電動汽車后部碰撞試驗的電安全研究

許書軍，張亞明，樂中耀

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

電動汽車后部碰撞試驗的電安全研究

許書軍，張亞明，樂中耀

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

基于我國電動汽車后部碰撞電安全試驗標準缺失的現(xiàn)狀，結(jié)合國際成熟的標準法規(guī)，研究了相關(guān)的試驗流程和方法。通過實車碰撞試驗，驗證分析了方法的有效性。提出了需要重點關(guān)注的電安全試驗項目，為我國有關(guān)標準的制定提供參考依據(jù)。

電動汽車；后部碰撞試驗；電安全

隨著新能源汽車成為汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要戰(zhàn)略方向，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超越美國成為全球最大，然而其中的電安全問題也日漸凸顯。在世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（UNECE/WP29）的框架下成立的電動汽車安全（EVS）工作組，已組織召開了多次工作組會議，其中一項重要探討內(nèi)容就是關(guān)于電動汽車碰撞的電安全。電動汽車因其結(jié)構(gòu)及高壓電安全的特殊性，對車輛后部碰撞安全性能的開發(fā)設(shè)計、性能測試都提出了更高的要求，我國在2015年新推出了GB/T 31498—2015《電動汽車碰撞后安全要求》，但對后部碰撞并無規(guī)定和要求。

本文將對比分析國際成熟的電動汽車碰撞標準法規(guī)，并結(jié)合我國電動汽車后部碰撞中電安全技術(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，研究制定相關(guān)試驗流程及方法，通過嚴苛的實車碰撞試驗進行方法驗證與分析，探討電動汽車后部碰撞的電安全問題。

引用格式：

1 標準法規(guī)比對分析

目前國際上關(guān)于電動汽車碰撞安全的標準有ISO 6469—4、SAE J1766—2014；法規(guī)主要有美國FMVSS 305[1]，歐洲 ECE R12、R94、R95，日本Attachment111以及中國GB/T 31498—2015[2]。

對于碰撞形式，ISO 6469—4沒有指定特定的碰撞形式，使用其標準時參考各國已有的傳統(tǒng)汽車碰撞法規(guī)進行試驗；SAE J1766—2014、FMVSS 305以及Attachment 111明確提出電動汽車需開展正面碰撞、側(cè)面碰撞和后部碰撞，SAEJ1766—2014和FMVSS 305還規(guī)定每次碰撞后須進行靜態(tài)翻轉(zhuǎn)試驗；歐洲法規(guī)和GB/T 31498—2015對正面碰撞和側(cè)面碰撞進行了規(guī)定，但不涉及后部碰撞和靜態(tài)翻轉(zhuǎn)的測試要求。

圖1 近5年中國后碰撞交通事故統(tǒng)計

然而，據(jù)公安部交通管理局發(fā)布的歷年交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，汽車后部碰撞一直是典型的碰撞型式，事故量、人員傷亡和財產(chǎn)損失居高不下（圖1）。其中2015年，車輛后部碰撞的事故量為14 397起，死亡人數(shù)5 497人，受傷人數(shù)16 019人，直接經(jīng)濟損失達19 228萬余元。電動汽車在整車設(shè)計中，為了提高續(xù)駛里程，往往在車輛后部增設(shè)了動力電池及電路配置，當車輛發(fā)生后部碰撞事故時，車輛高壓電部件存在較大的碰撞沖擊隱患和安全性能考驗。為此，我國的安全法規(guī)有必要規(guī)定對電動汽車進行后部碰撞測試。

關(guān)于碰撞后的電動汽車，高重量、高能量的儲能電池在翻轉(zhuǎn)過程中可能產(chǎn)生電池位置移動、電解液泄漏和絕緣失效等現(xiàn)象，進行相關(guān)項目的考察，可進一步保障碰撞后車輛及人員的安全。對于尤其看重汽車安全性的美國，碰撞后車輛的靜態(tài)翻轉(zhuǎn)測試早已嚴格實施。雖然GB/T 31498—2015暫未提出對靜態(tài)翻轉(zhuǎn)的測試要求，但增加該項目的考核，對于提高我國電動汽車安全整體水平，無疑將起到積極作用。

