電動汽車碰撞高壓電系統(tǒng)物理防護(hù)設(shè)計方法與工程應(yīng)用

摘要：電動汽車自帶B級高壓電路系統(tǒng)，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，在碰撞安全性能方面擴大了開發(fā)范圍，增加了開發(fā)難度。本文以某BEV車型為對象，從碰撞高壓電路系統(tǒng)安全性角度出發(fā)，探討了汽車碰撞高壓電安全設(shè)計思路，采用高性能計算有限元碰撞模擬和實車物理測試相結(jié)合的手段，提出了相對完整和有效的電動汽車高壓電路系統(tǒng)物理防護(hù)設(shè)計方法。結(jié)果表明，使用該物理防護(hù)設(shè)計方法的BEV汽車，滿足相關(guān)的碰撞法規(guī)安全要求。

關(guān)鍵詞：B級高壓電路系統(tǒng);BEV;碰撞安全;物理防護(hù)設(shè)計;碰撞載荷傳遞路徑

中圖分類號：U463.68

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

傳統(tǒng)燃油汽車的碰撞安全性能開發(fā)主要分為4個部分：車內(nèi)乘員保護(hù)開發(fā)、行人碰撞保護(hù)開發(fā)、燃油系統(tǒng)完整性開發(fā)和安全輔助系統(tǒng)開發(fā)。對于自帶B級高壓電路系統(tǒng)的新能源汽車而言，不僅要考慮上述4大開發(fā)要求，還需考慮在碰撞工況下B級電路系統(tǒng)和電池包的安全性要求[1]。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，帶B級電路系統(tǒng)的新能源汽車，其碰撞安全性能開發(fā)難度有明顯加大，存在的風(fēng)險點更多，而解決這些問題的關(guān)鍵點在于如何有效地控制碰撞工況下的高壓電路系統(tǒng)安全[2-4]。

針對這一現(xiàn)狀，本文以某BEV新能源車型為研究對象，從高壓電路系統(tǒng)元器件的物理防護(hù)設(shè)計角度出發(fā)，以滿足GBT31498所規(guī)定的3項高速碰撞安全要求和JMC企業(yè)所規(guī)定的其他9項典型碰撞安全要求為目標(biāo)，設(shè)計出相對完整和有效的車身防護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 劃分物理防護(hù)設(shè)計區(qū)域

1.1 碰撞工況開發(fā)矩陣

電動汽車發(fā)生碰撞的形式多種多樣，為了精確定義研究對象的范圍，本文基于國家法規(guī)要求，從工程設(shè)計和消費者期望角度出發(fā)，將現(xiàn)實生活中可能發(fā)生的100余種碰撞形式，歸納縮減為12種典型碰撞工況，如表1所示。

電動汽車低速運行發(fā)生碰撞時，只要保證高壓電路系統(tǒng)完整性（不擠壓、不破損等），則沒有必要對其進(jìn)行動力電源切斷操作，以減少可能帶來的斷電執(zhí)行器維修成本。

電動汽車中速運行發(fā)生碰撞時，則需要盡量保證高壓電路系統(tǒng)完整性，同時要對其進(jìn)行動力電源切斷操作，以確保高壓電路系統(tǒng)不起火爆炸。

電動汽車高速運行發(fā)生碰撞時，由于汽車變形嚴(yán)重，已經(jīng)無法保證高壓電路系統(tǒng)不受損，因此需要提前斷定碰撞信號，在一定時間內(nèi)對動力電源進(jìn)行切斷，以確保高壓電路系統(tǒng)不起火爆炸。

1.2 確定物理防護(hù)劃線區(qū)域

根據(jù)表1所述的電動汽車碰撞性能開發(fā)矩陣，運用高性能計算和有限元分析手段，對12個碰撞工況進(jìn)行分析，提取車身變形結(jié)果，確定高壓電系統(tǒng)物理防護(hù)劃線區(qū)域（圖1）。

