電動(dòng)汽車(chē)后面碰撞測(cè)試方法研究

王凱 王正勇

中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司 廣東省廣州市 511340

1 引言

電動(dòng)汽車(chē)作為面向大眾的消費(fèi)品，其安全性，是國(guó)內(nèi)外汽車(chē)制造商必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。而電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是車(chē)內(nèi)裝有高壓的動(dòng)力回路，動(dòng)力電池組的電壓遠(yuǎn)超過(guò)安全電壓，所以電動(dòng)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)不同于傳統(tǒng)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)，由于涉及各種類(lèi)型的動(dòng)力電池，如果電池箱受到撞擊破壞，動(dòng)力電池就有可能產(chǎn)生爆炸、起火及漏電等相關(guān)問(wèn)題。同時(shí)電動(dòng)車(chē)在車(chē)身重量和車(chē)身結(jié)構(gòu)等方面均與普通車(chē)存在一定區(qū)別，對(duì)碰撞試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定影響。相對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)在碰撞中需要考慮的安全問(wèn)題更多。

由于電動(dòng)車(chē)后部很可能有電池和電路布置，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)環(huán)節(jié)考慮后碰安全很有必要。目前GB/T 31498《電動(dòng)汽車(chē)碰撞后安全要求》和GB20072《乘用車(chē)后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》對(duì)電動(dòng)汽車(chē)后面碰撞做出了碰撞后的試驗(yàn)要求。同時(shí)事故統(tǒng)計(jì)中電動(dòng)汽車(chē)因?yàn)楸蛔肺矊?dǎo)致的嚴(yán)重事故不在少數(shù)，對(duì)其事故形態(tài)和測(cè)試方法進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

2 電動(dòng)汽車(chē)后面碰撞電安全分析

電動(dòng)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)，除了應(yīng)符合傳統(tǒng)汽車(chē)碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和特性，還應(yīng)符合電安全的標(biāo)準(zhǔn)要求。電動(dòng)汽車(chē)國(guó)內(nèi)外主要法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)FMVSS 305、中 國(guó)GB/T 31498-2021和GB/T 19751-2005以及歐洲ECE R100等。

從不同標(biāo)準(zhǔn)比較中可以看出，電動(dòng)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)在電解液泄漏和動(dòng)力蓄電池保持位置等方面標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致：碰撞試驗(yàn)后，動(dòng)力電池電解液不許發(fā)生泄漏（30分鐘5L 且不進(jìn)乘員艙）；動(dòng)力電池不許發(fā)生明顯移位（如未進(jìn)入乘員艙，未從車(chē)身甩出等）。

表1 電動(dòng)車(chē)碰撞標(biāo)準(zhǔn)差異

電擊防護(hù)方面，從碰撞安全角度看，碰撞試驗(yàn)前后測(cè)量和評(píng)價(jià)絕緣電阻是必要的,或者滿(mǎn)足低電壓、低電能、物理防護(hù)、絕緣電阻四選一：

(a) 高壓總線(xiàn)Vb，V1 和V2 的電壓小于等于30VAC 或者60VDC

(b) 低電能 高壓總線(xiàn)的總能量進(jìn)行測(cè)量時(shí)低于0.2 焦耳。

(c) 人體防護(hù) 防止和高壓電部分直接接觸,應(yīng)提供IPXXB 級(jí)防護(hù)

(d)絕緣電阻 DC 總線(xiàn)中最小為100Ω/V，AC 總線(xiàn)中最小為500Ω/V

區(qū)別于傳統(tǒng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)電安全性能的檢測(cè)方法目前主要集中于滿(mǎn)電或者正常工作狀態(tài)下電池包試驗(yàn)前后絕緣電阻的測(cè)量。為了嚴(yán)格要求，我們可以理解為EV和PHEV 應(yīng)為完全充電，并在充電后24小時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，HEV 由于不能外部充電在正常運(yùn)行狀態(tài)試驗(yàn)即可。

為了更好地對(duì)電動(dòng)汽車(chē)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)電動(dòng)車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常碰撞過(guò)程中電動(dòng)車(chē)的碰撞開(kāi)關(guān)會(huì)起作用將高壓電路切斷，如圖2 所示，我們可以將電動(dòng)車(chē)分為電池包，電機(jī)電器及充電線(xiàn)路三部分。其中電池包為高壓帶電部件，電機(jī)電器為自身不帶電卻可能含有電容進(jìn)行充放電的部件，充電線(xiàn)路同樣為需要進(jìn)行高壓電防護(hù)的重要回路。對(duì)于電池包的電安全，我們可以進(jìn)行物理防護(hù)和絕緣阻值的測(cè)量，而對(duì)于電機(jī)電器電線(xiàn)等部件，除了上述兩種方法，我們還可以進(jìn)行低電壓和低電能的測(cè)量。

