針對某純電動車型的電安全保護開發

欒天 歐陽俊 劉宗華 肖一淵 曾繁波

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

新能源汽車不但可以解決能源緊缺的問題，還可以大大減少環境污染，倍受國家關注。但動力電池安全性能開發尚未成熟，在發生碰撞時需要車體結構對電池包提供足夠的保護，對車身的結構強度提出了更高的要求。純電動車型較傳統車型減少了發動機，增加了前端吸能空間，但同時也帶來了新的挑戰，需要考慮新增高壓部件的布置問題，在發生交通事故時，需要有比較堅硬的結構對其進行保護，防止其出現短路、起火現象。由于動力電池大多布置在車體中間，正面碰撞工況中車體前端鈑金變形后無法直接擠壓動力電池。但高壓線束等高壓部件一般布置在前機艙，與車體的大變形區域距離較近，需要有足夠堅硬的結構對其進行特殊保護；側面碰撞中壁障與動力電池距離較近，特別是側面柱碰，一般會引起車體側面鈑金的大幅度變形，直接擠壓電池包，需要優化車體側面結構的變形模式；車體發生追尾碰撞時，由于后副車架等結構與電池包布置位置較近，碰撞過程中后縱梁變形較大，對后副車架進行擠壓，從而對電池包后端進行沖擊，需要對車體后端的變形進行控制，充分考慮副車架的布置形式。

1 車體正面結構優化

1.1 高壓線束破損問題描述

動力電池布置在車體中間，距離前端較遠，正面碰撞過程中電池包未受擠壓，保存完好；高壓線束布置在前機艙，正面碰撞中前縱梁發生彎折后，電機受到擠壓相對于車體向后運動，冷卻風扇被擠壓后向后運動；電機前端高壓線束被電機棱邊擠壓后破損，如圖1 所示；電源分配單元（PDU）前端高壓線束被冷卻風扇擠壓后破損，并產生電火花，對乘員安全產生嚴重威脅，如圖2所示。

圖1 某純電動車電機前端高壓線束破損

圖2 某純電動車電源分配單元前端高壓線束破損

1.2 高壓線束破損改進策略

電機棱邊強度較大，在碰撞中一般視為剛體，只加強高壓線束無法滿足保護要求，需要將高壓線束移動到相對空間較大的位置，同時在被擠壓側高壓線束附近增加保護支架，并進行局部包覆，保護支架在吸收能量[1-2]的同時可以防止電機棱邊直接切割高壓線束，起到了一定的緩沖作用；風扇棱邊雖然鋒利但強度較弱，針對風扇棱邊擠壓PDU 前段高壓線束的問題，只需要在擠壓側局部增加保護套即可，如圖3 所示。

圖3 某純電動車高壓線束擠壓側增加保護裝置

1.3 車體正面碰撞仿真分析

對高壓線束保護支架和保護套進行仿真建模，并連接入車體的有限元模型，提交服務器進行驗算。仿真結果顯示，被擠壓側高壓線束塑性應變約為2%，不存在破損風險，如圖4 所示。

圖4 某純電動車高壓線束塑性應變

1.4 車體正面碰撞試驗驗證

增加50 km 全正碰和64 km 偏置碰撞進行試驗驗證，試驗后高壓線束無破損，如圖5 所示。

圖5 車體正面碰撞試驗后高壓線束無破損

2 車體側面結構優化

2.1 電池包破損問題描述

50 km/h 側面碰撞試驗中，壁障與車體接觸位置遠離動力電池和高壓線束，碰撞后動力電池和高壓線束無破損，滿足電安全保護要求；32 km/h 側面柱碰工況中，被撞側車體側面結構變形嚴重，前排座椅后橫梁發生彎折后擠壓前地板，導致鈑金撕裂，露出鋒利邊，刺破電池包殼體，裸露的鈑金侵入模組內部，存在短路起火風險，如圖6 所示。

