新能源汽車高壓線束在機(jī)械外載下失效試驗(yàn)及仿真研究

趙 楊，徐小飛，吳海龍，葛宇龍

（1.清華大學(xué)蘇州汽車研究院（相城），蘇州 215000；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

前言

近年來，新能源汽車的市場(chǎng)占有率及產(chǎn)銷量逐年提高，在碰撞事故中電池系統(tǒng)短路、起火、爆炸的事故也逐年增多，動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全研究已成為新能源汽車推廣和普及中急需解決的關(guān)鍵問題。

高壓線束作為新能源汽車電池系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，連接著電池、配電箱及動(dòng)力裝置等，主要功能是安全傳遞電流。在碰撞工況下高壓線束會(huì)承受柱面擠壓、楔面擠壓、扭拽等多種機(jī)械外載，很可能導(dǎo)致線束破裂失效，引起高壓系統(tǒng)短路，造成起火、爆炸等后果，嚴(yán)重威脅乘員及車輛的安全。研究高壓線束在機(jī)械外載下的失效特性和仿真方法對(duì)于高壓系統(tǒng)電安全評(píng)估具有重要意義。

已有很多學(xué)者對(duì)高壓線束在機(jī)械外載下的失效特性進(jìn)行了研究。李健對(duì)高壓線束分別進(jìn)行了剪切和穿刺試驗(yàn)，分析了加載速度、沖頭直徑等對(duì)線束力學(xué)響應(yīng)和失效位移的影響。鄭昊天等通過對(duì)高壓線束進(jìn)行不同工況下靜態(tài)剪切和穿刺試驗(yàn)，提出線束應(yīng)重點(diǎn)考慮外部絕緣層的失效，同時(shí)避免小面積擠壓和穿刺工況。郭建保等對(duì)高壓線束進(jìn)行了交叉擠壓、棱邊擠壓和剪切3種靜態(tài)試驗(yàn)，并利用LS?DYNA中的 MAT24號(hào)材料建立了高壓線束等效導(dǎo)體?等效絕緣層的雙組份模型與試驗(yàn)進(jìn)行仿真對(duì)標(biāo)。接桂利等利用整車全寬碰撞仿真分析了高壓線束可能遭受的機(jī)械外載工況，并評(píng)估了失效風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)高壓線束在機(jī)械外載下失效特性的研究大多是靜態(tài)試驗(yàn)工況，缺少動(dòng)態(tài)下線束的力學(xué)和失效特性研究?，F(xiàn)有線束仿真模型也只與靜態(tài)試驗(yàn)工況進(jìn)行了對(duì)標(biāo)，并不能模擬線束在動(dòng)態(tài)工況下的力學(xué)和失效特性。本文基于高壓線束在電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能遭受的擠壓外載，設(shè)計(jì)了直徑為5 mm的柱面沖頭（以下簡(jiǎn)稱D5）和夾角為60°的楔面沖頭（以下簡(jiǎn)稱V60）兩種工況動(dòng)靜態(tài)下的擠壓試驗(yàn)，分析了加載速度、加載工況對(duì)線束力學(xué)和失效特性的影響。并開展線束的3種主要組份材料護(hù)套、絕緣層和導(dǎo)體的力學(xué)試驗(yàn)，分別標(biāo)定其材料模型。本文建立的高壓線束單組份均質(zhì)化模型和導(dǎo)體?等效絕緣層雙組份模型均與動(dòng)靜態(tài)工況下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)，兩種模型分別利用單元?jiǎng)h除和等效絕緣層最內(nèi)層單元?jiǎng)h除來預(yù)測(cè)線束失效，結(jié)果表明兩種模型均能準(zhǔn)確仿真線束在動(dòng)靜態(tài)擠壓工況下的力學(xué)特性和失效特性，可用于新能源汽車電池系統(tǒng)的碰撞安全設(shè)計(jì)和碰撞電安全評(píng)估。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)所用圓柱形高壓線束如圖1所示，線束外徑15.8 mm，從外至內(nèi)依次為護(hù)套（厚度1.35 mm）、隔離層（厚度0.02 mm）、屏蔽層（厚度0.5 mm）、絕緣層（厚度1.18 mm）和導(dǎo)體銅芯（直徑9.7 mm）。其中，護(hù)套是橡膠材料，主要用于保護(hù)整個(gè)線束；隔離層為一層鋁箔；屏蔽層是由銅絲編織而成，用于屏蔽導(dǎo)體中由于電流變化而引起的電磁波；絕緣層為橡膠材料，用于隔離電流；導(dǎo)體由銅絲纏繞而成，用于傳遞電流。