圖1 電動(dòng)車(chē)追尾碰撞

圖2 電動(dòng)車(chē)碰撞電安全

為了進(jìn)行上述測(cè)量，可以采用如圖3所示設(shè)備，包括絕緣電阻測(cè)量盒，電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)盒，主動(dòng)放電檢測(cè)盒等。所得結(jié)果中圖4 為電動(dòng)車(chē)碰撞過(guò)程中，電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)，包括電池電壓，電量，溫度和絕緣阻值等信息，對(duì)于監(jiān)測(cè)電池包的安全具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。電動(dòng)車(chē)碰撞過(guò)程中，采集記錄的電動(dòng)車(chē)電機(jī)電器回路的放電過(guò)程，可以清楚顯示電能和電壓的變化情況，可以判斷電動(dòng)車(chē)非電池包部分的電安全情況。

圖3 電動(dòng)車(chē)碰撞電安全測(cè)量

圖4 電動(dòng)車(chē)碰撞電安全結(jié)果

3 電動(dòng)汽車(chē)后面碰撞試驗(yàn)方法

電動(dòng)汽車(chē)一般是在原型車(chē)基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)力總成和儲(chǔ)能裝置的改造。由于儲(chǔ)能裝置一般放置于后備廂內(nèi)或車(chē)身底部，所以進(jìn)行追尾試驗(yàn)的時(shí)候，由于擔(dān)心電池收到車(chē)身變形擠壓，同時(shí)碰撞試驗(yàn)中由于車(chē)身加速度較大，電池和車(chē)身的連接方式也將受到?jīng)_擊考驗(yàn)，是否發(fā)生竄動(dòng)等電安全問(wèn)題將是檢測(cè)的重點(diǎn)。目前成熟的后碰標(biāo)準(zhǔn)主要有FMVSS 301，GB20072 《乘用車(chē)后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》,ECE R34，日本Attachment 111 等。不同法規(guī)對(duì)于試驗(yàn)工況的規(guī)定不盡相同，從下表分析來(lái)看主要分為FMVSS 301 和GB 20072 兩種代表試驗(yàn)工況。下面將就同一車(chē)型在這兩種試驗(yàn)中的表現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。

表2 電動(dòng)車(chē)后面碰撞標(biāo)準(zhǔn)差異

3.1 FMVSS 301 追尾試驗(yàn)

FMVSS 301 法規(guī)規(guī)定在車(chē)輛前排安放兩個(gè)50 分位的試驗(yàn)假人，假人應(yīng)按保持在座位位置上的方法進(jìn)行約束。燃油箱應(yīng)注入占其容量90%-95%代用液體。解除剎車(chē)制動(dòng)，變速器置于空擋，輪胎按制造廠(chǎng)規(guī)定充氣。車(chē)輛載荷質(zhì)量為空車(chē)重量加額定載荷和固定在行李艙的行李重量以及測(cè)試假人重量，車(chē)輛以正常方式停住，壁障以80±1km/h 的速度撞擊試驗(yàn)車(chē)輛，壁障的可變形面安裝在比法規(guī)214 規(guī)定的距地面高度低50mm 的碰撞壁障上。碰撞壁障碰撞方向與車(chē)輛的縱向中心線(xiàn)及行駛方向平行，公差在±5 度之內(nèi)。以70% 的重疊率進(jìn)行碰撞，碰撞的圖形如圖5 所示。

圖5 FMVSS 301 碰撞

圖6 為FMVSS 301試驗(yàn)后的車(chē)輛尾部圖片，可以看出由于臺(tái)車(chē)質(zhì)量大，碰撞速度高，車(chē)輛尾部最大變形量達(dá)到190mm，電池包輕微竄動(dòng)，電解液未發(fā)生泄露。碰撞嚴(yán)重?cái)D壓了后備箱空間，對(duì)后備箱內(nèi)電池和車(chē)身底部的電器元件造成很大威脅，易造成電安全問(wèn)題。但是在事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，高速追尾的情況屢見(jiàn)不鮮，通過(guò)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可以對(duì)電動(dòng)車(chē)后面碰撞安全性的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供有力借鑒，比如將電池和電氣部件安置在非變形區(qū)等，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的車(chē)輛后部碰撞安全性將得到極大提高。

