电动汽车侧柱碰安全性虚拟仿真研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.06.008

摘要/Abstract

摘要：

已有的侧柱碰事故统计结果表明，传统燃油车和电动汽车的事故形式接近，但考虑到电池包碰撞挤压失效风险，电动汽车侧柱碰研究应充分考虑复杂碰撞工况，将壁障物类型、几何尺寸、碰撞角度、碰撞位置和碰撞速度等因素引入安全性评价。本研究采用有限元仿真开展某款电动汽车侧柱碰安全性虚拟评价研究。通过正交试验设计，提取了不同碰撞位置的整车力学响应和车身姿态，识别了电池包侵入量和电芯变形量与碰撞速度的高关联性。分析了碰撞位置、碰撞角度对车辆旋转行为的影响以及由此产生的侵入量变化，并得到了进一步仿真验证。电池包横梁作为主要横向传力路径，提升了电池包侧向结构刚度，显著降低了侧柱碰侵入量。后续的电动车安全性评价应考虑撞击点处车身结构刚度和车辆的旋转行为后开展测试。

关键词: 电动汽车, 电池包, 碰撞安全性, 侧面柱碰撞, 有限元仿真

Abstract:

The existing statistical results of side pole collision accidents reveal that the accident forms of electric vehicles （EVs） and internal-combustion engine vehicles are similar. However， considering the risk of battery pack collision and compression failure， the research on side pole collision of EVs should fully consider complex collision conditions and include safety evaluation factors such as obstacle type， geometric size， impact angle， impact location and speed. The finite element simulation is used in this study to conduct a virtual evaluation of the safety of a certain electric vehicle’s side pole collision. An orthogonal design of experiment is carried out to extract the mechanical response and body posture of the vehicle at different collision positions. The high correlation between collision speed and battery pack intrusion and cell deformation is identified. Impact location and impact angle collectively determine rotational behavior of EVs and resultant intrusion， which is further verified by simulation. As the main lateral force transmission path， the lateral beam of the battery pack enhances the lateral structural stiffness of the battery pack and significantly reduces intrusion. Further investigation of crash safety of EVs should take structural stiffness and rotational behaviors into consideration.

Key words: electric vehicle, lithium-ion battery pack, crash safety, side pole impact, finite element simulation

汪俊,马骋浩,申宗玹,邢伯斌,夏勇. 电动汽车侧柱碰安全性虚拟仿真研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(6): 1095-1102.

Jun Wang,Chenghao Ma,Zongxuan Shen,Bobin Xing,Yong Xia. Virtual Simulation Research on Crash Safety of Electric Vehicles Under Side Pole Impact[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(6): 1095-1102.