關(guān)于電安全測試項目，各標準法規(guī)的關(guān)注點主要集中在防觸電保護、電解液泄漏和電池位置移動三個方面。防觸電保護方面，除FMVSS 305只關(guān)注絕緣電阻（含絕緣監(jiān)測）以外，其它標準法規(guī)還對碰撞后的安全電壓限值、電能量限值、物理接觸防護等項目進行了規(guī)定。同時，GB/T 31498—2015還增加了碰撞后車輛不得爆炸、起火的要求，各測試項目及指標要求見表1。

表1 電動汽車碰撞后電安全測試項目及要求（GB/T 31498—2015）

由表1可知，我國暫未將碰撞后電池電壓和溫度的監(jiān)測列入考核項目。然而，電動汽車動力電池因碰撞可能導(dǎo)致短路，電池電壓將出現(xiàn)較大波動。同時，內(nèi)部材料發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，將產(chǎn)生大量熱和氣體，引起電池?zé)崾Э?、溫度大幅升高，誘發(fā)起火、爆炸事故[3]。2011年，美國NHTSA進行雪佛蘭Volt碰撞測試后未進行電池監(jiān)控和險情排查，3周后因電池損壞導(dǎo)致電池起火，引燃本車及其它3輛汽車。此后，美國IIHS特別規(guī)定碰撞試驗后實施電池溫度的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果直接影響總體評級。

雖然國際上絕大部分的電動汽車碰撞安全標準法規(guī)暫未明確對碰撞后電池的監(jiān)測，但從提升電動汽車碰撞安全性能，排除碰撞后電安全隱患的角度來看，對碰撞后的電池進行監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義，有必要將電池電壓以及電池溫度的監(jiān)測列入測試范圍。

綜上分析，電動汽車后部碰撞試驗，除參照GB/T 31498—2015進行相關(guān)項目的測試外，還可將碰撞后電池電壓以及電池溫度的監(jiān)測列入測試范圍，并參照FMVSS 305在碰撞后進行靜態(tài)翻轉(zhuǎn)測試考察絕緣電阻、電解液泄漏和電池位置移動狀況。

2 試驗流程及方法

由于電動汽車搭載有高重量、高能量、高電壓的動力電池系統(tǒng)，布置有錯綜復(fù)雜的高壓電路，若電池系統(tǒng)受到撞擊破壞，電路系統(tǒng)遭到擠壓破損，都有可能造成極大的安全風(fēng)險，試驗過程中的誤操作，更有可能加大風(fēng)險等級。為保障試驗的順利開展，確保測試人員及試驗設(shè)施、設(shè)備的安全，需要制定合理的試驗流程和方法。

試驗流程的制定，應(yīng)基于電動汽車的特殊結(jié)構(gòu)和特性，將電安全測試項目與傳統(tǒng)汽車后部碰撞法規(guī)（如 FMVSS 301、ECE R34、GB 20072—2006）規(guī)定的試驗流程進行有機結(jié)合，形成一套完整的試驗流程。

電動汽車后部碰撞試驗流程，如圖2所示。鑒于電動汽車在結(jié)構(gòu)設(shè)計和電安全方面的特殊性，需特別注意以下幾點。

圖2 電動汽車后部碰撞試驗流程

2.1 安全應(yīng)急預(yù)案

要保障試驗安全順利開展，首要的問題是制定安全應(yīng)急預(yù)案。預(yù)案制定時，應(yīng)充分梳理危險源，合理辨識風(fēng)險點，制定應(yīng)對處理措施。

為應(yīng)對碰撞后熱沖擊、電化學(xué)傷害等危險狀況，須配備絕緣扳手、絕緣套筒、絕緣鉗子等專用絕緣工具，配備絕緣靴、絕緣手套等個人防護裝備。為應(yīng)對燃燒濃煙及有毒氣體的傷害，應(yīng)配備頭盔和護目鏡。為及時處理消防火情，絕緣搬運車輛，消防裝備應(yīng)隨時待命。關(guān)于消防裝備，干粉滅火器限于控制明火，對于電動汽車自燃難以有效發(fā)揮作用，若條件允許，宜選用泡沫消防車。

