低于30mm，这表明碰撞过程中假人胸部受到的压缩力较小，没有构成太大的危险。

与此同时两侧假人胸部加速度3ms值也较小，说明人体躯干受到的冲击不是很大。

以上这些都与前面分析的车身加速度值较小相吻合，说明车辆前部在碰撞中的吸能性较好。

表1 燃料电池汽车正面碰撞乘员伤害
4.结论
（1）从试验结果可以看出，经过合理的布置和对原型车的改进设计，燃料电池汽车在碰撞试验中可以表现出良好的安全性。

（2）在模拟分析基础上提出的修改建议，在实车试验过程中得到很好的验证。

这表明，通过CAE分析可以为工程技术人员提供合理的设计思路，提高燃料电池整车开发设计效率，缩短开发时间。

（3）燃料电池汽车相对传统汽车质量有所增加，动力系统部件都是较大的质量块。

因此，必须进行合理的总布置和轻量化设计，开发轻质车身及体积小、功率大的动力模块，提高部件的集成化程度。

（4）基于燃料电池汽车的特性，有必要制定相关的新能源汽车碰撞安全标准，为今后新能源汽车批量生产和上市提供安全性能评价体系。

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