動力電源盡可能布置在圖2所示的紅色區(qū)域內(nèi)，以避免動力電池受損引起起火爆炸等嚴(yán)重后果。劃線區(qū)域內(nèi)的高壓電器元件、插接件以及高壓線束的物理防護(hù)是本文所關(guān)注的重點內(nèi)容。

2 物理防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進(jìn)2.1保護(hù)電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如1.2所述，盡管動力電池布置在紅色區(qū)域內(nèi)，也不能夠完全保證在嚴(yán)苛的碰撞工況下無受損風(fēng)險。因此，本文針對動力電池殼體及安裝支架本體進(jìn)行碰撞工況下的載荷分析、判斷和優(yōu)化，提出了一種經(jīng)濟又可靠的動力電池防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

動力電池安裝支架、螺栓選型以及車身本體固定點設(shè)計有密切關(guān)聯(lián)，這3個因素共同決定碰撞發(fā)生時，動力電池是否能夠牢牢地被固定在車身上。通過多次解析和優(yōu)化以上3個因素的受力情況，得出以下3個結(jié)論。

（1）動力電池安裝支架最大應(yīng)變?yōu)?.36%，小于支架材料的斷后延伸率20%（圖3）。

（2）螺栓剪切受力12.50kN，小于M12的剪切極限13.44kN（圖4）。

（3）車身固定點位置的鈑金件最大應(yīng)變?yōu)?.14%，小于安裝支架材料的斷后延伸率14%（圖5）。

另一方面，電動汽車的側(cè)面碰撞載荷傳力路徑也影響著動力電池的安全性。由CAE分析可以得出，因為增加了動力電池，車身側(cè)面載荷傳遞路徑由原先的單一路徑，即左座椅安裝橫梁——中央通道熱成型件——右座椅安裝橫梁，形成了如圖6所示的2條并行路徑。路徑1為：左座椅安裝橫梁——中央通道熱成型件——右座椅安裝橫梁;路徑2為：動力電池安裝左縱梁——動力電池殼體——動力電池安裝右縱梁。為了保證動力電池殼體的完整性，應(yīng)當(dāng)減小動力電池所受到的載荷，增加路徑1傳遞的載荷值。

在傳力路徑1的區(qū)域內(nèi)，因安裝動力電池的緣故，前地板中部凸起，座椅安裝橫梁形成了典型的階梯梁結(jié)構(gòu)，這對承受側(cè)碰載荷是非常不利的。再者，前地板中部的凸起，使中央通道熱成型件的傳載能力下降嚴(yán)重，失去了傳遞碰撞載荷的能力，無法形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。這就需要在該路徑上增加一些小的支架以形成封閉的側(cè)面能量傳遞路徑，本文不對這些設(shè)計做細(xì)節(jié)描述。

在改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)的同時，對碰撞載荷傳遞路徑2的承載能力進(jìn)行提升，針對動力電池殼體在側(cè)面碰撞中可能出現(xiàn)的受損位置，提出了如圖7所示的殼體優(yōu)化方案。在動力電池殼體內(nèi)部和外部分別設(shè)計了橫向傳力結(jié)構(gòu)和縱向支撐結(jié)構(gòu)，通過拓?fù)鋬?yōu)化方法，將這些梁設(shè)計成帶有大量減重孔的“幾”字型結(jié)構(gòu)，既滿足了側(cè)面碰撞的承力要求，又達(dá)到了動力電池殼體自身的輕量化效果。2.2保護(hù)高壓電器元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓電路系統(tǒng)中包含了類似ACU、MCU、PDU等高壓電器控制元件，在車輛運行過程中，這些部件中都存在超過60V的電壓，是發(fā)生碰撞事故時需要保護(hù)的對象，否則電動汽車起火爆炸的風(fēng)險極高。

本文從兩方面對高壓電器元件的保護(hù)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。一方面優(yōu)化車輛正面碰撞能量傳遞路徑，車身吸能總量提升≥10%，減少高壓電器元件的受力。另一方面開發(fā)一種框架式保護(hù)盒，隔離高壓電器單元與周圍硬點，控制高壓電器元件的殼體應(yīng)變≤5%，實現(xiàn)高壓電器元件的第二重物理防護(hù)功能。