圖1 圓柱形高壓線束

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案

文中分別針對(duì)高壓線束整體結(jié)構(gòu)和線束組份材料進(jìn)行試驗(yàn)，為了驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，文中每種類型試驗(yàn)均重復(fù)3次，試驗(yàn)類型及參數(shù)見表1?？紤]到隔離層和屏蔽層對(duì)線束結(jié)構(gòu)的承載能力影響很小，本文僅對(duì)護(hù)套、絕緣層和導(dǎo)體3種組份材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和材料模型標(biāo)定。對(duì)護(hù)套和絕緣層這兩種橡膠材料分別進(jìn)行單向拉伸和壓縮試驗(yàn)，對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行平面壓縮和D15柱面壓縮試驗(yàn)，相應(yīng)的試驗(yàn)類型及試件見圖2和圖3。

圖2 線束組份材料試驗(yàn)

圖3 線束組份材料試樣

表1 試驗(yàn)類型及參數(shù)

靜態(tài)加載（本文使用1.5 mm/min）用于獲取線束組份材料和結(jié)構(gòu)在靜態(tài)下的力學(xué)特性。根據(jù)Hampton等研究結(jié)果，有近50%汽車碰撞事故發(fā)生在速度0~20 km/h（5.56 m/s）之間，考慮到車身周圍的吸能結(jié)構(gòu)，車內(nèi)部件承受的碰撞速度會(huì)有所降低，本文使用4 m/s（錘頭配質(zhì)量40 kg）來進(jìn)行線束結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

線束結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中將線束切割成50 mm長(zhǎng)度，基于高壓線束在電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能遭受的典型圓柱面和較尖銳的楔形面的擠壓外載，本文分別使用D5柱面和V60楔面沖頭在動(dòng)靜態(tài)兩種速度下對(duì)線束進(jìn)行加載，如圖4所示。

圖4 線束結(jié)構(gòu)擠壓試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本文的主要試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示，高壓線束的靜態(tài)擠壓和3種組份材料的試驗(yàn)均在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，線束的動(dòng)態(tài)擠壓試驗(yàn)在落錘試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。靜態(tài)試驗(yàn)使用工業(yè)CCD相機(jī)拍攝，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)使用高速相機(jī)拍攝，所有試驗(yàn)統(tǒng)一使用非接觸變形測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算試驗(yàn)過程中試件的變形、錘頭位移等信息。圖5中動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和電池測(cè)量?jī)x用于采集動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中傳感器的載荷信號(hào)以及監(jiān)測(cè)沖頭與線束導(dǎo)體的短路。

圖5 主要試驗(yàn)設(shè)備

線束結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)擠壓試驗(yàn)中沖頭與線束導(dǎo)體短路監(jiān)測(cè)方案見圖6。靜態(tài)擠壓利用萬用表的“歐姆檔”分別連接沖頭和線束中間導(dǎo)體，試驗(yàn)中沖頭與導(dǎo)體接觸時(shí)，萬用表的示數(shù)由無窮大變?yōu)橐粋€(gè)較為穩(wěn)定的電阻值；動(dòng)態(tài)擠壓利用電池測(cè)量?jī)x內(nèi)的10 V直流電源分別連接沖頭和線束導(dǎo)體，并通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)時(shí)采集電壓信號(hào)，當(dāng)沖頭與導(dǎo)體接觸時(shí)，電壓信號(hào)由接近10 V變?yōu)榻咏?。靜態(tài)試驗(yàn)短路監(jiān)測(cè)時(shí)，由于相機(jī)將萬用表的示數(shù)與實(shí)驗(yàn)過程一起拍照記錄，使得對(duì)短路的判斷簡(jiǎn)潔清晰，但由于萬用表對(duì)于輸入的信號(hào)存在一定的反應(yīng)時(shí)間及靜態(tài)相機(jī)采樣頻率的限制，此種監(jiān)測(cè)方法不適用于動(dòng)態(tài)；動(dòng)態(tài)短路監(jiān)測(cè)方案相比于靜態(tài)，由于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及采集卡的采樣頻率遠(yuǎn)高于靜態(tài)，因此可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)線束在動(dòng)態(tài)下的短路，但是無法直觀地從相機(jī)拍攝的照片中判斷出線束的短路時(shí)刻。

