跌落工況中對新能源汽車安全性能的影響

李 春，王青貴，何 成，張向磊

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

1 背景

近年來能源資源不斷消耗，油價一直高漲，運輸產業的成本居高不下。人們不斷尋求能替代的能源。伴隨著環保意識的提高和鋰電池量產問題的解決，電動車環保節能的特性，成為大家關注和投資的焦點。截至2019 年新能源汽車銷量分別為120 萬輛和124 萬輛，連續十一年蟬聯全球第一[1-2]。新能源產業高速發展的同時也帶來了一系列問題，特別是電動汽車整車跌落的安全問題引起了社會各界的重視，了解其原因，并分析解決相關問題是目前新能源汽車發展過程中最重要的事情。

2 車輛通過性分析

2.1 路況速度調查

目前中國所有等級公路的施工都是基于《公路工程技術標準2014》執行。在實際建設時需要考慮公路縱斷面的設計。對于有坡度的路段，它不僅影響公路里程的長短、工程投資規模的大小，還會影響車輛的行車安全、公路的通行能力[3]。為將車輛行駛速度變動限制在一定范圍內，保證車輛能以一定的容許速度正常行駛，縱坡坡度在施工時會進行限制。而本文要討論的就是新能源汽車在縱坡行駛的工況是和道路坡度以及行駛速度相關的。

雖然有限速標識，但在實際路況中觀察到駕駛員在大多數的上坡路段中都有加速的行為。這個結論也與鄭柯博士在基于駕駛員心理生理反應研究中發現的一樣[4-5]。文章發現在低角度的上坡路段中駕駛員會采用加速的策略，原因如下：①低角度的上坡路段中駕駛員的視矩相對較遠，對駕駛員上坡加速的心理影響較小；②低角度坡度對汽車加速的阻力小，駕駛員容易加速；③生活節奏的加快以及對城市道路中交通道路的熟悉，造成駕駛員加速行駛的習慣。上述調查分析的結果，將為后續試驗的速度制定提供重要的參考依據。

2.2 工況分析

2.2.1 坡度陡

當汽車行駛在坡度很陡的路況時，汽車都采用低速爬坡的策略。因為汽車的額定功率對于一輛車子來說是固定不變的，根據P=FV可知，當汽車上坡時需要更大的驅動力F，所以當P不變而F變大時V只有變小。所以上大坡時用低檔位，可以提高發動機轉速，使發動機輸出的扭力提高，更容易爬坡。由于汽車速度較低并且駕駛員有足夠的反應時間，此時汽車不會發生跌落工況。

2.2.2 平緩地面

2.2.2.1 減速帶

減速帶一般設置在公路道口、工礦企業、學校、住宅小區人口等需要車輛減速慢行的路段和容易引發交通事故的路段，是用于降低機動車、非機動車行駛速度的新型交通專用安全設置。減速帶的工作原理是通過對駕駛人心理的影響，進而達到減速的目的。例如車輛快速行駛通過減速帶，劇烈的振動通過車身及座椅傳遞給駕駛員，劇烈的振動造成了垂直方向上加速的產生，給駕駛員強烈的生理和心理的刺激。這些刺激造成的強烈不舒服感以及不安全的疑慮，讓駕駛員對道路環境的變化更加敏感，給駕駛員更加不安全的感覺。正是這種感覺讓其不舒適度很大，行駛安全感變小，讓其通過減速的方式，達到乘坐舒適和行駛安全的期望值。所以在平緩地帶有減速帶的地方，駕駛員一般會降低行駛速度，對車身造成的加速沖擊較小。

2.2.2.2 平緩地帶有凸起

在交通條件良好的平緩路況中，駕駛員都會加速行駛。原因是駕駛員視距好，心理處于放松狀態。此時由于路面施工或其他因素導致平緩路段中時常會有凸出的地帶，駕駛員經過此路段時由于精神放松沒有注意到或是行駛速度較快反應緩慢，從而加速通過凸起地帶。此時懸架會發生壓縮和伸張，導致車輛顛簸，造成車身受到加速度沖擊。而較大的沖擊加速度會導致電池包內外發生損傷，產生直接或間接的安全風險。

