汽車碰撞中高壓線束擠壓失效及保護(hù)措施

鄧善良，劉夢(mèng)瑩，董瑞強(qiáng)

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

隨著我國(guó)碳中和目標(biāo)的提出，新能源汽車日 益被大眾所接受，其碰撞安全性能也受到越來(lái)越多的關(guān)注，相關(guān)法規(guī)也在不斷制定完善中[1-2]。新能源汽車通常采用大量的高壓線束將不同的高壓模塊串聯(lián)起來(lái)以實(shí)現(xiàn)各種功能，而高壓線束絕緣層通常為橡膠材料，在整車碰撞中極易受到金屬部件的剪切或擠壓，導(dǎo)致絕緣層破裂，繼而絕緣失效，產(chǎn)生高壓短接，存在起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[3-6]。因此，在車輛開(kāi)發(fā)階段，需要基于各種碰撞工況，通過(guò)優(yōu)化高壓線束路徑以及線束周邊模塊的相對(duì)位置關(guān)系，有效避免高壓線束在碰撞中受到剪切或擠壓。但由于車輛布置空間限制，以及車輛制造過(guò)程中的人機(jī)安裝要求，部分高壓線束仍然存在擠壓失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要對(duì)高壓線束絕緣失效極限載荷進(jìn)行研究，并明確常用保護(hù)措施對(duì)于高壓線束保護(hù)的有效性，從而用于指導(dǎo)車輛碰撞安全性能開(kāi)發(fā)中高壓線束的設(shè)計(jì)保護(hù)。

目前對(duì)于高壓線束的絕緣失效研究主要體現(xiàn)在高壓線束本體上。如接桂利等[7]通過(guò)整車建模仿真評(píng)估高壓線束絕緣失效的風(fēng)險(xiǎn)；郭建保等[8]對(duì)高壓線束進(jìn)行了交叉擠壓、棱邊擠壓以及剪切試驗(yàn)，獲取線束本體的力學(xué)性能參數(shù)以及仿真建模方法；鄭昊天等[9]對(duì)高壓線束進(jìn)行了剪切和穿刺試驗(yàn)，獲取了該工況下的力學(xué)特性和失效模式。上述研究主要針對(duì)單根高壓線束，且對(duì)于擠壓工況暫無(wú)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于高壓線束常用保護(hù)措施的有效性暫無(wú)涉及。

針對(duì)高壓線束的擠壓工況，提出了一種測(cè)定高壓線束絕緣失效極限載荷的試驗(yàn)方法，該方法操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，且可重復(fù)性高?；谠摲椒▽?duì)單根、雙根以及三根高壓線束分別進(jìn)行擠壓研究，并重點(diǎn)研究了高壓線束常用保護(hù)措施，如波紋管、尼龍袖套以及金屬護(hù)板等對(duì)于高壓線束保護(hù)的有效性。

1 高壓線束擠壓試驗(yàn)方法

1.1 高壓線束結(jié)構(gòu)

高壓線束根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為帶屏蔽層高壓線束和無(wú)屏蔽層高壓線束，如圖1所示。屏蔽層為可導(dǎo)電金屬編織層，主要用于改善其電磁兼容問(wèn)題。部分高壓系統(tǒng)利用屏蔽層形成回路構(gòu)建高壓互鎖功能[10]。主機(jī)廠通常采用帶屏蔽層的高壓線束，故以帶屏蔽層的高壓線束為研究對(duì)象。

圖1 新能源車輛高壓線束結(jié)構(gòu)

1.2 高壓線束擠壓試驗(yàn)設(shè)定

在前艙布置中，高壓線束周圍的零件結(jié)構(gòu)、剛度差異較大。整車碰撞工況下，高壓線束通常受到剪切、擠壓以及穿刺等工況作用，對(duì)于剪切以及穿刺問(wèn)題，可通過(guò)優(yōu)化線束路徑或增加零件翻邊進(jìn)行有效規(guī)避，且郭建保等[8]已對(duì)高壓線束剪切力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。但受整車布置空間限制，部分高壓線束仍存在受周圍零部件擠壓的風(fēng)險(xiǎn)。