图/表 14

图1

图2

图3

图4

表1

图5

图6

图7

图8

表2

表3

图9

图10

图11

参考文献 24

1	汽车侧面柱碰撞的乘员保护：GB/T 37337—2019 ［S］. 2019.
	Protection of the occupants in the event of a lateral pole collision：GB/T 37337—2019 ［S］. 2019.
2	Side impact protection： federal motor vehicle safety standards（FMVSS） 214 ［S］. 2014.
3	UN Regulation No.135—uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to their Pole Side Impact performance ［S］. UNECE. Geneva， Switzerland.
4	电动汽车碰撞后安全要求：GB/T 31498—2021 ［S］. 2021.
	Post crash safety requirement for electric vehicle：GB/T 31498—2021 ［S］. 2021.
5	PARENTEAU C， AULT B N， TOOMEY D， et al. Side impact characteristics in modern light vehicles ［C］. SAE Paper 2024-01-2646.
6	WARNER M， NORDHAGEN R. Development of pole impact testing at multiple vehicle side locations as applied to the ford taurus structural platform ［C］. SAE Paper 2006-01-0062.
7	陈涛，李宁宁，李卓等. 侧面柱碰撞条件下电动汽车电池系统结构优化［J］. 中国机械工程， 2020， 31（9）：1021-1030.
	CHEN T， LI N N， LI Z， et al. Structrual optimization of electric vehicle battery systems under pole side impacts ［J］. China Mechanical Engineering， 2020， 31（9）： 1021-1030.
8	杨杨，张洋，王金龙，等. 电动汽车侧面柱碰车身结构耐撞性优化［J］. 汽车工程师， 2020（5）：24-26.
	YANG Y， ZHANG Y， WANG J L， et al. Optimization of body structure crashworthiness in side pole impact for electric vehicle［J］. Automotive Engineer， 2020（5）： 24-26.
9	Vehicle crash test database：https：//www.nhtsa.gov/research-data/research-testing-databases#/［DB］. Washington DC， US.
10	RICHARDSON S， MOSER A， ORTON T L， et al. Simulation of vehicle lateral side impacts with poles to estimate crush and impact speed characteristics ［C］. SAE Paper 2015-01-1428.
11	钮嘉颖，郭刚，丁玲，等. 基于大壁障侧碰和75°侧柱碰的车身耐撞性和乘员损伤研究［J］. 汽车科技， 2017（5）： 77-84.
	NIU J Y， GUO G， DING L， et al. The research on vehicle crashworthiness and occupant injury based on aemdb side impact and 75°side pole impact ［J］. AUTO SCI-TECH， 2017（5）： 77-84.
12	ZHU J， LI W， WIERZBICKI T， et al. Deformation and failure of lithium-ion batteries treated as a discrete layered structure ［J］. International Journal of Plasticity， 2019， 121： 293-311.
13	ZHU J， LI W， XIA Y， et al. Testing and modeling the mechanical properties of the granular materials of graphite anode ［J］. Journal of the Electrochemical Society， 2018， 165（5）： A1160-A1168.
14	ZHU J， LUO H， LI W， et al. Mechanism of strengthening of battery resistance under dynamic loading ［J］. International Journal of Impact Engineering， 2019， 131： 78-84.
15	ZHU L， GE Y， WANG L， et al. Mechanical anisotropy and strain-rate dependency of a large format lithium-ion battery cell： experiments and simulations ［C］. SAE Paper 2021-01-0755.
16	ZHU L， XIA Y， LIU Y， et al. Extending a homogenized model for characterizing multidirectional jellyroll failure in prismatic lithium-ion batteries ［J］. Energies， 2021， 14（12）： 3444.
17	CHEN P， XIA Y， ZHOU Q. Safety comparison of geometric configurations of electric vehicle battery under side pole impact ［C］. SAE Paper 2022-01-0265.
18	CHEN P， XIA Y， ZHOU Q， et al. Staggered layout of battery cells for mitigating damage in side pole collisions of electric vehicles ［J］. eTransportation， 2023， 16： 100238.
19	唐人寰，梁枫，姜熙宇，等. 侧面柱碰撞工况下动力电池结构安全研究［J］. 汽车工程师， 2024（4）：17-23.
	TANG R H， LIANG F， JIANG X Y， et al. Study on the safety of battery structure under side pole impact conditions［J］. Automotive Engineer， 2024（4）： 17-23.
20	XIA Y， WIERZBICKI T， SAHRAEI E， et al. Damage of cells and battery packs due to ground impact ［J］. Journal of Power Sources， 2014， 267： 78-97.
21	LI R， PAN Y， ZHANG X， et al. Mechanical safety prediction of a battery-pack system under low speed frontal impact via machine learning ［J］. Engineering Analysis with Boundary Elements， 2024， 160： 65-75.
22	马骋浩，申宗玹，汪俊，等. 侧面柱碰撞工况电池包碰撞安全性快速预测［J］. 汽车工程， 2025， 47（1）： 117-126.
	MA Chenghao， SHIN Jonghyeon， WANG Jun， et al. Fast prediction of battery pack safety under side pole collision［J］. Automotive Engineering， 2025， 47（1）： 117-126.
23	QU Y， GE Y， XING B， et al. Development of detailed model and simplified model of lithium-ion battery module under mechanical abuse ［C］. SAE Paper 2022-01-7120.
24	VARAT M S， HUSHER S E. Vehicle crash severity assessment in lateral pole impacts ［C］. SAE Paper 1999-01-0100.