圖6 線束結(jié)構(gòu)擠壓試驗(yàn)沖頭與導(dǎo)體短路監(jiān)測(cè)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)標(biāo)

根據(jù)線束組份材料和線束結(jié)構(gòu)試驗(yàn)得到不同類型試驗(yàn)結(jié)果。本文選用LS?DYNA軟件進(jìn)行線束的仿真建模，模型均使用體單元網(wǎng)格，采用軟件中不同的材料模型來表征線束的組份材料和線束整體的力學(xué)響應(yīng)，以及破裂短路現(xiàn)象，組份材料及兩種仿真模型的主要標(biāo)定參數(shù)如表2所示。

表2 組份材料及兩種仿真模型主要標(biāo)定參數(shù)

護(hù)套和絕緣層兩種組份材料標(biāo)定LS?DYNA的*MOONEY?RIVLIN_RUBBER（MAT27）號(hào) 材 料 模型。對(duì)導(dǎo)體使用*PIECEWISE_LINEAR_PLASTICIT（MAT24）號(hào)材料模型標(biāo)定。線束的均質(zhì)化模型選用*MODIFIED_HONEYCOMB（MAT126）號(hào)材料模型。雙組份模型外部等效絕緣層采用MAT27號(hào)材料模型，內(nèi)部導(dǎo)體采用MAT24號(hào)材料模型。兩種模型均通過*MAT_ADD_EROSION添加相關(guān)失效參數(shù)。

2.1 組份材料試驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)標(biāo)

2.1.1 護(hù)套試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)

如圖7所示，護(hù)套的靜態(tài)拉伸和靜態(tài)壓縮3次試驗(yàn)均具有較好的重復(fù)性，將拉伸與壓縮試驗(yàn)曲線聯(lián)合擬合出MAT27材料卡片中的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，并按要求輸入其它參數(shù)。仿真使用實(shí)體網(wǎng)格建模，仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)結(jié)果表明本文使用MAT27號(hào)材料建立的護(hù)套模型能較好地表征出護(hù)套在大變形下的力學(xué)特性。

圖7 護(hù)套試驗(yàn)與仿真結(jié)果

2.1.2 絕緣層試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)

絕緣層的試驗(yàn)結(jié)果表明其性能與護(hù)套相近，仿真對(duì)標(biāo)方法與護(hù)套類似，試驗(yàn)及仿真結(jié)果見圖8。

圖8 絕緣層試驗(yàn)與仿真結(jié)果

2.1.3 導(dǎo)體試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)

導(dǎo)體使用MAT24建立實(shí)體網(wǎng)格模型，圖9展示了平面壓縮和D15柱面壓縮的仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)結(jié)果，表明MAT24號(hào)材料建立的導(dǎo)體模型能較好地模擬出其在壓縮狀態(tài)下的力學(xué)特性。

圖9 導(dǎo)體試驗(yàn)與仿真結(jié)果

2.2 線束結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)標(biāo)

本文研究開發(fā)了線束結(jié)構(gòu)的仿真方法，分別為雙組份模型和均質(zhì)化模型。

雙組份模型即根據(jù)線束的真實(shí)結(jié)構(gòu)建立的模型，模型由導(dǎo)體和等效絕緣層構(gòu)成，導(dǎo)體按實(shí)際尺寸建模，等效絕緣層的尺寸為導(dǎo)體外部所有組份材料之和，網(wǎng)格大小約為1 mm，如圖10所示。其中導(dǎo)體材料采用MAT24號(hào)卡片模擬，等效絕緣層材料采用MAT27號(hào)卡片模擬，為了表征其失效特性，外部等效絕緣層通過線束試驗(yàn)短路時(shí)刻逆向標(biāo)定出失效參數(shù)剪應(yīng)變，以最內(nèi)層單元?jiǎng)h除作為線束的短路判據(jù)。同時(shí)為了滿足靜動(dòng)態(tài)工況適用性，通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)標(biāo)定出線束內(nèi)部導(dǎo)體的應(yīng)變率效應(yīng)。