圖6 電池包殼體破損

2.2 電池包破損改進策略

對前排座椅后橫梁形狀進行改進，局部切割鋒利邊，在彎折位置增加補強件，通過拓撲優化的方法使得結構中構件布局和節點連接方式達到最優化，使得結構在滿足位移、應力等約束條件下，能夠將外載荷傳遞到結構支撐位置，并且使結構的相應性能和指標達到最優[3-4]，最終得到的部件形狀，如圖7 所示。

圖7 某純電動車座椅橫梁增加補強件

2.3 車體側面柱碰仿真分析

增加補強件后，把原來的線面接觸變為面面接觸，大大降低了底部局部的塑性變形，保證了前地板的完整性，避免在碰撞過程中座椅橫梁棱邊直接與前地板接觸，刺破前地板，從而保護電池包不被刺破，如圖8所示。

圖8 車體側面柱碰試驗前后地板塑性應變對比

2.4 車體側面柱碰試驗驗證

增加32 km/h 側面柱碰工況試驗，試驗后電池包附近鈑金未出現破損，電池包和高壓線束保持完整，滿足電安全保護要求，如圖9 所示。

圖9 車體側面柱碰試驗后結構變形

3 車體后面結構優化

3.1 電池包破損問題描述

80 km/h 后碰工況中，由于后縱梁變形較大，帶動后副車架擠壓動力電池后端，電池包殼體出現破損，模組存在短路、起火風險，如圖10 所示。

圖10 某純電動車電池包后端破損

3.2 車體后縱梁改進策略

對車體后縱梁根部進行改進，結合分析試驗法與有限元方法之間的關聯性[5]，進行多次仿真分析計算，在后縱梁根部增加補強件，通過拓撲優化的方法優化出最優結構[6-7]，周圍用點焊的形式進行連接；同時提升后縱梁加強件的厚度，由1.2 mm 提升到1.5 mm，左右對稱，如圖11 所示。

圖11 某純電動車后縱梁根部改進方案

3.3 車體后面碰撞仿真分析

增加補強件減小了后縱梁后端的變形，減緩了副車架擠壓電池包殼體的強度。仿真結果顯示，擠壓區域塑性應變大部分在2%左右，破裂風險較小，滿足電安全保護要求，如圖12 所示。

圖12 車體后面碰撞后端變形仿真分析

3.4 車體后面碰撞試驗驗證

增加80 km/h 后面碰撞工況試驗，試驗后車體后縱梁變形較小，電池包后端無破損，如圖13 所示。

圖13 車體后面碰撞試驗后車體后端變形

4 結論

1）純電動車型車體前端結構在碰撞過程中除了要滿足吸能要求，還需保證足夠的剛度，對布置在前端的高壓部件進行有效保護，如仍無法滿足保護要求，可以考慮額外增加保護套和保護支架的方法。

2）車體發生側面碰撞時，由于車體側面吸能空間較少，一般會發生較大變形，并伴隨著焊點的開焊和鈑金的撕裂，鋒利的棱邊一般會對電池包形成較大威脅，需要將線對面的接觸轉化為面對面的接觸，避免刺破電池包引起模組的短路、起火。

3）針對追尾工況，傳統50 km/h 國標工況無法滿足目前新能源車型的電安全保護要求，需要考慮更加嚴苛的80 km/h 后碰，對后縱梁的強度提出了更高的要求，增加補強板是一個不錯的選擇。

4）目前大多數動力供應商提供的動力電池的安全性能要求無法滿足真實交通事故中的嚴苛工況，需要車身鈑金付出較大的代價去抵抗大變形對電池包的沖擊；電池包本體也需要增加強度，這樣不但可以大大減輕整車質量，還可以減少工藝制造的難度。

5）控制高壓斷電的電子裝置通常在收到斷電指令后需要800 ms 左右才能完全切斷高壓電，如果能減小600 ms 左右的反應時間，可以大大提高碰撞工況中的電安全保護性能。