基于前艙金屬零部件突出物的幾何尺寸統(tǒng)計(jì)，部分零部件尺寸如表1所示，可將高壓線束擠壓工況擠壓頭接觸尺寸歸納為30 mm、60 mm以及120 mm三種類型，對(duì)于超過(guò)120 mm的結(jié)構(gòu)件，其力學(xué)特征趨向于平面擠壓，李鋼等[11]已有研究，故不再贅述。

表1 前艙部分零部件突出物幾何尺寸 單位：mm

新能源車輛高壓線束的功能性要求通常為其耐壓性大于600 V以及耐電流性能大于250 A?；趯?shí)驗(yàn)安全性考慮，子系統(tǒng)擠壓實(shí)驗(yàn)采用一段高壓線束為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)中不帶電，長(zhǎng)度為350 mm。將高壓線束內(nèi)部導(dǎo)線層、屏蔽層以及拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī)體分別引出一根監(jiān)控線，用于連接萬(wàn)用表。其中，拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī)體與屏蔽層之間的萬(wàn)用表1根據(jù)其通斷狀態(tài)初步判定高壓線束最外絕緣層是否損壞；屏蔽層與導(dǎo)線層之間的萬(wàn)用表2根據(jù)其通斷狀態(tài)初步判定高壓線束最內(nèi)絕緣層是否損壞，如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)高壓線束進(jìn)行絕緣耐壓性能測(cè)試，最終判定其絕緣層是否損壞。擠壓頭以5 mm/min的速度下降，擠壓高壓線束以及其包裹物，將萬(wàn)用表通斷信號(hào)與拉伸試驗(yàn)機(jī)載荷-位移信號(hào)相聯(lián)動(dòng)，基于萬(wàn)用表通斷狀態(tài)以及拉伸試驗(yàn)機(jī)輸出的載荷-位移曲線確定，高壓線束絕緣層破損所對(duì)應(yīng)的變形量以及載荷，從而得出高壓線束在該工況下所能承受的極限載荷，如圖3所示。

表2 試驗(yàn)因子以及水平

圖2 高壓線束擠壓試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

圖3 試驗(yàn)用擠壓頭

1.3 高壓線束擠壓試驗(yàn)因子

考慮新能源車輛中高壓線束實(shí)際使用組合形式，如動(dòng)力電池充電儲(chǔ)能系統(tǒng)充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（Recharge Energy Store System, RESS）到電源分配模塊（Power Distribution Unit, PDU）為兩根高壓線束正負(fù)極并行，高壓逆變器到驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間為三相交流電即三根高壓線束并行，如圖4所示。因此，基于上述擠壓頭類型，進(jìn)一步研究單根、兩根以及三根并行的高壓線束在擠壓工況下的絕緣失效極限載荷差異。

圖4 線束組合形式

在高壓線束路徑無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化的情況下，在整車碰撞安全性能開(kāi)發(fā)中對(duì)于高壓線束的擠壓?jiǎn)栴}常用的保護(hù)措施為在高壓線束外側(cè)增加包裹保護(hù)物，可分為波紋管、尼龍袖套以及增加塑料護(hù)板或金屬護(hù)板等?？紤]高壓線束的耐久性設(shè)計(jì)要求，前艙中高壓線束通常有波紋管覆蓋，因此，對(duì)于碰撞中高壓線束的保護(hù)措施通常為高壓線束裸線包裹波紋管、尼龍袖套組合，以及高壓線束裸線包裹波紋管、金屬護(hù)板等組合形式，如圖4所示。

基于上述考慮，對(duì)于同一規(guī)格的高壓線束，設(shè)計(jì)子系統(tǒng)擠壓試驗(yàn)獲取其極限載荷，需考慮試驗(yàn)因子以及水平，其匯總信息如表2所示。進(jìn)一步獲得試驗(yàn)組合矩陣，共計(jì)27組試驗(yàn)[12]，如表3所示。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，每組試驗(yàn)進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，以三組試驗(yàn)均值為其最終結(jié)果。

