基于ANSYS的电动汽车充电桩撞击分析

李 瑾

（晋中职业技术学院机电系，山西 晋中 030600）

当今世界能源与环境问题已经越来越突出。汽车工业从燃油到燃气再到目前新兴的电动汽车，一场能源环境变革已在汽车工业中兴起。

充电桩作为电动汽车的“加油站”，其重要性不言而喻。充电桩按充电类型可分为直流充电桩和交流充电桩，按安置方式可分为站内充电桩和露天充电桩，按计费方式可分为有人值守充电桩和无人值守充电桩。充电桩通过桩体上附带的充电枪和插座等设备实现对汽车的充电操作。汽车在靠近充电桩进行充电前由于种种原因可能会与充电桩桩体发生碰撞，对充电桩结构的抗撞性能进行分析和研究具有现实意义。

现有关于充电桩的研究大多注重于对充电桩控制系统与硬件电路的设计实现，较少有关注充电桩本体撞击类、结构强度类的相关研究和报道。文献[1]针对交流充电桩电磁兼容方面验收的规范要求和测试方法进行了研究和介绍；文献[2]针对制约电动汽车发展的电池和充电方式设计了一套电动汽车充电桩的控制系统，并论述了该控制系统各单元的硬件设计及主要程序；文献[3]将有源电力滤波技术应用到交流充电桩设计中，在所搭建的两种车载式充电器实验样机上采用传统PI控制与重复控制相结合的控制方法，有效地抑制了车载式充电器谐波。本文将在参考这些文献的基础上研究交流充电桩在不同情况下的撞击响应。

1 充电桩结构模型

1.1 交流充电桩结构简析

交流充电桩大多为内部桁架支撑、外部薄壁包裹的力学结构，充电装置、计费装置、控制装置等设备经过封装后固接于桩体主桁架上。图1显示了目前市面上已有的几种充电桩。

在整个充电桩结构中，对充电桩整体力学强度起决定作用的主要为固接于地面的桩体主桁架，此桁架可简化为一个悬臂梁系统。

图1 几种电动汽车交流充电桩

1.2 交流充电桩桁架模型

不同厂商生产的充电桩其桁架在结构上各有不同，有一些为双悬臂梁支柱式桁架，有一些为四悬臂梁支柱式桁架。本文选取双悬臂梁支柱式桁架为例进行建模分析。

采用通用有限元软件ANSYS建立交流充电桩的桁架模型，如图2所示。采用beam188单元对模型进行剖分，该单元有 UX、UY、UZ、Rotx、Roty、Rotz六个自由度，定义单元截面为口字型，设置单元弹性模量值为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，密度值为7800 kg/m3。得到充电桩桁架的有限元模型如图2(a)所示，模型节点分布如图2(b)所示。

图2 充电桩桁架有限元模型

对桁架支柱固接于地在节点处的六个自由度进行约束，体现在图2(b)中为约束节点33和37的所有自由度。为模拟汽车与桩体相撞情况，将撞击力施加于桁架中对应于撞点处的节点处。图2(b)中为汽车正面撞击桩体桁架单根支柱的情况（撞击力施加于节点28）。

2 充电桩受撞时的桁架载荷分析

汽车与充电桩相撞时，作用在两者上的相互作用力可表示为一正弦函数，具体如式(1)所示[4]。

式中：Fm为撞击力幅值；t1为汽车与充电桩的有效撞击时长，汽车撞击充电桩时，撞击力作用的有效时间很短，参考相关文献[5-8]的研究经验，取桩体撞击作用有效时间为0.1 s；t为时间(t≤t1)。根据牛顿运动定律可得到式(2)与式(3)。

式中：m为汽车质量，此处以普通轿车质量为研究对象，取其质量值为2000 kg；a为汽车加速度；v0为汽车撞击时的初速度。

联立式(1)、(2)、(3)，可解得汽车撞击初速度分别为0.5～5 m/s时的Fm值及撞击力曲线，分别如表1及图3所示。由于sin(πt/t1)在[0，t1]区间的积分为 2，故 t1的取值对于 Fm的计算没有影响。

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3 基于ANSYS的充电桩撞击响应分析

3.1 分析方法

ANSYS分析中有静分析、谐分析、模态分析和暂态分析等，本文采用暂态分析，在parameter＞function＞edit中按照式(1)定义载荷，存储后读入形成冲击力数据表格，按照不同的撞击情况将此冲击力载荷数据加载至不同数量、不同位置的节点上并定义不同载荷方向。