圖6 電動(dòng)車(chē)FMVSS 301 碰撞

3.2 GB 20072 追尾試驗(yàn)

GB 20072 法規(guī)定義碰撞裝置表面應(yīng)為平面，寬度不小于2500mm，高度不小于800mm。其棱邊圓角半徑為40～50mm，表面裝有厚度為20mm 膠合板。碰撞速度為（502）km/h。移動(dòng)車(chē)和碰撞裝置的總質(zhì)量為（110020）kg。試驗(yàn)車(chē)輛應(yīng)裝備計(jì)入車(chē)輛的整備質(zhì)量中的所有正常安裝的部件和設(shè)備，并且應(yīng)裝備涉及幾防火性能的部件和設(shè)備。應(yīng)向燃油箱加注至少容量90% 的燃料或其密度和黏度與正常使用燃油相近的非可燃液體。其他系統(tǒng)可以排空。變速器可不處于空擋位置，駐車(chē)制動(dòng)器可處于制動(dòng)狀態(tài)。

圖7 為GB 20072 試驗(yàn)后車(chē)輛尾部圖片，雖然臺(tái)車(chē)質(zhì)量和碰撞速度相對(duì)較小，但是由于臺(tái)車(chē)前端結(jié)構(gòu)為平板而非蜂窩鋁，所以碰撞能量并未減少太多，結(jié)果為車(chē)輛尾部最大變形量約為100mm，電池包未發(fā)生電解液泄漏和移動(dòng)，碰撞對(duì)后備箱和底盤(pán)空間的壓縮相對(duì)較小，但是將高壓器件布置在非變形區(qū)和減小沖擊等問(wèn)題同樣需要考慮。

圖7 電動(dòng)車(chē)GB 20072 碰撞

3.3 電池包與車(chē)身相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析

電池包由于自身質(zhì)量較大，為了在碰撞過(guò)程中不發(fā)生移動(dòng)避免甩出或者其他危害，需要與車(chē)身進(jìn)行牢固連接。為了評(píng)判是否安全，通常采取與車(chē)身的相對(duì)加速度和相對(duì)位移進(jìn)行分析。

在電動(dòng)車(chē)研發(fā)初期，由于經(jīng)驗(yàn)不足，在碰撞測(cè)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電池包與車(chē)身發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，通常表現(xiàn)為存在相對(duì)加速度以及相對(duì)位移。隨著研究的深入，目前已基本無(wú)此類(lèi)問(wèn)題。

將某款混合動(dòng)力車(chē)進(jìn)行FMVSS 301試驗(yàn)，如圖8 所示，在電池中部以及車(chē)身B 柱分別粘貼加速度傳感器，從碰撞曲線(xiàn)可以看出，2 條加速度曲線(xiàn)在初始階段沒(méi)有明顯區(qū)別，無(wú)論是趨勢(shì)還是大小都基本相同，但是當(dāng)車(chē)身變形量較大，后碰臺(tái)車(chē)接觸到后備箱電池包，引起電池包加速度急劇升高，具有一定的危險(xiǎn)性，有可能引起電安全和電池包移動(dòng)等問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)美標(biāo)法規(guī)，應(yīng)將電池包位置前移，避開(kāi)變形區(qū)域，或者加強(qiáng)車(chē)身后部剛度，減少變形量。

圖8 FMVSS 301 電動(dòng)車(chē)電池與車(chē)身加速度比較

將某款混合動(dòng)力車(chē)進(jìn)行GB 20072 試驗(yàn)，如圖9 所示，在電池中部以及車(chē)身B柱分別粘貼加速度傳感器，從碰撞曲線(xiàn)可以看出，2 條加速度曲線(xiàn)沒(méi)有明顯區(qū)別，無(wú)論是趨勢(shì)還是大小都基本相同，因此我們可以認(rèn)為電池包在碰撞過(guò)程中與車(chē)身無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和位移，電池包與車(chē)身屬于緊固接近剛性連接。值得注意的是，為了更好地保護(hù)電池包，我們可以通過(guò)其他緩沖設(shè)計(jì)使得碰撞過(guò)程中，電池包的加速度變化小于車(chē)身。