電動汽車正面高速碰撞時，車身主要承力件的吸能量約為103.3kJ（圖8），而發(fā)動機艙內(nèi)的5個高壓電元件的吸能量僅為46.2J（圖9），二者的吸能量比值約為2236：1。

前機艙內(nèi)5個高壓電元件，其殼體的最大應(yīng)變1.028%，小于材料的應(yīng)變極限，可以保證在碰撞時高壓電元件的完整性要求（圖10）。2.3 保護(hù)高壓線束的結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓線束是電動汽車中連接動力電池與高壓控制元件的橋梁，也是發(fā)生碰撞事故時應(yīng)當(dāng)受保護(hù)的對象。本文通過搜索整個高壓線束走向，查找高壓線束與車身鈑金的接觸點位置，計算這些位置的搭鐵風(fēng)險系數(shù)，根據(jù)需求對高壓線束增加保護(hù)裝置，避免高壓線束與金屬件接觸而產(chǎn)生漏電現(xiàn)象。如圖11所示的區(qū)域內(nèi)需要增加防護(hù)套裝置。

3 實驗驗證

如表1所述的12個碰撞工況都進(jìn)行了整車實驗，并驗證了在不同碰撞工況下高壓電路系統(tǒng)均得到了不同程度的物理保護(hù)，其最終結(jié)果以車輛變形程度、碰撞后車輛未起火爆炸、碰撞后高壓電迅速下電并滿足GB/T31498各項指標(biāo)要求等來判斷文中所涉及的設(shè)計方法是否真實有效。部分整車實驗后結(jié)果展示如下。

（1）32km/h正面撞柱實驗后，現(xiàn)場未出現(xiàn)起火爆炸，車輛前端變形正常，未出現(xiàn)高壓線束受擠壓漏電等現(xiàn)象（圖12）。

（2）50km/h正面撞墻實驗后，現(xiàn)場未出現(xiàn)起火爆炸，整車高壓電的電壓變化在20s內(nèi)降至60V以下，試驗結(jié)束后，正負(fù)極之間電壓為7V（法規(guī)要求lt;30V），滿足法規(guī)要求。

（3）50km/h側(cè)面碰撞實驗后，現(xiàn)場未出現(xiàn)起火爆炸，車輛側(cè)面變形正常，未出現(xiàn)動力電池和高壓線束受擠壓漏電現(xiàn)象（圖13）。

4 結(jié)合語

在優(yōu)化縮減和精準(zhǔn)定位碰撞工況的前提下，本文對一款純電動汽車進(jìn)行了高壓電系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計，從保護(hù)動力電池本體、保護(hù)高壓電元件和保護(hù)高壓線束3個方面，分別對其展開有限元分析預(yù)測和物理實驗驗證。

實際物理試驗結(jié)果顯示，在低速碰撞工況下，高壓電系統(tǒng)中的所有部件均保持了良好的完整性;在高速碰撞工況下，動力電池及其安裝支架、高壓線束、MCU、PTC等高壓電路系統(tǒng)零部件均未引起高壓電泄漏。

該防護(hù)設(shè)計方法與傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計理念有相似之處，卻與直接使用漏電流傳感器檢測防護(hù)高壓電泄漏方法有本質(zhì)區(qū)別，該防護(hù)設(shè)計方法是高壓電路系統(tǒng)受損檢測的硬核保障。

【參考文獻(xiàn)】

[1]"潘，朱西產(chǎn)，王大志，等.燃料電池轎車碰撞安全性仿真研究[J].汽車工程，2008，30（1）：1014-1017.

[2]"鄒俊，桂良進(jìn)，范子杰.燃料電池城市客車側(cè)面碰撞有限元分析[J].汽車技術(shù)，2009（4）：4-7.

[3]"王鑫，蹇小平.電動汽車正面碰撞安全評價指標(biāo)體系研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2017（8）：28-36.

[4]"曹立波，宋慧斌，武和全，等.基于拓?fù)鋬?yōu)化的汽車前縱梁耐撞性設(shè)計[J].中國機械工程，2016，27（6）：827-832.