電動(dòng)汽車碰撞電安全性風(fēng)險(xiǎn)及仿真分析*

接桂利朱西產(chǎn)曹亦興張紹衛(wèi)馬志雄

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車安全技術(shù)研究所；2.上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司）

電動(dòng)汽車碰撞電安全性風(fēng)險(xiǎn)及仿真分析*

接桂利1朱西產(chǎn)1曹亦興1張紹衛(wèi)2馬志雄1

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車安全技術(shù)研究所；2.上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司）

以某電動(dòng)汽車為研究對(duì)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(jìn)行碰撞仿真，通過有限元仿真方法分析了電動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，該電動(dòng)汽車前艙內(nèi)的PCU、驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接失效的風(fēng)險(xiǎn)較大，PCU外殼有被侵入的風(fēng)險(xiǎn)；多處高壓電線存在擠壓破壞風(fēng)險(xiǎn)，有可能導(dǎo)致漏電短路；DCDC接口彎折變形嚴(yán)重。

1 前言

電動(dòng)汽車的碰撞安全問題，特別是高壓電部件如動(dòng)力電池組、PCU（電機(jī)控制器）、DCDC（直流轉(zhuǎn)換器）以及高壓電線部分在碰撞中的電安全性風(fēng)險(xiǎn)，一直是阻礙電動(dòng)汽車發(fā)展的主要問題。電動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)汽車在碰撞中的特殊性體現(xiàn)在兩方面，一是高能量、大質(zhì)量的動(dòng)力電池在碰撞中受到擠壓損傷時(shí)可能會(huì)引起起火、爆炸；二是高電壓的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)碰撞后可能會(huì)與乘員發(fā)生直接或間接接觸從而引發(fā)電擊傷害[1～3]。因此，電動(dòng)汽車的碰撞電安全性越來越受到關(guān)注。本文以某款電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，通過有限元仿真方法進(jìn)行碰撞電安全性分析，進(jìn)而指導(dǎo)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 電動(dòng)汽車碰撞電安全性風(fēng)險(xiǎn)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(shù)來判斷電安全性，所以首先分析電動(dòng)汽車在碰撞時(shí)高壓電可能造成的風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)高壓電風(fēng)險(xiǎn)確定碰撞中對(duì)高壓電部件以及高壓電線的安全性評(píng)價(jià)。

2.1 高壓電部件安全性分析

2.1.1 連接失效

由于大多數(shù)電動(dòng)汽車是由內(nèi)燃機(jī)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(shí)產(chǎn)生的過大沖擊載荷會(huì)引起連接螺栓的強(qiáng)度失效，從而導(dǎo)致高壓電部件脫離連接。另外，碰撞中固定支架的強(qiáng)度不足也會(huì)使高壓電部件相對(duì)于連接位置產(chǎn)生較大位移。

2.1.2 侵入

高壓電部件在碰撞中可能會(huì)受到其它部件的擠壓，使其外殼發(fā)生嚴(yán)重變形，進(jìn)而造成對(duì)部件內(nèi)部的侵入，破壞其完整性。高壓電部件內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓較高，外部侵入可能造成內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 沖擊

在碰撞過程中，當(dāng)車身部件受到巨大沖擊時(shí)，會(huì)造成動(dòng)力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，以至發(fā)生內(nèi)部短路甚至起火爆炸的危險(xiǎn)。其它高壓電部件暫不考慮沖擊風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 高壓電線安全性分析

2.2.1 擠壓

高壓電線的外層護(hù)套為聚氯乙烯材料（150%以上[4]），當(dāng)受到橫向剪切時(shí)很容易被刮破，使線束內(nèi)部銅線裸露，一旦此處接觸到車身就可能產(chǎn)生對(duì)地短路。另外，高壓電線接口會(huì)在碰撞沖擊以及其它部件對(duì)其擠壓下發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形，變形的接頭會(huì)引起高壓電線接觸不良，造成接觸電阻增大，會(huì)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(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 拉伸

電線中的導(dǎo)線主要是銅絞線，銅絞線的斷裂應(yīng)變?yōu)?.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(huì)使電線中的銅絞線發(fā)生斷裂，進(jìn)而引起突然斷電并產(chǎn)生電火花。

