電動汽車碰撞電安全性風險及仿真分析*

接桂利朱西產曹亦興張紹衛馬志雄

（1.同濟大學 汽車安全技術研究所；2.上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司）

電動汽車碰撞電安全性風險及仿真分析*

接桂利1朱西產1曹亦興1張紹衛2馬志雄1

（1.同濟大學 汽車安全技術研究所；2.上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司）

以某電動汽車為研究對象，建立了整車有限元仿真模型，并選取C-NACP全寬正碰工況進行碰撞仿真，通過有限元仿真方法分析了電動汽車在碰撞中高壓電部件和高壓電線可能存在的電安全性風險。結果表明，該電動汽車前艙內的PCU、驅動電機連接失效的風險較大，PCU外殼有被侵入的風險；多處高壓電線存在擠壓破壞風險，有可能導致漏電短路；DCDC接口彎折變形嚴重。

1 前言

電動汽車的碰撞安全問題，特別是高壓電部件如動力電池組、PCU（電機控制器）、DCDC（直流轉換器）以及高壓電線部分在碰撞中的電安全性風險，一直是阻礙電動汽車發展的主要問題。電動汽車相比于傳統汽車在碰撞中的特殊性體現在兩方面，一是高能量、大質量的動力電池在碰撞中受到擠壓損傷時可能會引起起火、爆炸；二是高電壓的電驅動系統碰撞后可能會與乘員發生直接或間接接觸從而引發電擊傷害[1～3]。因此，電動汽車的碰撞電安全性越來越受到關注。本文以某款電動汽車為研究對象，通過有限元仿真方法進行碰撞電安全性分析，進而指導電動汽車的結構設計。

2 電動汽車碰撞電安全性風險分析

由于有限元仿真無法模擬電路情況，不能直接從電氣參數來判斷電安全性，所以首先分析電動汽車在碰撞時高壓電可能造成的風險，針對高壓電風險確定碰撞中對高壓電部件以及高壓電線的安全性評價。

2.1 高壓電部件安全性分析

2.1.1 連接失效

由于大多數電動汽車是由內燃機原型車改裝而來，其高壓電部件往往通過螺栓連接在固定支架上，所以車輛碰撞時產生的過大沖擊載荷會引起連接螺栓的強度失效，從而導致高壓電部件脫離連接。另外，碰撞中固定支架的強度不足也會使高壓電部件相對于連接位置產生較大位移。

2.1.2 侵入

高壓電部件在碰撞中可能會受到其它部件的擠壓，使其外殼發生嚴重變形，進而造成對部件內部的侵入，破壞其完整性。高壓電部件內部電路結構復雜，工作電壓較高，外部侵入可能造成內部短路風險。

2.1.3 沖擊

在碰撞過程中，當車身部件受到巨大沖擊時，會造成動力電池內部結構的破壞，以至發生內部短路甚至起火爆炸的危險。其它高壓電部件暫不考慮沖擊風險。

2.2 高壓電線安全性分析

2.2.1 擠壓

高壓電線的外層護套為聚氯乙烯材料（150%以上[4]），當受到橫向剪切時很容易被刮破，使線束內部銅線裸露，一旦此處接觸到車身就可能產生對地短路。另外，高壓電線接口會在碰撞沖擊以及其它部件對其擠壓下發生嚴重扭曲變形，變形的接頭會引起高壓電線接觸不良，造成接觸電阻增大，會因局部過熱造成絕緣層破壞，從而增大了高壓電線的短路風險。

2.2.2 拉伸

電線中的導線主要是銅絞線，銅絞線的斷裂應變為0.6，易受拉斷裂。在碰撞過程中，與部件相連接的高壓電線可能受到拉扯，一旦拉力過大就會使電線中的銅絞線發生斷裂，進而引起突然斷電并產生電火花。

3 電動汽車結構及有限元建模

3.1 電動汽車結構

本文中使用的電動汽車模型是一輛基于內燃機汽車改裝的純電動汽車，大部分的車身結構沿用了內燃機汽車的車身結構，其技術參數見表1。在該電動汽車前艙區域，去除了發動機模塊和變速器，安裝了1個雙橫梁支架。通過螺栓連接的方式將PCU、高壓接線盒以及蓄電池固定在支架上方，將空調壓縮機、電機以及充電器安裝在支架下方。DCDC通過支架及螺栓固定在電動汽車前艙的前圍板前，如圖1所示。

