新能源汽車碰撞高壓線束碰撞安全判定

【Abstract】Thisarticleaddresses the issue ofinsuficientresearchonthesafetyof high-voltage wiring harnesses in collsion scenariosof new energyvehiclesandproposesasafetydetermination methodthatintegratesmulti-scaletestsand simulationanalysis.Firstly，bylayer-by-layeranalysisofthemechanicalpropertiesofhigh-voltagewireharness materials，a twocomponent equivalentfiniteelementmodelisestablished;secondly，adedicated extrusion testingdevice is designed totestthewireharnessesprotectedbycorugated tubesandanti-cuting cloth.Finally，bycomparingthe vehicle collision simulation and test thresholds，a criterion system with a 10% safety margin was established to provide a reference for the safety design of high-voltagewiring harnesses.

【Keywords】new energy vehicles；high-voltage wiring harness；colision safety；judgment method；finite elementsimulation

0 引言

隨著全球能源結構轉型，新能源汽車產業快速增長，其高壓電氣系統安全性備受關注。車輛碰撞時，高壓線束結構完整性關乎整車電氣安全及乘員防護。現有研究多聚焦高壓線束的靜態擠壓力學性能，對碰撞中因車身結構件擠壓導致絕緣層破損引發的次生災害研究不足。然而相關研究未涉及動態碰撞中高壓線束安全性判定準則，或僅對設計布局等提出建議。為此，本研究提出融合多尺度試驗與仿真分析的復合型安全判定方法。

1高壓線束材料本構特性

本文研究的高壓線束分層拆解如圖1所示，線束外徑 13.82mm ，從內至外依次為銅芯導電層（直徑9.8mm ）、交聯皮層（厚度 1.5mm 、屏蔽層（厚度

0.7mm ）、隔離層（厚度 0.02mm 和硅膠皮層（厚度1.8mm ）。其中，銅芯導電層由銅絲纏繞而成，用于傳遞電流；交聯皮層為橡膠材料，用于隔離電流；屏蔽層由鍍錫銅絲編織而成，通過網狀結構實現電磁屏蔽，同時兼顧柔韌性和環境適應性；隔離層為一層鋁箔包裹；硅膠皮層采用橡膠材料，主要用于保護整個高壓線束。

根據圖1，對各層的材料特性進行力學性能測試。

圖1高壓線束分層拆解

其中，隔離層由于厚度太薄，暫時對其忽略。銅芯導線棒材靜態拉伸測試，制作直徑 1.3mm 長度 200mm 的銅芯棒材，在MTS靜態拉伸機上測得其規定塑性延伸強度為 198.83MPa ，最大力為375.8N，抗拉強度為283.1MPa ，拉伸模量為 22819.23MPa 。交聯皮層靜態拉伸測試，制作執行標準為GB/T528—2009啞鈴狀試樣，窄平行段寬度 40mm ，試驗部分厚度 1.5mm ，初始標距 77mm ，靜態拉伸測得其最大力為373.75N，斷裂力為291.82N，拉伸強度為 10.53MPa ，斷后延伸率為105% 。屏蔽層靜態拉伸測試，制作執行標準為GB/T528—2009啞鈴狀試樣，窄平行段寬度 10mm ，試驗部分厚度 0.7mm ，初始標距 57mm ，靜態拉伸測得其最大力為484.22N，斷裂力為6.53N，拉伸強度為61.76MPa ，斷后延伸率為 12.6% 。硅膠皮層靜態拉伸測試，制作執行標準為GB/T528—2009啞鈴狀試樣，窄平行段寬度 44mm ，試驗部分厚度 1.3mm ，初始標距67mm ，靜態拉伸測得其最大力為179.42N，斷裂力為114.61N，拉伸強度為 5.26MPa ，斷后延伸率為 409% 。建立與4個拉伸測試一一對應的有限元仿真模型，并用LS-DYNA求解獲得力-變形曲線和應力-位移曲線，用于標定高壓線束材料本構模型計算機輔助工程（ComputerAided Engineering，CAE）卡片。