表3 試驗(yàn)組合矩陣

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于上述高壓線束子系統(tǒng)擠壓試驗(yàn)方法，選取新能源車型常用的 50 mm2高壓線束為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。

圖5 50 mm2高壓線束

考慮高壓線束單根、兩跟以及三根的組合類型，常用保護(hù)措施有波紋管（材料牌號(hào)為CD-DGADAA-OR）、尼龍袖套（材料牌號(hào)為 SB-D8DACB-BK）、金屬護(hù)板（材料為CR3，鈑金厚度為2.0 mm），30 mm、60 mm以及120 mm三種規(guī)格的擠壓頭，按照表3所示的試驗(yàn)組合矩陣進(jìn)行子系統(tǒng)試驗(yàn)。匯總試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

2.1 高壓線束絕緣失效原因分析

匯總27組擠壓試驗(yàn)結(jié)果，均為屏蔽層與內(nèi)部導(dǎo)線層之間萬(wàn)用表先導(dǎo)通，即內(nèi)部絕緣層發(fā)生損壞。利用工業(yè)計(jì)算級(jí)斷層掃描設(shè)備（型號(hào)：GE Phoenix S 240KV）對(duì)試驗(yàn)后的高壓線束（部分變形已經(jīng)反彈）進(jìn)行斷層成像掃描，獲取屏蔽層、內(nèi)部絕緣層以及導(dǎo)線層狀態(tài)，如圖6所示。擠壓位置處導(dǎo)線層存在明顯變形，該位置內(nèi)部導(dǎo)線銅絲分布不均勻，且屏蔽層金屬編織護(hù)套金屬絲存在斷裂不連續(xù)現(xiàn)象。

圖6 試驗(yàn)后高壓線束斷層掃描狀態(tài)

針對(duì)擠壓最大變形位置，將試驗(yàn)后的高壓線束最外絕緣層以及屏蔽層剝離，部分屏蔽層金屬編織護(hù)套受壓斷裂，且尖銳端刺破內(nèi)部絕緣層，與導(dǎo)線層短接，導(dǎo)致內(nèi)部絕緣層失效，同時(shí)內(nèi)部絕緣層表面存在明顯受到屏蔽層金屬編織護(hù)套擠壓的痕跡，如圖7所示。

圖7 擠壓試驗(yàn)后內(nèi)部絕緣層狀態(tài)

基于上述結(jié)論，整車碰撞試驗(yàn)后需要同時(shí)測(cè)量高壓線束正對(duì)負(fù)、正對(duì)地以及負(fù)對(duì)地之間的絕緣電阻，以明確高壓線束絕緣電阻滿足要求。

2.2 擠壓頭尺寸對(duì)高壓線束擠壓載荷的影響

在相同線束保護(hù)措施下，三種尺寸擠壓頭工況下50 mm2高壓線束絕緣失效所能承受的極限載荷，如表4所示。相同的線束組合下，以Φ=30 mm對(duì)應(yīng)高壓線束極限載荷為基礎(chǔ)，Φ=60 mm、Φ=120 mm工況下高壓線束極限載荷依次提高16%、65%。

表4 不同尺寸擠壓頭極限載荷對(duì)比

因此，在整車碰撞中，對(duì)于高壓線束的擠壓?jiǎn)栴}，需要基于擠壓零件的尺寸和位置，明確高壓線束的實(shí)際載荷工況，從而判斷高壓線束的絕緣失效風(fēng)險(xiǎn)，避免過(guò)設(shè)計(jì)或保護(hù)不足。

