新能源車(chē)高壓線束的擠壓力學(xué)特性和仿真對(duì)標(biāo)研究

李鋼 馬凱 許偉 唐莉 王月

（吉利汽車(chē)研究院（寧波）有限公司）

為應(yīng)對(duì)日益突出的燃油供求矛盾和大氣污染問(wèn)題，國(guó)務(wù)院于2012年7月正式發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[1]，重點(diǎn)推進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化，因此新能源汽車(chē)獲得了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，作為關(guān)鍵零部件的高壓線束也得以大量應(yīng)用和迅速發(fā)展[2-3]。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，新能源汽車(chē)在碰撞安全中存在高壓電安全問(wèn)題，即高壓電氣系統(tǒng)存在潛在的觸電和短路起火的風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)包括高壓線束、動(dòng)力配電系統(tǒng)和充電系統(tǒng)。其中，高壓線束的絕緣失效問(wèn)題導(dǎo)致起火或者觸電風(fēng)險(xiǎn)在碰撞安全中尤為突出，因此，針對(duì)高壓線束在機(jī)械外載下的力學(xué)性能測(cè)試以及CAE仿真成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及各大主機(jī)廠的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

目前針對(duì)高壓線束力學(xué)性能以及失效性的研究較多[6-7]，但也存在一定的局限性：1）高壓線束類(lèi)型有多種，常見(jiàn)的包括單芯高壓線束和多芯高壓線束[8]，目前文獻(xiàn)研究主要集中在單芯高壓線束，較少開(kāi)展對(duì)多芯高壓線束的相關(guān)研究；2）汽車(chē)在發(fā)生正面碰撞時(shí)線束受力類(lèi)型大部分為擠壓，而文獻(xiàn)主要針對(duì)剪切和穿刺載荷工況進(jìn)行研究。針對(duì)上述不足，文章主要對(duì)單芯及多芯高壓線束在擠壓外載下的力學(xué)性能和仿真對(duì)標(biāo)進(jìn)行研究。文章設(shè)計(jì)了高壓線束的擠壓測(cè)試，基于測(cè)試結(jié)果進(jìn)行建模仿真分析對(duì)標(biāo)，從而總結(jié)出一套有效的高壓線束分析方法。

1 高壓線束簡(jiǎn)介

新能源汽車(chē)高壓線束是連接汽車(chē)能量源與動(dòng)力裝置的電氣通路，是高壓電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，為新能源汽車(chē)運(yùn)行的可靠性和安全性提供保障[2]。目前高壓線束已經(jīng)有成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)構(gòu)上可分為單芯和多芯線束[8]，一般乘用車(chē)所用的單芯線束用于連接電池包和高壓控制器，行業(yè)內(nèi)一般稱(chēng)為高壓母線；多芯線束用于連接高壓控制器和其它負(fù)載，行業(yè)內(nèi)一般稱(chēng)為高壓負(fù)載線，兩者結(jié)構(gòu)均由內(nèi)導(dǎo)體層、內(nèi)絕緣層、編織層和外絕緣層組成，區(qū)別在于內(nèi)導(dǎo)體層數(shù)量的不同。其中，導(dǎo)體層和編織層均是金屬層，可進(jìn)行導(dǎo)電，編織層又稱(chēng)為屏蔽層，主要用于電磁屏蔽和接地保護(hù)。

文章試驗(yàn)用的高壓線束均來(lái)自于某款新能源汽車(chē)，圖1示出單芯層高壓母線的截面尺寸圖，高壓母線外徑為14.1 mm，母線的最外層還有一層絕緣膠帶包裹，導(dǎo)體線芯由數(shù)簇銅導(dǎo)線束相互團(tuán)簇而成；圖2示出雙芯層高壓負(fù)載線的截面尺寸圖，高壓負(fù)載線的外徑為11.3 mm，內(nèi)部由2根銅導(dǎo)體組成，銅線芯直徑為2.8 mm，負(fù)載線的最外層也包裹一層絕緣膠帶。在截取高壓線束試樣過(guò)程中，為保證其切割面與長(zhǎng)度方向保持垂直，在高速切割前對(duì)試樣兩端進(jìn)行水平拉直并固定，保證各試樣長(zhǎng)度一致，同時(shí)切割過(guò)程中不斷沖水降溫，以防止切割溫度對(duì)線束性能產(chǎn)生影響。

圖1 高壓母線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 高壓負(fù)載線結(jié)構(gòu)示意圖

2 高壓線束擠壓試驗(yàn)

2.1 高壓線束擠壓試驗(yàn)介紹

擠壓試驗(yàn)在電伺服壓力機(jī)上進(jìn)行，采用直徑為100 mm的圓柱體壓頭。如圖3所示，試驗(yàn)前，高壓線束用絕緣膠帶固定在墊臺(tái)兩端，防止試驗(yàn)前松動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)采用等位移加載控制，在載荷小于0.5 kN時(shí)，設(shè)置預(yù)加載階段，速度為10 mm/min，當(dāng)載荷到達(dá)0.5 kN時(shí)，進(jìn)入正常試驗(yàn)加載階段，速度為1 mm/min，測(cè)量線束所受載荷隨加載位移的變化。

圖3 高壓線束擠壓測(cè)試

為了獲得高壓線束在擠壓過(guò)程中的絕緣失效時(shí)刻，采用電容充放電的原理通過(guò)電流傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)線束外接電路中電流的變化時(shí)刻來(lái)反映高壓線束絕緣失效的時(shí)刻。如圖4所示，2根導(dǎo)線分別連接高壓線束的銅線芯和編織層，當(dāng)金屬壓頭擠壓破壞內(nèi)絕緣層時(shí)，2根導(dǎo)線形成回路，電容放電同時(shí)傳感器收到信號(hào)。

