燃料电池汽车正面碰撞安全性研究.pdf

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汽车工程
2010年(第32卷)第3期
Automotive Engineering
2010(Vol,32)No.3
2010044
燃料电池汽车正面碰撞安全性研究
李向荣,万党水2,白鹏',张振鼎
(1.中国汽车技术研究中心,天津300162;2.上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804)
[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。文中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IS-DYNA仿真确定车辆安全性能设计方案。同时根据
燃料电池汽车的特点阐述了对其碰撞试验方法的思考。通过实车正面碰撞试验,验证了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
A Study on the Frontal Crash Safety of Fuel Cell Vehicle
Li Xiangrong, Wan Dangshui', Bai Peng Zhang Zhending
1. hi Auomti echnol y& Reseach ee 3016 2 SA Motor echnical Center, Shanghai 201804
Abstract Fuel cell vehicle(FCV) is different from traditional vehicle in structure, more attention should
be paid on its crash safety. In this paper, the structural features of FCV are emphatically studied. A finite element
Ino
for the frontal crash of the FCV is created, and the design scheme of vehicle safety performance is determined
hrough numerical simulation with IS-DYNA. In addition, based on the features of FCV, some thoughts on its crash
test method are expounded. The frontal crash test on a real vehicle verifies the effectiveness of the modification de-
sign of vehicle structures
Keywords fuel cell vehicle; crash safety; frontal crash test
由于燃料电池汽车研发成本高昂,进行多次实
前言
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
常见的燃料电池汽车以氢作为燃料,由氢和氧式,也是国际上许多安全法规中规定的小型客车和
通过燃料电池产生电能,再由电力驱动汽车。易燃轿车最主要的被动安全试验。因此,本文中运用
的车载氢然料系统、高压储氢系统以及高压电驱动CAE仿真技术,建立燃料电池汽车正面碰撞试验的
模块等,都使氢燃料电池汽车的碰撞安全问题比普模型,根据模拟运算结果分析车辆正面碰撞的车身
通汽车更为突出。目前大多数燃料电池汽车还都是安全性。通过实车碰撞试验验证燃料汽车结构设计
基于某种原型车改造而成,但是燃料电池系统的的可行性,并且结合试验数据研究车辆乘员保护安
添加势必会改变原先的车辆结构,使其被动安全性全性能。
能发生变化,影啊到碰撞时的车身安全及乘员保护
特性。氢燃料电池汽车的安全性主要包括3个方1燃料电池汽车有限元模型
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漏等因
文中的燃料电池汽车是在原型车的基础上改造
素,在试验中增加相应的试验程序及评价方法,既保而成,主要改变了动力系统的整体布局和相应的前
证试验过程的安全,又能对整车及氢系统的安全性舱内部结构,蓄电池和氢瓶及其周围的支架也进行
做出合理的判断。
了重新设计,车身地板也有较大的改动。由于车身
原稿收到日期为2009年5月6日,修改稿收到日期为2009年7月8日。
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承载结构相似,燃料电池汽车的模型在原型车模型之上。整个氢瓶和框架通过螺栓固定于车身后纵梁
的基础上进行创建,去除不一样的部件,加人新的总下方,如图3所示。这样设计可保证氢瓶在车辆受
成。运用 Hypermesh软件对新部件划分网格、定义到撞击时的稳固性,同时避免复杂的固定装置增加
连接、设定约束及试验条件。这样做可节约大量重过多的质量。
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,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和控制模块等。同
时,针对这些部件设计了固定和连接支架,完成后的
前舱三维模型如图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
图3氢瓶保护系统
定义为刚体。
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
定义接触和试验条件等
2正面碰撞仿真及车身结构改进
图1前舱布置
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
1.2车身地板结构
撞击刚性壁障(用刚性墙模拟),模型中还考虑了重
在该燃料电池汽车中,动力模块主要包括燃料力对碰撞的影响,在竖直方向添加9.8m/s2的加速
电池、蓄电池及氢泵等。电堆和氢辅助系统都布置度。地面同样采用刚性墙定义,并考虑了轮胎与地
在地板下方,为保证一定的离地间隙,必须将地板抬面之间的摩擦力,整车初速度设定为48.5km/h。最
高,并采用在原车车身上切割后重新焊接新部件的后,利用IS-DYNA对模型进行求解并输出仿真结果。
方式改装。完成后的车辆地板三维模型见图2
2.1仿真结果分析
图4给出了改进前后车身B柱加速度的曲线。
从图4中车身B柱加速度曲线波形来看,碰撞的第
1阶段即双梯形波的初始部分,持续时间较短。主
要原因是燃料电池汽车的前舱布置相对紧凑,使车
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B柱左側(改进前门
B柱右(改进前)
B柱左侧(改进后)
B柱右侧(改进后
做長
图2车身地板结构
1.3氢瓶保护系统
在行李舱内布置有上、下两个单独固定的氢瓶,
0.02
0.04
0.08
先分别用方钢拼焊出一个框架。在框架的下部焊接
时间/s
有成型的托架,上部用弹性绑带将氢瓶固定于框架
图4B柱加速度仿真结果对比