2.3 線束組合類型對(duì)高壓線束擠壓載荷的影響

基于新能源車輛法規(guī)以及耐久性要求，高壓線束實(shí)車狀態(tài)通常包裹波紋管，因此，以高壓線束包裹波紋管為基礎(chǔ)，在相同擠壓頭尺寸條件下，對(duì)比單根、兩根以及三根這三種線束組合的擠壓數(shù)據(jù)，如圖8所示。隨線束數(shù)量的增多，高壓線束整體極限載荷不斷增大，但并非倍數(shù)關(guān)系。相比于單根線束，兩根線束極限載荷增加 65%～70%，三根線束極限載荷增加約一倍。

圖8 不同高壓線束組合極限載荷

基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)整車碰撞中高壓線束擠壓?jiǎn)栴}，首先需要根據(jù)受擠壓位置實(shí)際高壓線束的組合類型確定高壓線束的極限載荷，并以高壓線束整體承受的擠壓力為基礎(chǔ)選取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.4 不同保護(hù)措施對(duì)高壓線束擠壓載荷的影響

對(duì)比單根高壓線束裸線、波紋管、尼龍袖套以及金屬護(hù)板等狀態(tài)下，高壓線束的極限載荷如表5所示。波紋管、尼龍袖套以及金屬護(hù)板均可以有效提升高壓線束的極限載荷，且極限載荷提升的效率依次為波紋管+金屬護(hù)板>波紋管+尼龍袖套>波紋管，波紋管材料為CD-DGA-DAA-OR；尼龍袖套材料為SB-D8D-ACB-BK；金屬護(hù)板材料為CR3；鈑金厚度為2.0 mm。

表5 不同保護(hù)措施極限載荷對(duì)比

以高壓線束包裹波紋管為基礎(chǔ)，波紋管+金屬護(hù)板保護(hù)措施有效提升極限載荷 50%～60%，較波紋管+尼龍袖套（提升約30%）效率更高。

對(duì)比兩根及三根高壓線束組合試驗(yàn)結(jié)果，如表6所示，金屬護(hù)板可有效提升高壓線束極限載荷約50%～60%。

表6 不同保護(hù)措施極限載荷對(duì)比

三根高壓線束組合包裹波紋管以及波紋管+金屬護(hù)板擠壓最大極限載荷時(shí)刻如圖9所示。

圖9 三根高壓線束組合擠壓工況

基于上述結(jié)論，可根據(jù)高壓線束所承受的極限載荷，基于成本以及布置空間等條件有效的選擇高壓線束保護(hù)措施。

3 結(jié)論

針對(duì)新能源車輛在碰撞工況下，高壓線束擠壓?jiǎn)栴}進(jìn)行研究，提出了一種便于測(cè)定高壓線束擠壓工況絕緣失效極限載荷的子系統(tǒng)試驗(yàn)方法，明確了高壓線束絕緣失效的原因，以及測(cè)定不同保護(hù)措施對(duì)于高壓線束絕緣失效極限載荷提高的有效性，并得到以下結(jié)論：

1）帶屏蔽層的高壓線束受到擠壓，通常為內(nèi)部絕緣層受到金屬屏蔽層擠壓首先破裂，導(dǎo)致高壓線束絕緣失效。

2）不同擠壓頭的高壓線束極限載荷存在差異。接觸面積越大，線束可承受的極限載荷越大；高壓線束數(shù)量增加，極限載荷增大，但并非倍數(shù)關(guān)系。

3）高壓線束不同保護(hù)措施對(duì)其極限載荷均有一定的改善，其中波紋管+金屬護(hù)板對(duì)極限載荷提升最為有效，但仍存在絕緣失效的情況，因此，優(yōu)化高壓線束路徑，避免其受到擠壓是保護(hù)高壓線束最有效的措施。

4）選取子系統(tǒng)試驗(yàn)絕緣失效極限載荷作為高壓線束的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并通過(guò)對(duì)比計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）輸出接觸力，確定高壓線束所需要采取的保護(hù)措施。

該研究方法對(duì)新能源汽車中其他規(guī)格的高壓線束以及油路管路等各種線路系統(tǒng)的相關(guān)保護(hù)研究同樣具有參考意義。