圖9 GB 20072 電動(dòng)車(chē)電池與車(chē)身加速度比較

3.4 試驗(yàn)形式方面

由于進(jìn)行FMVSS 301 和GB 20072試驗(yàn)的為同一車(chē)型，如圖10 所示，將兩次試驗(yàn)的車(chē)身B 柱速度曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，兩條加速度曲線(xiàn)峰值大小沒(méi)有明顯區(qū)別，代表FMVSS 301 試驗(yàn)雖然碰撞速度和臺(tái)車(chē)質(zhì)量都相對(duì)較高，但是由于其臺(tái)車(chē)前端的蜂窩鋁吸能結(jié)構(gòu)相對(duì)較軟，導(dǎo)致兩次試驗(yàn)被車(chē)身吸收的能量并沒(méi)有太大區(qū)別。同時(shí)由于蜂窩鋁吸能影響，301 試驗(yàn)加速度曲線(xiàn)時(shí)間明顯比20072 試驗(yàn)加速度曲線(xiàn)時(shí)間長(zhǎng)，更利于降低車(chē)身加速度峰值。綜合考慮，F(xiàn)MVSS 301 試驗(yàn)更接近真實(shí)工況，但是試驗(yàn)成本較高。

圖10 FMVSS 301 與GB 20072車(chē)身加速度比較

另外FMVSS 305 要求在完成208 里面包含的追尾碰撞后進(jìn)行靜態(tài)滾動(dòng)試驗(yàn)，即在完成碰撞試驗(yàn)后，以每次滾動(dòng)90 度的方式，將車(chē)輛沿縱軸方向進(jìn)行滾動(dòng)時(shí)，該車(chē)輛應(yīng)能夠滿(mǎn)足絕緣電阻，電解液泄漏和固定的要求。這種方式一定程度上對(duì)電安全水平進(jìn)行了更嚴(yán)格的要求。值得一提的是，對(duì)于防止短路和過(guò)電流斷開(kāi)裝置方面的要求，雖然各國(guó)法規(guī)沒(méi)有明確提及，但是對(duì)于在碰撞事故中防止乘員觸電是非常有效的保護(hù)方式。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)后面碰撞的電安全問(wèn)題進(jìn)行研究，首先分析了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，研究了電動(dòng)汽車(chē)后面碰撞試驗(yàn)方法，并結(jié)合實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)在后面碰撞試驗(yàn)中需要關(guān)注的問(wèn)題，同時(shí)得出以下結(jié)論：

1 設(shè)計(jì)原則

a）動(dòng)力電池在遭到劇烈碰撞工況時(shí)應(yīng)該切斷回路；

b）負(fù)載回路在動(dòng)力電池切斷后應(yīng)能迅速放電釋放能量；

c）高壓線(xiàn)路布置應(yīng)該在車(chē)型開(kāi)發(fā)前期就予以考慮，尤其考 慮電源不切斷工況如何保證線(xiàn)路不破損；

d）電池空間布置和保護(hù)設(shè)計(jì)（如托盤(pán)）。

2 結(jié)構(gòu)布置

a）動(dòng)力電池包盡可能布置在車(chē)輛碰撞的非變形、吸能區(qū)域內(nèi),避免動(dòng)力電池在碰撞中發(fā)生擠壓變形；

b）動(dòng)力電池包的固定方式盡量采用與車(chē)身縱梁等穩(wěn)固件連接；單體電池采用獨(dú)立穩(wěn)定的整體框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定；

c）高壓配線(xiàn)位置的線(xiàn)路布置盡量與車(chē)身非變形結(jié)構(gòu)相連，同時(shí)加強(qiáng)高壓線(xiàn)的絕緣保護(hù)；

3 碰撞形式影響

a）FMVSS 301 追尾試驗(yàn)，碰撞速度較高，臺(tái)車(chē)質(zhì)量較大，試驗(yàn)車(chē)尾部變形較大，電池包受到車(chē)輛變形的影響較大，多次試驗(yàn)出現(xiàn)過(guò)電池包移動(dòng)現(xiàn)象。后面碰撞試驗(yàn)應(yīng)該予以重點(diǎn)關(guān)注，將電器元件布置在安全區(qū)域。

b）GB 20072 追尾試驗(yàn)雖然碰撞速度和臺(tái)車(chē)質(zhì)量均較低，試驗(yàn)車(chē)輛尾部變形較小，但是由于臺(tái)車(chē)前端剛度大，試驗(yàn)車(chē)加速度與美標(biāo)追尾相差無(wú)幾。