相比傳統(tǒng)汽車，電動汽車的碰撞更易導(dǎo)致車輛起火、爆炸、有毒煙塵等險情產(chǎn)生，為便于人員疏散、車輛轉(zhuǎn)移以及設(shè)備拆除，減免試驗室的人、財、物損失，碰撞場地宜選擇在開闊、干燥的室外，并保證應(yīng)急通道順暢，保持現(xiàn)場通風(fēng)。

對所有操作人員進行電安全知識、工具使用、試驗流程和方法、應(yīng)急預(yù)案和處理等相關(guān)知識培訓(xùn)，開展消防知識學(xué)習(xí)和演練，經(jīng)考核合格后方可上崗操作。電安全的試驗測試，須有車輛生產(chǎn)廠家專業(yè)人員的監(jiān)督指導(dǎo)。

試驗前，結(jié)合車輛參數(shù)及結(jié)構(gòu)特性充分評估潛在風(fēng)險，制定危情處理程序（圖3），試驗過程中嚴格遵照實施。完成所有測試項目后，及時拆除動力電池組等關(guān)鍵組件，檢查電池性能，防止電池損傷引發(fā)安全危害。

圖3 危情處理程序

2.2 車輛準備

電動汽車除進行傳統(tǒng)能源汽車的常規(guī)項目準備以外，碰撞試驗前還需對整套電氣系統(tǒng)進行充分了解并合理準備。主要包含以下方面：

排空車輛冷卻液、制動液等所有液體，加注等質(zhì)量的水（著色劑處理）代替，用以區(qū)分電池電解液。

確定動力電池的類型和結(jié)構(gòu)、電池單體數(shù)量和組合固定方式、電池組總成及動力總成在整車的安裝布置及固定方式。選取電池模塊典型位置標記坐標測量點及傳感器安裝點。對電池組總成、電池管理系統(tǒng)（BMS）進行引線處理，做好絕緣保護，以進行電池溫度及電壓監(jiān)控。

了解車輛高壓電部件及高壓線路布置圖。合理選取車載數(shù)據(jù)采集裝置的安裝位置，避免鉆孔安裝中導(dǎo)致高壓線路破損。

車輛準備中宜斷開動力電源以及維修開關(guān)，正式試驗時須保證開關(guān)合上，電路連通。

對車身結(jié)構(gòu)及電池安全進行綜合分析（如CAE動態(tài)仿真），計算電池組總成位移情況、電池組總成及電路是否因車身結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致擠壓，若存在風(fēng)險，則建議先行改進再做試驗?；蛞噪姵氐臒o電替代塊進行預(yù)試驗，觀察碰撞表現(xiàn)，若狀況良好方可正式開展試驗。

進行電動車實車碰撞之前，電池供應(yīng)商需通過電池單體的跌落、穿刺、熱箱、充放電等整套安全測試，完成電池定型。完成電池模塊連接及排布后，需通過電池包總成的臺車模擬碰撞測試。所有測試項目需提供有效的合格認證報告。

嚴格按照車輛生產(chǎn)單位規(guī)定的充電規(guī)范或GB/T18385—2005[4]第5.1規(guī)程，使電池達到完全充電狀態(tài)，避免電池過充。碰撞試驗應(yīng)在車輛充電結(jié)束24 h內(nèi)進行。

2.3 電安全測試

防觸電保護、電解液泄漏以及REESS特殊要求等測試項目按照GB/T 31498—2015規(guī)定的程序進行。對于防觸電保護的低電壓、低電能的測量，需要采用車載測量儀器的方式在碰撞后的5～60 s內(nèi)進行。對泄漏液體性質(zhì)的判斷，采取目測、石蕊試紙和化學(xué)測試相結(jié)合的方式進行。對于絕緣電阻測量，需配備專用的電壓表（內(nèi)阻10 MΩ以上）、絕緣電阻計、標準電阻，碰撞前、后均需進行測量，測量時宜靠近動力電池正負極選點，并關(guān)閉電池系統(tǒng)附加電路，若試驗前絕緣電阻測量值小于要求限值，須終止試驗。