2.2.3 凹坑地面

在有凹坑的地面行駛時，雖然駕駛員視距良好，但是很難第一時間發現凹坑。當經過凹坑速度較大時，劇烈的顛簸會對車身造成嚴重的沖擊，超過限度的撞擊也是有損傷的。比如輪轂的變形，減震的損傷，電池包安裝螺栓的松動等。這些損傷將會間接導致電池包發生損傷，產生安全風險。

3 損傷分析

3.1 懸架損傷

車輛正常行駛時不可避免受到不平路面的干擾。此時受到的沖擊一部分能量由輪胎吸收，另一部分能量由車身懸架吸收。汽車懸架系統包括車身、車架、車輪之間的一個連接結構。這個系統里面包含了避震器、彈簧、下控臂等部件。

目前大部分的車輛安裝了半主動懸架，以減少路面的擾動，提高駕駛舒適度。依據行駛工況，可以分為長波路面、短波路面、等級路面、離散沖擊路面等類型。長波路面代表的是連續起伏、頻率低，對車身振動較小的路面；短波路面是粗糙的平直路面，引起高于車身固有頻率的振動，并且此振動與車身結構息息相關；離散沖擊路面是指像減速帶、坍塌路面等路面工況，它的特點是激勵頻率高、作用時間短，而普遍設計的半主動懸架控制器存在參數固定，或參數調整時間過短的現象在離散沖擊下效果不理想。

本文所研究的路況屬于離散型沖擊路面。當快速行駛的車輛遇到離散型路況時，會造成整車的騰空，車頭向前俯仰，從而在下落時對整車的懸架造成嚴重沖擊。最有可能損傷的情況是支架-平衡懸架失效。在路況沖擊嚴重的情況下，支架受到沖擊載荷作用可能發生脆裂。發生的原因支架法蘭大都是鑄件內部存在內應力并且支架裝配到車架上安裝平面較大存在力矩。車輛在受到沖擊作用時邊梁的變形使螺栓松動，同時襯套的磨損，使得支架承受沖擊載荷和彎曲載荷，受到沖擊作用時導致斷裂。

3.2 跌落時導致電池包外部損傷

新能源汽車底部電池包從外部看一般由上箱蓋、下箱體、吊耳和高壓插接件組成。這些不同的部件起到不同的功用。例如下箱體是對電池和模組起到約束和容納的作用，對電池內部的可靠性運作提供了支撐。上箱蓋下部一般都有層密封膠能夠起到密封盒防水的功用，為汽車的使用安全提供了保證。電池包周圍的吊耳對箱體起到了固定作用，吊耳位置一般不定，且吊耳大小不一。

在車輛跌落過程中，車身與地面接觸時在X和Z方向產生比較大的沖擊加速度。這時由于電池包質量非常大，下落過程中會產生非常大的慣性，對電池包箱體吊耳造成很大沖擊，吊耳可能會發生變形、斷裂等嚴重情況。同時安裝在吊耳上的螺栓扭矩可能會松動，影響整個裝配體的固有頻率，從而產生安全隱患[6]。

3.3 跌落時導致電池包內部損傷

在電池包內部前壓桿以及螺栓部件緊壓著模組，對其上下方向起到穩定作用，放置其上下竄動。電池內架固定著電池模組，防止模組間在碰撞中前后運動，同時也支撐著整個電池內線路。

在跌落工況中可能對電池包內部造成的損傷有以下兩個方面：①電池單體極耳失效。電池單體通過串聯和并聯的方式組成了模組。單體之間的連接時通過銅片與極耳激光焊接而成，如果此時受到較大的沖擊加速度，將對電池單體正負極極耳造成威脅；如果極耳與銅片連接失效，會對電池單體外部造成短路，引發嚴重的安全隱患。②螺栓變形。由于單體電池的密度較大，電池包內部模組的質量亦是很大。在受到較大的沖擊作用下，模組及壓件在Z方向會向上前傾，過大的沖擊可能導致壓件上的部分螺栓發生形變或松動，嚴重時螺栓受到的拉力遠超其材料抗拉強度，導致斷裂情況發生，最終引發電池包起火[7-8]。

4 總結

車用動力電池包受到跌落沖擊導致內部短路失效是電動汽車整車事故中亟待研究的工況。動力電池包由于其布置在車身底部，導致其不可避免產生一系列間接安全問題。因此在電動汽車的開發與推廣應用過程中，開展車用動力電池包整車跌落的安全性研究，對于提高動力電池包內部防護安全和電動汽車的整車安全性具有重要意義和實用價值。