圖4 擠壓試驗(yàn)帶電測(cè)試示意圖

2.2 高壓線束擠壓試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)分別對(duì)高壓母線和高壓負(fù)載線進(jìn)行了3次試驗(yàn)，得到擠壓時(shí)的載荷位移曲線，如圖5和圖6所示；表1示出高壓母線和高壓負(fù)載線擠壓試驗(yàn)過(guò)程中編織層和導(dǎo)體層接觸導(dǎo)致高壓線束失效的位移和載荷值。曲線表明線束的擠壓力隨著位移的增加而增加，但并不呈線性，且擠壓到一定值時(shí)電流傳感器監(jiān)測(cè)到電流，達(dá)到失效力。如圖7所示，試驗(yàn)后高壓線束的內(nèi)絕緣層已經(jīng)完全被破壞，編織層和導(dǎo)體層內(nèi)的銅導(dǎo)線已經(jīng)接觸，證明高壓線束在擠壓到一定程度時(shí)內(nèi)絕緣層會(huì)因破壞而失效，因此在新能源車(chē)型正面碰撞工況開(kāi)發(fā)中需有效避免高壓線束的嚴(yán)重?cái)D壓。

圖5 高壓母線的擠壓載荷位移曲線

圖6 高壓負(fù)載線的擠壓載荷位移曲線

表1 擠壓外載下高壓線束的失效力

圖7 高壓線束試驗(yàn)后照片

試驗(yàn)結(jié)果中高壓母線和高壓負(fù)載線的3組曲線并不完全重合，主要原因?yàn)椋?）試驗(yàn)前壓頭雖然盡可能接觸線束，但是由于線束本身的膨脹不均勻性，各組試驗(yàn)的壓頭高度不完全一致；2）線束內(nèi)部的絕緣層厚度在生產(chǎn)中很難做到均勻。總體而言，高壓線束的2組試驗(yàn)的一致性較好，線束的失效載荷和失效點(diǎn)位移基本一致，因此可基于這2組高壓線束擠壓試驗(yàn)對(duì)接下來(lái)將要?jiǎng)?chuàng)建的高壓線束有限元模型進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。

3 高壓線束仿真對(duì)標(biāo)

3.1 高壓線束仿真建模

采用LS-DYNA軟件對(duì)高壓線束進(jìn)行有限元分析。線束外絕緣層和內(nèi)絕緣層采用六面體殼（shell）單元，單元尺寸為1.2 mm，橡膠采用帶失效的材料模型，以方便觀察橡膠層在仿真中的破壞情況，并獲得線束失效點(diǎn)；線束編織層采用shell單元，單元尺寸為1.2 mm，材料為鋁銅合金，厚度為0.9 mm；高壓母線導(dǎo)體層采用六面體（solid）單元，單元尺寸為3.5 mm，材料為銅；高壓負(fù)載線導(dǎo)體層采用六面體實(shí)體（solid）單元，單元尺寸為2 mm，材料為銅。整體模型采用自接觸（*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE接觸），并依據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)建立相應(yīng)的邊界條件，得到高壓線束擠壓模型，如圖8所示。模型中約束線束左右兩端6個(gè)自由度，上端用一個(gè)直徑為100 mm的金屬圓柱體壓頭以1 mm/min的初始速度對(duì)高壓線束進(jìn)行擠壓，壓頭采用鋼體，六面體單元，單元尺寸為5.4 mm。

圖8 高壓線束擠壓有限元模型

3.2 高壓線束仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果

通過(guò)高壓母線和負(fù)載線的仿真分析分別得到載荷位移曲線，如圖9和圖10所示。曲線的擠壓力均隨著位移的增加而增加，和試驗(yàn)曲線基本一致。高壓母線在加載位移至8.58 mm時(shí)內(nèi)絕緣層基本呈失效狀態(tài)，此時(shí)加載力值為35.07 kN，接近試驗(yàn)的平均值33.42 kN；高壓負(fù)載線在位移至6.87 mm時(shí)內(nèi)絕緣層基本呈失效狀態(tài)，加載力值為28.44 kN，也接近試驗(yàn)的平均值26.40 kN。上述結(jié)果表明無(wú)論是擠壓載荷位移曲線變化趨勢(shì)還是失效的載荷值和位移值，仿真與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此該高壓線束擠壓仿真模型達(dá)到了較高的精度，滿(mǎn)足對(duì)標(biāo)要求。

圖9 高壓母線的擠壓載荷位移曲線

圖10 高壓負(fù)載線的擠壓載荷位移曲線

4 結(jié)論

文章詳細(xì)設(shè)計(jì)了高壓母線和高壓負(fù)載線的平面擠壓測(cè)試，觀察在平面擠壓外載下線束的載荷位移曲線，結(jié)果表明曲線的擠壓力隨著位移的增加而增加，當(dāng)擠壓到一定值時(shí)電流傳感器監(jiān)測(cè)到電流，達(dá)到失效力，此時(shí)內(nèi)絕緣層會(huì)因破壞而失效，導(dǎo)致編織層和導(dǎo)體層內(nèi)的銅導(dǎo)線接觸短路。文章根據(jù)擠壓試驗(yàn)結(jié)果，基于LS-DYNA的建模方法，對(duì)高壓母線和高壓負(fù)載線進(jìn)行對(duì)標(biāo)仿真分析，得到了較高精度的擠壓仿真模型。其中涉及的高壓線束的擠壓測(cè)試及仿真建模對(duì)標(biāo)方法對(duì)于高壓線束的測(cè)試及仿真研究均具有一定的借鑒意義，對(duì)新能源車(chē)型正面碰撞工況開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。