圖10 線束雙組份模型

均質(zhì)化模型忽略了線束內(nèi)部結(jié)構(gòu)，基于線束試驗(yàn)表現(xiàn)出的力學(xué)特征，選取并標(biāo)定適用的本構(gòu)模型。本文采用MAT126模型來表征線束的均質(zhì)化特性，模型如圖11所示，網(wǎng)格大小約為2 mm。使用線束準(zhǔn)靜態(tài)擠壓試驗(yàn)結(jié)果提取強(qiáng)化特性曲線，再利用線束動(dòng)態(tài)試驗(yàn)標(biāo)定應(yīng)變率效應(yīng)曲線，最后通過線束結(jié)構(gòu)試驗(yàn)短路時(shí)刻逆向標(biāo)定出失效參數(shù)主應(yīng)力和等效應(yīng)力，兩者同時(shí)達(dá)到時(shí)單元?jiǎng)h除，以單元?jiǎng)h除作為線束的短路判據(jù)。

圖11 線束均質(zhì)化模型

2.2.1 導(dǎo)體?等效絕緣層雙組份模型標(biāo)定

圖12展示了線束在D5柱面和V60楔面兩種工況動(dòng)靜態(tài)擠壓下的試驗(yàn)及雙組份模型仿真結(jié)果。對(duì)比圖12（a）與圖12（b）兩種工況下的載荷位移曲線可以看出，該模型可以較準(zhǔn)確地模擬出線束在短路前的力學(xué)響應(yīng)，但由于仿真采用了單元?jiǎng)h除這一失效形式，單元?jiǎng)h除后模型的承載能力降低，導(dǎo)致短路后仿真的力學(xué)響應(yīng)弱于試驗(yàn)。同時(shí)，加載速度的提高會(huì)使線束的力學(xué)響應(yīng)升高，峰值力提前。對(duì)比試驗(yàn)中線束的短路位移可以發(fā)現(xiàn)，線束在V60動(dòng)靜態(tài)工況下的平均短路位移約為4.4和6.2 mm，顯著小于D5工況下的7.5和9.1 mm，表明線束的短路行為與沖頭形狀和加載速度高度相關(guān)，較高的加載速度和較小的擠壓面積均會(huì)減小短路位移。

圖12 線束雙組份模型仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果

線束的雙組份模型仿真結(jié)果表明，在D5和V60兩種工況動(dòng)靜態(tài)加載下，單元?jiǎng)h除前載荷位移曲線與試驗(yàn)均較吻合，說明該模型可以較準(zhǔn)確地模擬出線束在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。在V60工況下動(dòng)靜態(tài)仿真等效絕緣層最內(nèi)層單元?jiǎng)h除時(shí)刻的位移分別為4.2和6.2 mm，與試驗(yàn)結(jié)果4.4和6.2 mm基本一致，表明該仿真模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)線束在V60等小面積擠壓工況下的力學(xué)和失效特性。在D5工況下動(dòng)靜態(tài)仿真的失效位移分別為6.0和7.5 mm，相對(duì)試驗(yàn)結(jié)果7.5和9.1 mm有所提前，說明在D5柱面擠壓工況下該仿真模型的失效判據(jù)較保守。

2.2.2 均質(zhì)化模型標(biāo)定

圖13展示了線束均質(zhì)化模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。通過載荷位移曲線可以看出，該模型可以準(zhǔn)確模擬出線束在不同工況動(dòng)靜態(tài)加載下短路前的力學(xué)響應(yīng)。與雙組份模型相比，均質(zhì)化模型的網(wǎng)格大，導(dǎo)致均質(zhì)化模型短路單元?jiǎng)h除后模型的力學(xué)響應(yīng)降低的更多，因此短路后的力學(xué)響應(yīng)與試驗(yàn)差別更加明顯。兩種工況靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)后的試件形貌見圖14。

圖13 線束均質(zhì)化模型仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果

圖14 線束試驗(yàn)后試件

仿真在D5動(dòng)靜態(tài)工況下的失效位移分別為4.4和6.0 mm，小于試驗(yàn)的7.5和9.1 mm，而在V60工況下的失效位移分別為4.1和6.1 mm，與試驗(yàn)結(jié)果4.4、6.2 mm十分接近。結(jié)果表明，該模型可以準(zhǔn)確模擬出線束在不同加載工況和不同加載速度下的力學(xué)特性，在D5柱面擠壓工況下，該模型的失效判據(jù)相對(duì)保守，而在V60等小面積擠壓工況下，失效判據(jù)準(zhǔn)確。