3 電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)及有限元建模

3.1 電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

本文中使用的電動(dòng)汽車模型是一輛基于內(nèi)燃機(jī)汽車改裝的純電動(dòng)汽車，大部分的車身結(jié)構(gòu)沿用了內(nèi)燃機(jī)汽車的車身結(jié)構(gòu)，其技術(shù)參數(shù)見表1。在該電動(dòng)汽車前艙區(qū)域，去除了發(fā)動(dòng)機(jī)模塊和變速器，安裝了1個(gè)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(diào)壓縮機(jī)、電機(jī)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(dòng)汽車前艙的前圍板前，如圖1所示。

表1 電動(dòng)汽車技術(shù)參數(shù)

電動(dòng)汽車中裝配2個(gè)電池模組，其中1個(gè)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(gè)M10螺栓把蓋板與電池箱連接。另1個(gè)電池組安裝在行李箱內(nèi)，如圖3所示，是將原型車的備胎槽改裝成矩形區(qū)域，電池箱通過8個(gè)M10螺栓與車體相連。

3.2 高壓電部件

選取PCU、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DCDC、后排座椅下電池及行李箱內(nèi)電池作為高壓電部件進(jìn)行考察。高壓電部件模型分為外殼和內(nèi)部?jī)刹糠?。外殼的網(wǎng)格單元材料選用24號(hào)彈塑性材料來模擬，高壓電部件內(nèi)部建成剛性體。圖4為PCU仿真模型。因驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼是鑄造而成，在碰撞中很難發(fā)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(wǎng)格單元選用三角形殼單元，選用24號(hào)材料，根據(jù)聚氯乙烯的力學(xué)性能確定材料參數(shù)。高壓電線內(nèi)部的銅絞線網(wǎng)格單元選用四面體網(wǎng)格，也選用24號(hào)材料，內(nèi)部實(shí)體網(wǎng)格的材料參數(shù)根據(jù)銅的力學(xué)性能來確定。高壓電線的內(nèi)、外層單元通過共節(jié)點(diǎn)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(duì)高壓電線的碰撞分析，對(duì)前艙內(nèi)電線進(jìn)行編號(hào)，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(dòng)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(jié)果中分別提取4個(gè)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(yīng)力為160 MPa，許用剪應(yīng)力為68.5 MPa。

經(jīng)校核計(jì)算，連接PCU的4個(gè)螺栓的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均超出許用值，4個(gè)螺栓在碰撞中有斷裂風(fēng)險(xiǎn)，PCU連接失效的可能性較大。另外，分析PCU連接支架應(yīng)變?cè)茍D發(fā)現(xiàn)，PCU的連接支架在副駕駛側(cè)最大應(yīng)變?yōu)?.4582，超出材料斷裂應(yīng)變，如圖9所示。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的4個(gè)連接螺栓的應(yīng)力經(jīng)校核后也都超過了許用值，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。另外，從電機(jī)連接支架的應(yīng)變?cè)茍D（圖10）可看出，4個(gè)支架均發(fā)生了變形，其中靠近駕駛員側(cè)支架產(chǎn)生的應(yīng)變大于材料的斷裂應(yīng)變，最大應(yīng)變值為1.358，驅(qū)動(dòng)電機(jī)也存在連接失效的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)分析，DCDC、后排座椅下電池及行李箱內(nèi)電池的連接支架和螺栓均沒有失效風(fēng)險(xiǎn)。

4.1.2 侵入分析

根據(jù)正面碰撞仿真結(jié)果可知，前縱梁發(fā)生較大彎曲，使支架帶動(dòng)PCU向下傾覆，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋也發(fā)生了嚴(yán)重彎曲，擠壓到PCU的上罩蓋及外殼上端，使其向內(nèi)凹陷，如圖11所示。

從PCU的應(yīng)變?cè)茍D（圖12）可看出，PCU上罩蓋及外殼上端因受到擠壓發(fā)生了明顯變形，最大侵入量達(dá)到12 mm。此外，這一區(qū)域應(yīng)變也大于材料應(yīng)變，最大應(yīng)變值為0.768 7，致使外殼結(jié)構(gòu)發(fā)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(fā)生了較大變形，但DCDC的核心區(qū)域沒有明顯變形，如圖13所示，因此可認(rèn)為DCDC沒有被侵入的危險(xiǎn)。