關(guān)于電池電壓及電池溫度的測試，手持式電壓表限于對局部電壓的間斷式采集，不利于進行對電壓長時間、連續(xù)的監(jiān)測。紅外測溫儀或紅外熱成像儀宜用于被測試體表面溫度的測量，對于被多層封裝外殼包裹的內(nèi)部電池，難以及時、有效、準確地反映。宜通過車載電池管理系統(tǒng)（BMS），以數(shù)據(jù)通訊的方式實現(xiàn)電池電壓及溫度的在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲，但前提是車輛設(shè)計中有配備BMS監(jiān)控功能，并提供了數(shù)據(jù)通訊許可。在線監(jiān)測需對BMS持續(xù)供電，在碰撞后車輛電源斷開的情況下，可通過外部電源提供穩(wěn)定的12 V直流輸入。若車輛不具備BMS監(jiān)控功能，也可通過布置相關(guān)傳感器，以外接線路的方式實現(xiàn)監(jiān)測。

2.4 靜態(tài)翻轉(zhuǎn)測試

碰撞試驗后，將試驗車輛固定于靜態(tài)翻轉(zhuǎn)試驗臺。車輛繞臺架縱軸翻轉(zhuǎn)，縱軸在每個連續(xù)的90°、 180°、270°以及360°翻轉(zhuǎn)中保持水平，每個90°旋轉(zhuǎn)速度保持一致，在1～3 min內(nèi)完成（圖4）。每90°增長后，車輛保持在該位置5 min，測量絕緣電阻、觀察電解液泄漏及電池位置移動三項指標。

圖4 靜態(tài)翻轉(zhuǎn)測試示意圖

3 方法驗證與分析

本研究采用市場在售的某款典型電動汽車，參照美標FMVSS 301[5]以實車后部70%重疊率碰撞的形式（圖5）開展試驗，對電動汽車后部碰撞電安全試驗流程和方法的有效性進行驗證與分析。

圖5 后部70%重疊率碰撞示意圖

試驗車輛為采用電動汽車專用平臺設(shè)計的純電動轎車，已通過了部件-整車的整套安全認證試驗。車輛試驗質(zhì)量為1 669 kg，電池294 kg，搭載于兩縱梁及前后軸之間的車架下側(cè)，處于非碰撞吸能變形區(qū)域。電池組總成由48個薄型蓄電池模塊組成，每個模塊由4個單體電池以2并聯(lián)- 2串聯(lián)的方式連接構(gòu)成，額定總電壓390 V。電池組總成的封裝外殼采用高強度鋼制材料制成密封結(jié)構(gòu)。

由于對試驗車輛的結(jié)構(gòu)特點、性能參數(shù)、潛在風(fēng)險點進行了全面梳理、評估和準備，嚴格按照試驗流程和方法規(guī)范操作，加之車輛本身在結(jié)構(gòu)沖擊防護、高壓電絕緣保護等方面的成熟設(shè)計，驗證試驗得以順利開展。試驗結(jié)果整體表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)漏電、起火、爆炸等險情。主要結(jié)果見表2，分析如下。

表2 驗證試驗結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)防護分析

車輛碰撞的結(jié)構(gòu)防護情況將直接影響電安全項目試驗結(jié)果的表現(xiàn)。試驗中，采用了碰撞加速度、車體結(jié)構(gòu)變形、電池位置保持等指標反映結(jié)構(gòu)防護狀況。

碰撞時該車輛的能量主要傳遞路徑為保險杠-車架-備胎，其次途經(jīng)車輪及后軸，沖擊能量得到大幅削減后，再傳遞至電池組。根據(jù)碰撞加速度波形呈現(xiàn)出電池組總成受到的沖擊載荷（圖6，圖7）顯示，x向碰撞加速度峰值由車輛C柱的402.2 m/s2，削減為電池組總成的329.7 m/s2；y向碰撞加速度峰值由車輛C柱的561.8 m/s2，削減為電池組總成的142.2 m/s2?？梢?，沖擊能量得到車體結(jié)構(gòu)的有效吸收，降低了對電池組的沖擊影響。