本文分10个载荷步对充电桩撞击响应进行分析，每一载荷步又分为10个子步进行分析（分析间隔时间为0.001 s），具体分步求解设置如表2所示。得到求解结果后观察各步的应力应变情况，记录求解结果，图4为保险杠距地面40 cm高（内置）的汽车以0.5 m/s的速度侧面撞击厚度为3 mm桁架型钢时的充电桩响应情况，应力与变形最大值出现于撞击后第52 ms。

表2 充电桩撞击分步求解设置

3.2 桁架型钢厚度对撞击响应的影响

考虑充电桩桁架不同型钢厚度对撞击响应的影响，通过设置单元的截面厚度来实现。结合考虑不同的撞击情况，得到充电桩在车速为1 m/s、保险杠高度为40 cm（内置）时，汽车撞击充电桩的最大应力与最大变形如图5所示。

由图5可知，随着充电桩桁架型钢厚度的增大，充电桩在撞击过程中的最大应力和变形将减小。

3.3 保险杠有效高度对撞击响应的影响

考虑汽车保险杠底端对地距离相等的情况下保险杠有效高度对撞击响应的影响，通过设置汽车与充电桩的撞击点数来实现。保险杠有效高度越大，则撞击时与充电桩的撞击接触点越多。结合考虑不同的撞击情况，得到充电桩在车速为5 m/s、保险杠底部距地40 cm、充电桩桁架型钢厚度为2 mm时汽车撞击充电桩的最大应力与最大变形如图6所示。

由图6可看出，在汽车保险杠底端对地距离相等的情况下，随着保险杠有效高度的增大，充电桩受撞击时的最大应力和最大变形都将增大。充电桩最大应力及最大变形与汽车保险杠有效高度之间大致呈现线性关系。

3.4 保险杠距地高度对撞击响应的影响

考虑汽车保险杠距地高度对撞击响应的影响，通过在ANSYS中改变充电桩的受载节点位置来实现。结合考虑不同的撞击情况，得到充电桩在车速5 m/s、内置式保险杠、充电桩桁架型钢厚度为2 mm时汽车撞击充电桩的最大应力与最大变形如图7所示。

由图7可知，随着汽车保险杠距地高度的增加，充电桩受撞时的最大应力和最大变形都将增大。

3.5 车速对撞击响应的影响

考虑不同汽车初速度对撞击响应的影响，通过在ANSYS中改变载荷函数的幅值Fm来实现。各车速对应的撞击力幅值已在表1列出。结合考虑不同的撞击情况，得到充电桩在车速为5 m/s、距地高度为50 cm的内置式保险杠、充电桩桁架型钢厚度为2 mm时汽车撞击充电桩的最大应力与最大变形如图8所示。

由图8可知，随着汽车车速的增加，充电桩受撞时的最大应力和最大变形都将增大。撞击过程中充电桩最大应力及最大变形与汽车撞击速度之间大致呈现线性关系。

4 结论

本文对电动汽车交流充电桩在不同情况下的撞击响应进行了分析，得到以下结论：

(1)随着充电桩桁架型钢厚度的增大，充电桩在撞击过程中的最大应力和最大变形将减小；

(2)在汽车保险杠底端对地距离相等的情况下，随着保险杠有效高度的增大，充电桩受撞时的最大应力和最大变形都将增大，充电桩最大应力及最大变形与汽车保险杠有效高度之间大致呈现线性关系；

(3)随着汽车保险杠距地高度的增加，充电桩受撞时的最大应力和最大变形都将增大；

(4)随着汽车车速的增加，充电桩受撞时的最大应力和最大变形都将增大，撞击过程中充电桩最大应力及最大变形与汽车撞击速度之间大致呈现线性关系。

[1]邹强.电动汽车交流充电桩的电磁兼容测试研究[J].电子质量，2011(5)：75-78.

[2]王涛，张东华，贺智轶.电动汽车充电桩的控制系统研究与设计[J].湖北电力，2011(1)：11-12.

[3]张允，陆佳政，李波.利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩[J].高电压技术，2011(1)：150-156.

[4]陆新征，卢啸，张炎圣，等.超高车辆——桥梁上部结构撞击力的工程计算方法[J].中国公路学报，2011，24(2)：49-55.

[5]裴小吟，文传勇，张永水.城市桥梁被车辆撞击后损伤分析[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2011(1)：19-21，106.

[6]龙述尧，许莹莹，曾塬，等.基于汽车低速碰撞的尾部安全性能分析和改进[J].科技导报，2011(2)：49-53.

[7]姜立峰，向东，王洪磊，等.基于正面碰撞仿真的轿车关重零件分析及改进[J].机械设计与制造，2011(6)：128-130.

[8]刘明慧，颜全胜.汽车撞击桥墩作用力的比较分析[J].中外公路，2010(6)：146-149.