由碰撞仿真結(jié)果可知，后排座椅地板下方和行李箱區(qū)域均未發(fā)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(fēng)險(xiǎn)。

4.1.3 沖擊分析

碰撞加速度波形能較好地反映出動(dòng)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(nèi)電池最大加速度達(dá)到43g。

4.2 高壓電線碰撞電安全性分析

4.2.1 擠壓風(fēng)險(xiǎn)分析

在碰撞仿真中，電動(dòng)汽車前艙為變形吸能區(qū)，高壓電線1被散熱器的散熱片擠壓，如圖15所示。這是因?yàn)樵谂鲎仓衅嚽岸俗冃瘟枯^大，前端支架模塊大幅度地向后運(yùn)動(dòng)，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(shí)間的增加急劇下降，在25 ms時(shí)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(yùn)動(dòng)的過程中接觸到DCDC兩側(cè)的散熱片。而DCDC散熱片可能會(huì)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(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)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(shí)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(fā)生了向前翻滾運(yùn)動(dòng)，而連接高壓電線的接口在此刻發(fā)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(shí)兩者為垂直狀態(tài)，在碰撞約55 ms時(shí)，DCDC高壓電線接口的彎折角度最大，兩者之間約達(dá)到70°角。

4.2.2 拉伸風(fēng)險(xiǎn)分析

高壓電線內(nèi)部導(dǎo)線為絞合制成的銅絞線，根據(jù)GB/ T3953—1983電工圓銅線的規(guī)定，電工圓銅線的伸長(zhǎng)率必須大于0.35，其斷裂時(shí)塑性應(yīng)變?yōu)?.348。圖23為高壓電線的應(yīng)變?cè)茍D，其最大應(yīng)變值為0.281，位置在高壓總線前端，沒有達(dá)到銅線的斷裂應(yīng)變，所以在碰撞中高壓電線沒有被拉斷的風(fēng)險(xiǎn)。

由碰撞仿真分析可知，該電動(dòng)汽車前艙內(nèi)的PCU及驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接失效的風(fēng)險(xiǎn)較大，另外PCU有被侵入的風(fēng)險(xiǎn)；多處高壓電線存在擠壓風(fēng)險(xiǎn)，有絕緣層破壞導(dǎo)致漏電短路的可能；DCDC接口彎折變形嚴(yán)重。因此，該電動(dòng)汽車在結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下問題。

a.高壓電部件應(yīng)布置在車身結(jié)構(gòu)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(wěn)固連接，同時(shí)加強(qiáng)高壓線的絕緣保護(hù)。

c.因改裝的電動(dòng)汽車質(zhì)量比原型車有所增加，所以應(yīng)優(yōu)化前端吸能結(jié)構(gòu)，避免過大沖擊對(duì)電池組的損壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電動(dòng)汽車的碰撞安全性問題，建立了某電動(dòng)汽車整車有限元仿真模型，選取C-NACP全寬正碰工況進(jìn)行碰撞仿真，分析了電動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，該電動(dòng)汽車前艙內(nèi)的PCU、驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接失效的風(fēng)險(xiǎn)較大，PCU外殼有被侵入的風(fēng)險(xiǎn)；多處高壓電線存在擠壓破壞風(fēng)險(xiǎn)，有可能導(dǎo)致漏電短路；DCDC接口彎折變形嚴(yán)重。通過仿真試驗(yàn)結(jié)果可判斷出電動(dòng)汽車的電安全性，進(jìn)而可指導(dǎo)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 劉振剛.汽車火災(zāi)原因調(diào)查.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社, 2008.

2 王凱,李向榮,白鵬,電動(dòng)汽車在碰撞試驗(yàn)中的電氣安全.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2012，3（1）:34～37.

3 朱建新，鄭榮良，卓斌，等,電動(dòng)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(zé)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(dòng)汽車 碰撞電安全性 仿真分析

U467.1+4

A

1000-3703（2015）03-0042-05

國(guó)家“863”高技術(shù)項(xiàng)目（編號(hào)2012AA111205）資助。