圖6 x向碰撞加速度曲線比較

圖7 y向碰撞加速度曲線比較

從車體結(jié)構(gòu)變形情況來看（圖8），車身尾部變形合理、充分，車身中部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無硬物直接擠壓到電池組總成及高壓電路。

圖8 車輛碰撞變形圖

電池組總成與車體的連接產(chǎn)生了輕微滑移（圖9），是受慣性沖擊力所導(dǎo)致。但固定螺栓仍保持與車體的牢固連接，電池組總成及內(nèi)部組件均保持在安裝位置，未出現(xiàn)脫落甩出的現(xiàn)象（圖10）。結(jié)合三坐標測量結(jié)果，電池模組之間的間隙幾乎未發(fā)生改變。

圖9 電池組總成與車體相對位移

圖10 電池組總成的位置保持情況

綜合以上分析可知，車體結(jié)構(gòu)有效地保護了電池組總成。

3.2 防觸電保護分析

由表2的試驗結(jié)果可知，碰撞后電池電壓為388.5 V，高壓母線的輸出電壓為0 V，初步判斷高壓電路在碰撞中受到斷電保護。經(jīng)過進一步分析可知，試驗車輛配備了高壓電路斷開繼電器，在感知車輛碰撞后，電池組碰撞保護系統(tǒng)中的A/B傳感器啟動，通過車輛控制模塊VCM切斷了接線盒中的電池組主繼電器，斷開高壓電回路（即輸出電壓顯示為0），達到動力電池的高壓電防護目的。

由于電力負載因碰撞主動斷開，所以防觸電保護的要求應(yīng)至少滿足觸電物理防護和絕緣電阻兩項指標中的1項。

由于高壓線路布置于車身非變形結(jié)構(gòu)區(qū)域，線路未受到碰撞擠壓或破損，同時因絕緣護套、障壁的加強保護以及采用與電底盤焊接的電連接方式，經(jīng)IPXXB關(guān)節(jié)試指測試，未接觸到帶電部位，滿足了觸電物理防護的要求。

為進一步確保觸電防護安全，通過絕緣電阻測試，絕緣電阻值為991 kΩ/V，滿足了大于 500 Ω/V的標準要求。

3.3 電池電壓及溫度監(jiān)測

由于未獲得試驗車輛在BMS電池監(jiān)測中的CAN通信許可，試驗采取了外接傳感器的方式，通過VBOX系統(tǒng)采集電池電壓及溫度數(shù)據(jù)，開展了長達24 h的電池安全監(jiān)測。結(jié)果顯示，電池總電壓維持在388.4～388.5 V之間（圖11，電池電壓監(jiān)測曲線， 0～1 000 s節(jié)選），電壓穩(wěn)定；電池溫度維持在23.3℃～23.5 ℃（圖12，電池溫度監(jiān)測曲線，0～1 000 s節(jié)選），電池溫度穩(wěn)定，未產(chǎn)生熱失效反應(yīng)。

為驗證該方法監(jiān)測所得數(shù)據(jù)的準確性，試驗中分別通過電壓表和紅外測溫儀進行了電池電壓和溫度的測量，結(jié)果表明兩種方式測量的數(shù)據(jù)基本一致。

綜合電池電壓及溫度的監(jiān)測結(jié)果，可以判斷電池狀況良好，未造成碰撞短路危險。

圖11 電池電壓監(jiān)測曲線圖

圖12 電池溫度監(jiān)測曲線

3.4 靜態(tài)翻轉(zhuǎn)測試

碰撞試驗后，對試驗車輛進行了靜態(tài)翻轉(zhuǎn)測試（圖13～16）。整個翻轉(zhuǎn)過程中，動力電池系統(tǒng)未出現(xiàn)電解液泄漏，電池組總成及模塊均保持在安裝位置，絕緣電阻值大于500 Ω/V。