2.2.3 線束模型仿真精度分析

高壓線束在D5和V60兩種工況動(dòng)靜態(tài)加載試驗(yàn)下的失效位移及兩種仿真模型的失效位移統(tǒng)計(jì)見表3。對(duì)比結(jié)果顯示在V60動(dòng)靜態(tài)工況下，兩種模型的失效位移與試驗(yàn)結(jié)果非常一致，失效位移偏差均在8%以內(nèi)，兩種模型均可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)該種小面積擠壓工況下的短路風(fēng)險(xiǎn)。在D5動(dòng)靜態(tài)工況下，兩種模型失效位移相對(duì)試驗(yàn)均有所提前，在動(dòng)態(tài)D5工況下兩種模型失效位移與試驗(yàn)結(jié)果偏差分別為20.01%和41.33%，均質(zhì)化模型失效位移較雙組份模型更加保守。兩種線束仿真模型的短路時(shí)刻見圖15。

表3 線束結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與仿真失效位移對(duì)比

圖15 兩種模型短路時(shí)刻

總體來看，兩種模型的失效判據(jù)均相對(duì)保守，在最惡劣小面積擠壓工況（V60）下的預(yù)測(cè)精度較為準(zhǔn)確，仿真結(jié)果可以作為高壓線束在機(jī)械外載下短路失效的保守判據(jù)。

兩種模型相比，均質(zhì)化模型的網(wǎng)格尺寸大、材料種類少，從而仿真的計(jì)算效率高。雙組份模型的網(wǎng)格小、組份材料及建模更加精細(xì)，對(duì)于線束短路之后力學(xué)響應(yīng)的模擬也優(yōu)于均質(zhì)化模型，但仿真計(jì)算效率不及均質(zhì)化模型。因此，在兩種模型的實(shí)際運(yùn)用中，雙組份模型適合用于零部件級(jí)的仿真，而均質(zhì)化模型更適用于子系統(tǒng)及整車級(jí)別的仿真分析中。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開展了高壓線束組份材料的力學(xué)性能試驗(yàn)和高壓線束結(jié)構(gòu)在D5柱面、V60楔面兩種工況準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)加載下的力學(xué)試驗(yàn)，獲取了線束組份材料的力學(xué)特性，以及線束結(jié)構(gòu)在不同外載工況和加載速度下的力學(xué)和失效特性，為高壓線束在機(jī)械外載下的失效特性研究提供了較好參考。基于試驗(yàn)結(jié)果，建立了線束導(dǎo)體?等效絕緣層雙組份和均質(zhì)化兩種有限元仿真模型，仿真結(jié)果與線束在不同工況機(jī)械外載下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)，結(jié)論及展望如下。

（1）高壓線束在機(jī)械外載下有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，動(dòng)態(tài)外載會(huì)顯著提高線束的力學(xué)響應(yīng)。線束的失效特性與外載工況、加載速度高度相關(guān)。提高加載速度、尖銳物擠壓（V60）均會(huì)降低線束的失效位移，增大失效風(fēng)險(xiǎn)。電動(dòng)汽車高壓線束在車內(nèi)布置時(shí)應(yīng)該遠(yuǎn)離尖銳物體，避免遭受到尖銳物的擠壓。

（2）本文建立的高壓線束兩種有限元仿真模型均可較準(zhǔn)確地模擬出線束在不同工況動(dòng)靜態(tài)加載下的力學(xué)特性和失效特性。兩種模型采用的單元?jiǎng)h除這一失效判別依據(jù)，在V60楔面擠壓工況下兩種模型的失效位移均與試驗(yàn)結(jié)果十分接近，在D5柱面擠壓工況下兩種模型的失效位移相對(duì)試驗(yàn)均有所提前，結(jié)果相對(duì)保守，可以為安全設(shè)計(jì)提供一定的余量。在新能源汽車碰撞安全仿真中，兩種模型的仿真結(jié)果可作為高壓線束短路失效的判別依據(jù)，對(duì)電安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

（3）基于計(jì)算效率及精度的考慮，本文建立的雙組份模型更適用于零部件級(jí)的仿真，而均質(zhì)化模型更適用于子系統(tǒng)及整車級(jí)別的仿真中。

（4）本文對(duì)于高壓線束的試驗(yàn)及仿真研究均為擠壓工況，并未開展線束在拉拽、剪切等其他工況下的試驗(yàn)，對(duì)于此類工況缺少線束的失效判據(jù)，有待后續(xù)研究。