表1 電動汽車技術參數

電動汽車中裝配2個電池模組，其中1個位于后排座椅地板下方，如圖2所示。該電池箱焊接在地板下部，裝入電池后再用30個M10螺栓把蓋板與電池箱連接。另1個電池組安裝在行李箱內，如圖3所示，是將原型車的備胎槽改裝成矩形區域，電池箱通過8個M10螺栓與車體相連。

3.2 高壓電部件

選取PCU、驅動電機、DCDC、后排座椅下電池及行李箱內電池作為高壓電部件進行考察。高壓電部件模型分為外殼和內部兩部分。外殼的網格單元材料選用24號彈塑性材料來模擬，高壓電部件內部建成剛性體。圖4為PCU仿真模型。因驅動電機外殼是鑄造而成，在碰撞中很難發生較大變形，所以在仿真中處理為剛性體。

3.3 高壓電線

高壓電線外層（聚氯乙烯絕緣層）的網格單元選用三角形殼單元，選用24號材料，根據聚氯乙烯的力學性能確定材料參數。高壓電線內部的銅絞線網格單元選用四面體網格，也選用24號材料，內部實體網格的材料參數根據銅的力學性能來確定。高壓電線的內、外層單元通過共節點的方式連接在一起。高壓電線路布置如圖5所示。

為方便后期對高壓電線的碰撞分析，對前艙內電線進行編號，如圖6所示，電線兩端連接部件見表2。

表2 高壓電線連接部件

4 正面碰撞仿真分析

在C-NCAP正面100%重疊剛性壁障碰撞中，電動汽車以50 km/h的速度撞擊固定的剛性壁障。

4.1 高壓電部件碰撞電安全性分析

4.1.1 連接失效分析

從仿真結果中分別提取4個PCU連接螺栓所受拉力及剪切力，如圖7和圖8所示。螺栓的許用拉應力為160 MPa，許用剪應力為68.5 MPa。

經校核計算，連接PCU的4個螺栓的拉應力和剪應力均超出許用值，4個螺栓在碰撞中有斷裂風險，PCU連接失效的可能性較大。另外，分析PCU連接支架應變云圖發現，PCU的連接支架在副駕駛側最大應變為0.4582，超出材料斷裂應變，如圖9所示。

驅動電機的4個連接螺栓的應力經校核后也都超過了許用值，存在斷裂風險。另外，從電機連接支架的應變云圖（圖10）可看出，4個支架均發生了變形，其中靠近駕駛員側支架產生的應變大于材料的斷裂應變，最大應變值為1.358，驅動電機也存在連接失效的風險。

經分析，DCDC、后排座椅下電池及行李箱內電池的連接支架和螺栓均沒有失效風險。

4.1.2 侵入分析

根據正面碰撞仿真結果可知，前縱梁發生較大彎曲，使支架帶動PCU向下傾覆，同時發動機罩蓋也發生了嚴重彎曲，擠壓到PCU的上罩蓋及外殼上端，使其向內凹陷，如圖11所示。

從PCU的應變云圖（圖12）可看出，PCU上罩蓋及外殼上端因受到擠壓發生了明顯變形，最大侵入量達到12 mm。此外，這一區域應變也大于材料應變，最大應變值為0.768 7，致使外殼結構發生破壞。

DCDC散熱片由于被PCU連接支架以及高壓電線擠壓而發生了較大變形，但DCDC的核心區域沒有明顯變形，如圖13所示，因此可認為DCDC沒有被侵入的危險。

由碰撞仿真結果可知，后排座椅地板下方和行李箱區域均未發生過大變形，電池也沒有受到其它部件的擠壓，因此都沒有被侵入的風險。

4.1.3 沖擊分析

碰撞加速度波形能較好地反映出動力電池組受到的沖擊載荷。如圖14所示，在碰撞仿真中，后排座椅下部電池所受最大加速度約為40g，行李箱內電池最大加速度達到43g。

4.2 高壓電線碰撞電安全性分析

4.2.1 擠壓風險分析

在碰撞仿真中，電動汽車前艙為變形吸能區，高壓電線1被散熱器的散熱片擠壓，如圖15所示。這是因為在碰撞中汽車前端變形量較大，前端支架模塊大幅度地向后運動，使得散熱片擠壓到了高壓電線1。

圖16為散熱片與高壓電線1的間距在碰撞中的變化，由圖16可看出，兩者間距隨時間的增加急劇下降，在25 ms時散熱片與高壓電線1相接觸。

在碰撞仿真中，高壓電線6被DCDC散熱片擠壓，擠壓位置如圖17所示。由于高壓電線6布置位置距DCDC散熱片較近，碰撞中在其向后運動的過程中接觸到DCDC兩側的散熱片。而DCDC散熱片可能會切斷高壓電線6的絕緣層，因此高壓電線6有受到擠壓的風險。