圖13 90°翻轉(zhuǎn)

圖14 180°翻轉(zhuǎn)

圖15 270°翻轉(zhuǎn)

圖16 360°翻轉(zhuǎn)

通過以上試驗驗證分析可以得到，按照研究設(shè)定的試驗流程和方法開展試驗研究，既可安全有效地完成碰撞測試，也可準確地反映電動汽車后部碰撞的電安全狀況。

4 結(jié)論

本文從我國實際交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)和電動汽車設(shè)計特點出發(fā)，提出我國需要制定安全法規(guī)進行電動汽車的后部碰撞測試，考核電安全特性。在分析國際成熟的電動汽車碰撞安全標準法規(guī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電動汽車碰撞中電安全技術(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，提出進行電動汽車后部碰撞試驗時，除按照GB/T 31498—2015的要求進行防觸電保護、電解液泄漏和REESS相關(guān)的測試以外，還可考慮將碰撞后電池電壓以及電池溫度的監(jiān)測列入測試范圍，并參照FMVSS 305在碰撞后進行靜態(tài)翻轉(zhuǎn)測試，考察絕緣電阻、電解液泄漏和電池位置移動狀況。同時，研究制定了試驗流程及方法，通過對實車碰撞試驗的驗證分析可知，對試驗車輛的結(jié)構(gòu)特點、性能參數(shù)、潛在風(fēng)險點進行全面梳理、評估和準備，嚴格按照試驗流程和方法規(guī)范操作，可以安全有效地完成電動汽車后部碰撞測試，準確反映電安全狀況。

參考文獻（References）：

[1]FMVSS305—2013. ElectricPoweredVehicles，Electrolyte Spillage and Electrical Shock [S]. Washington DC：NHTSA，2013.

[2]GB/T 31498—2015. 電動汽車碰撞后安全要求[S].北京：中國標準出版社，2015.GB/T 31498—2015. The Safety Requirement of Electric Vehicle Post Crash [S]. Beijing：China Standard Press，2015.（in Chinese）

[3]平平.鋰離子電池?zé)崾Э嘏c火災(zāi)危險性分析及高安全性電池體系研究 [D].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.PING Ping. Lithiumion Battery Thermalrunaway and Fire Risk Analysis and the Development on Thesafer Battery System [D]. Beijing：University of Science and Technology of China，2014.（in Chinese）

[4]GB/T 18385—2005. 電動汽車動力性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2015.GB/T 18385—2005. Electric Vehicles-Power Performance-Test Method [S]. Beijing：China Standard Press，2005（.in Chinese）

[5]FMVSS301—2013. Fuel System Integrity [S]. Washington DC：NHTSA，2013.

Research on Electrical Safety in EV Rear Crash Tests

XU Shujun，ZHANG Yaming，YUE Zhongyao
（China Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 401122，China）

Based on the present situation of the lack of electrical safety standards for EV rear crash tests in China, the testing process and method have been researched combined with the international regulations.The validity of the method was analyzed and verified by an actual vehicle crash test. The paper put forward some electrical safety testing projects which should be paid more attention, providing a reference for the establishment of related standards in China.

electric vehicle; rear crash test; electrical safety

U461. 91

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.04

2016-12-15 改稿日期：2017-05-23

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“下一代低能耗電動轎車平臺及整車技術(shù)開發(fā)”（2015BAG17B01）

許書軍，張亞明，樂中耀. 電動汽車后部碰撞試驗的電安全研究 [J]. 汽車工程學(xué)報，2017，7(5)：334-341.

XU Shujun，ZHANG Yaming，YUE Zhongyao. Research on Electrical Safety in EV Rear Crash Tests [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：334-341. (in Chinese)

作者介紹

許書軍（1986-），男，重慶墊江人。學(xué)士，試驗工程師，主要從事汽車碰撞安全技術(shù)研究。

Tel：18696768958

E-mail：xushujun@caeri.com.cn