侯聚英　徐莉　劉豪　李文鳳

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)物理防護設計方法。結果表明，使用該物理防護設計方法的BEV汽車，滿足相關的碰撞法規(guī)安全要求。

關鍵詞：B級高壓電路系統(tǒng);BEV;碰撞安全;物理防護設計;碰撞載荷傳遞路徑

中圖分類號：U463.68

文獻標識碼：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)乘員保護開發(fā)、行人碰撞保護開發(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，存在的風險點更多，而解決這些問題的關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)元器件的物理防護設計角度出發(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，設計出相對完整和有效的車身防護結構。

1 劃分物理防護設計區(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個碰撞工況進行分析，提取車身變形結果，確定高壓電系統(tǒng)物理防護劃線區(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是本文所關注的重點內(nèi)容。

2 物理防護結構設計與改進2.1保護電池包的結構設計

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苛的碰撞工況下無受損風險。因此，本文針對動力電池殼體及安裝支架本體進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結構設計方案。

動力電池安裝支架、螺栓選型以及車身本體固定點設計有密切關聯(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個結論。

（1）動力電池安裝支架最大應變?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，應當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構，這對承受側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重，失去了傳遞碰撞載荷的能力，無法形成閉環(huán)結構。這就需要在該路徑上增加一些小的支架以形成封閉的側面能量傳遞路徑，本文不對這些設計做細節(jié)描述。

在改進車體結構的同時，對碰撞載荷傳遞路徑2的承載能力進行提升，針對動力電池殼體在側面碰撞中可能出現(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)部和外部分別設計了橫向傳力結構和縱向支撐結構，通過拓撲優(yōu)化方法，將這些梁設計成帶有大量減重孔的“幾”字型結構，既滿足了側面碰撞的承力要求，又達到了動力電池殼體自身的輕量化效果。2.2保護高壓電器元件的結構設計

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的對象，否則電動汽車起火爆炸的風險極高。

本文從兩方面對高壓電器元件的保護進行設計優(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變≤5%，實現(xiàn)高壓電器元件的第二重物理防護功能。

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，其殼體的最大應變1.028%，小于材料的應變極限，可以保證在碰撞時高壓電元件的完整性要求（圖10）。2.3 保護高壓線束的結構設計

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)生碰撞事故時應當受保護的對象。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險系數(shù)，根據(jù)需求對高壓線束增加保護裝置，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)需要增加防護套裝置。

3 實驗驗證

如表1所述的12個碰撞工況都進行了整車實驗，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，其最終結果以車輛變形程度、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各項指標要求等來判斷文中所涉及的設計方法是否真實有效。部分整車實驗后結果展示如下。

（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，試驗結束后，正負極之間電壓為7V（法規(guī)要求<30V），滿足法規(guī)要求。

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

4 結合語

在優(yōu)化縮減和精準定位碰撞工況的前提下，本文對一款純電動汽車進行了高壓電系統(tǒng)物理結構防護設計，從保護動力電池本體、保護高壓電元件和保護高壓線束3個方面，分別對其展開有限元分析預測和物理實驗驗證。

實際物理試驗結果顯示，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。

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

【參考文獻】

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