圖18為DCDC散熱片與高壓電線6在碰撞中的間距變化，在碰撞第48 ms時高壓電線6與DCDC散熱片相接觸。

在碰撞仿真中，高壓電線4被前端橫梁擠壓，擠壓位置如圖20所示。這是由于前端橫梁在碰撞中變形，擠壓到放置在前縱梁上的高壓電線4。

圖20為高壓電線4與前端橫梁在碰撞中的間距變化，在碰撞到35 ms時高壓電線4與前端橫梁接觸，高壓電線4受到擠壓。

碰撞中，DCDC的高壓電線接口變形明顯，如圖21所示。由于DCDC的下端在碰撞中受到前方部件向后擠壓，使DCDC發生了向前翻滾運動，而連接高壓電線的接口在此刻發生了明顯的彎折變形。

圖22為DCDC高壓電線接口在碰撞中與DCDC上表面之間的角度變化。由圖22可看出，開始時兩者為垂直狀態，在碰撞約55 ms時，DCDC高壓電線接口的彎折角度最大，兩者之間約達到70°角。

4.2.2 拉伸風險分析

高壓電線內部導線為絞合制成的銅絞線，根據GB/ T3953—1983電工圓銅線的規定，電工圓銅線的伸長率必須大于0.35，其斷裂時塑性應變為0.348。圖23為高壓電線的應變云圖，其最大應變值為0.281，位置在高壓總線前端，沒有達到銅線的斷裂應變，所以在碰撞中高壓電線沒有被拉斷的風險。

由碰撞仿真分析可知，該電動汽車前艙內的PCU及驅動電機連接失效的風險較大，另外PCU有被侵入的風險；多處高壓電線存在擠壓風險，有絕緣層破壞導致漏電短路的可能；DCDC接口彎折變形嚴重。因此，該電動汽車在結構布置設計時應注意以下問題。

a.高壓電部件應布置在車身結構變形較小的位置，并且保證與車身連接安全牢固。

b.合理布置高壓電線的走向，避免布置在易受擠壓的位置，增加線束扎帶與車身穩固連接，同時加強高壓線的絕緣保護。

c.因改裝的電動汽車質量比原型車有所增加，所以應優化前端吸能結構，避免過大沖擊對電池組的損壞。

5 結束語

針對電動汽車的碰撞安全性問題，建立了某電動汽車整車有限元仿真模型，選取C-NACP全寬正碰工況進行碰撞仿真，分析了電動汽車在碰撞中高壓電部件和高壓電線可能存在的電安全性風險。結果表明，該電動汽車前艙內的PCU、驅動電機連接失效的風險較大，PCU外殼有被侵入的風險；多處高壓電線存在擠壓破壞風險，有可能導致漏電短路；DCDC接口彎折變形嚴重。通過仿真試驗結果可判斷出電動汽車的電安全性，進而可指導電動汽車的結構設計。

1 劉振剛.汽車火災原因調查.天津：天津科學技術出版社, 2008.

2 王凱,李向榮,白鵬,電動汽車在碰撞試驗中的電氣安全.汽車安全與節能學報,2012，3（1）:34～37.

3 朱建新，鄭榮良，卓斌，等,電動汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究.汽車工程,2007，29（4）:308～312.

4 GB8815—2002電線電纜用軟聚氯乙烯塑料.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年7月14日。

Risks and Simulation Analysis of Electric Safety in Electric Vehicle Crash

Jie Guili1,Zhu Xichan1,Cao Yixing1,Zhang Shaowei2,Ma Zhixiong1
（1.Institute of Automotive Safety Technology,Tongji University；2.Shanghai East Joylong Motor AirbagCo.,Ltd）

A vehicle FE simulation model is built with an electric vehicle as research object,and C-NCAP full width frontal crash is simulated.With FE simulation,the risks of crash electric safety of EV high-voltage components and high-voltage wires in crash are analyzed.The results show that PCU in the front compartment and the drive motor are exposed to high risk of electric connection failure,and PCU housing is risked with being intruded.High-voltage wires at many parts are risked with being squeezed and damaged,which may easily leads to electric leak and short circuit,and the DCDC interface is bent and deformed seriously.

Electric vehicle,Electric safety in crash,Simulation analysis

電動汽車 碰撞電安全性 仿真分析

U467.1+4

A

1000-3703（2015）03-0042-05

國家“863”高技術項目（編號2012AA111205）資助。