项目	碰撞参数
碰撞工况
碰撞速度	v= 32， 37， 42， 52 km/h
碰撞角度	α=90°， 75°， 60°
碰撞位置	位置I，位置II，位置III
横梁结构	有电池包横梁，无电池包横梁

碰撞速度	碰撞角度	位置I	位置II	位置III
32 km/h	90°	79.0 mm	94.7 mm	94.5 mm
	75°		91.2 mm
	60°	70.8 mm
37 km/h	90°	103.4 mm	126.3 mm	114.8 mm
	75°	106.3 mm	116.1 mm	96.5 mm
	60°		79.2 mm
42 km/h	90°		144.2 mm
	75°	126.0 mm
	60°			95.2 mm

[1]	杨阳,章治,许博,董扬. 电动汽车无线充电系统DDDQ型磁耦合结构研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(6): 1007-1021.
[2]	胡杰,王浩杰,魏敏,王志红,陈琳,黄文涛,康涵锐. 基于TCN-LSTM模型的实车电池健康状态评估方法[J]. 汽车工程, 2025, 47(6): 1060-1071.
[3]	陈吉清,黄朴,蒋心平,陈计宏,兰凤崇. 动力电池包微环境湿热特性与凝露演变分析[J]. 汽车工程, 2025, 47(6): 1072-1085.
[4]	陈翔,何莉萍,肖咏坤,陈端懋,李耀东. 高能锂电池模组新型液冷散热结构及散热优化[J]. 汽车工程, 2025, 47(6): 1086-1094.
[5]	张倩文,徐磊,王庆洋,徐胜金. 电动汽车底部流动分离对风阻的动态影响[J]. 汽车工程, 2025, 47(5): 910-919.
[6]	鲁岩松,朱翀,张希. 一种车用高速电机循环冷却油温集总参数模型[J]. 汽车工程, 2025, 47(5): 920-930.
[7]	罗毅,马文彬,苏岭,刘月桥,肖波. 基于R290工质的电动汽车集成式热管理系统性能研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(5): 931-939.
[8]	马春龙,夏文俊,李胜国,郭言语,苏清源. 基于联合IHHO算法的车架轻量化研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(5): 992-1006.
[9]	黄晓婷,张海标,李长玉,吕辉,上官文斌. 电动汽车动力总成悬置系统的多输出灵敏度分析[J]. 汽车工程, 2025, 47(4): 746-754.
[10]	郑字琛,王姝,赵轩,李兆柯. 基于混杂模型预测控制的分布式驱动电动汽车AFS/DYC集成控制[J]. 汽车工程, 2025, 47(3): 470-480.
[11]	李琴,李壮,汤建明,王勇,张博远,贺德强. 分布式驱动电动汽车多目标转矩分配策略[J]. 汽车工程, 2025, 47(3): 489-498.
[12]	尹珩沣,卢荡,闵海涛,吴海东,张彦东. 侧倾角对轮胎转偏力学特性影响研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(2): 342-355.
[13]	石琴,侯伟路,张晓楠,吴为教,贺泽佳. 基于三层加权堆叠模型的电动汽车剩余里程预测[J]. 汽车工程, 2025, 47(1): 107-116.
[14]	马骋浩,申宗玹,汪俊,敖文宏,邢伯斌,夏勇. 侧面柱碰撞工况电池包碰撞安全性快速预测[J]. 汽车工程, 2025, 47(1): 117-126.
[15]	崔海龙,杜冰,黄秀东,刘凤华,刘雪东,周茂伟. 电动汽车胶粘型电机铁芯加工装备效能优化[J]. 汽车工程, 2025, 47(1): 178-186.