本文所設置的高壓線束CAE參數求解得到的力學性能與實物測試相似度高，為整車碰撞環境下高壓線束雙組分等效有限元模型可靠性建立了基礎。

2高壓線束組件力學響應

2.1高壓線束組件擠壓測試裝置設計

為了更準確地物理模擬高壓線束在整車碰撞環境中的受擠壓情況，需要對高壓線束組件擠壓測試裝置進行特定設計。

1）整車碰撞有限元模擬計算。為了更全面地考察前機艙內高壓線束受擠壓情況，本文分別對全寬柱碰撞（FullWidthCrashintoaPole，FCP）43kPh中心柱碰、正面剛性壁障（FrontalRigidBarrier，FRB） 56kPh 正面碰撞、偏置可變形壁障（OffsetDeformableBarrier，OD B）64kPh40% 偏置碰撞工況進行了仿真計算，高壓線束采用雙組份等效有限元建模方式，材料參數依據本文第1部分的材料本構特性進行設置。

2）提取高壓線束受擠壓面積。從仿真計算結果中觀察高壓線束是否受擠壓，若受擠壓在碰撞后模型中測量其受擠壓面積，3個高速碰撞工況仿真計算后，2根高壓線束受擠壓最大面積分別為 2.025cm² 和2.43cm² 。

3）根據擠壓面積，設計厚度 20mm 的棱邊沖頭，用于對高壓線束組件進行靜態擠壓。

2.2 高壓線束組件分類及其擠壓測試

本文研究了兩種主流防護方案的高壓線束組件力學性能，包含波紋管防護和防割布防護。波紋管主要采用尼龍PA6、聚丙烯PP或聚苯乙烯等材料，具有耐高溫、抗機械沖擊性強等特點；防割布是指包裹在高壓線束外面的一層，其材料以布基膠帶（纖維布基）為主，耐溫性和防護強度較波紋管更弱，但安裝靈活，可有效減少線束振動噪聲，成本也具備一定優勢。

擠壓測試結果顯示，高壓線束組件經棱邊沖頭擠壓，其力-位移曲線呈單調上升趨勢，其中，波紋管防護套高壓線束最大耐擠壓力為 21.77kN@20.6mm 且包覆層未破損；防割布防護套高壓線束最大耐擠壓力為24.94kN@14.1mm ，包覆層發生輕度破損。這也充分印證了波紋管比防割布抗機械沖擊能力更強。

3整車碰撞環境高壓線束安全判定

3.1 判定準則

將整車碰撞環境下的高壓線束擠壓力仿真值與高壓線束組件實物擠壓測試結果進行對比，若 F_igual×90% ，則判定該高壓線束在整車環境下是安全的；若 ，則判定該高壓線束在整車環境下不安全，此時，需要通過調整高壓線束布置位置、增加線束卡夾、增加防撞擋板等方法來更可靠地保護高壓線束。

3.2 判定實例

以 ODB64kPh40% 偏置碰撞工況為例。前機艙內真空助力泵與變速器之間的高壓線束仿真受力云圖如圖2a所示，兩根高壓線束分別面臨來自真空助力泵底腳擠壓的風險。圖2b顯示，兩根線束擠壓力最大值分別為8.7kN和 10.6kN 。

圖2高壓線束位置與擠壓仿真圖

在 ODB64kPh40% 偏置碰撞工況下，高壓線束安全性判定結果實例見表1。接受的標準是2.2章節高壓線束實物擠壓測試值。若采用波紋管防護高壓線束設計，則接受標準為仿真擠壓力值不大于 21.77× 90% ，即 19.59kN 。若采用防割布防護高壓線束設計，則接受標準為仿真擠壓力值不大于 24.94×90% ，即22.46kN 。同時在整車仿真計算結果中查看高壓線束是否存在 14.1mm 的生存空間。

表1高壓線束安全性判定結果實例

4結論

針對新能源汽車高壓線束碰撞安全性問題，本文提出試驗與仿真聯動的安全判定方法，揭示其動態擠壓失效機理及防護優化路徑，結論如下所述。

1）通過分層解析高壓線束材料力學特性，建立了面向整車高速碰撞環境的雙組份等效有限元模型，實現了高壓線束受擠壓面積的定量化表征。

2）基于此設計開發的專用靜態擠壓棱邊壓痕試驗裝置，對波紋管與防割布兩類典型防護結構的高壓線束進行測試，結果表明兩者最大耐擠壓載荷（ F_max1 與 F_max2） 均超過20kN，驗證了現有防護方案的基準承載能力。

3）進一步通過對比整車碰撞仿真中高壓線束擠壓力曲線與試驗閾值，建立了包含 10% 安全裕度的判據體系：若仿真最大值低于 F_maxl/F_max2 且余量 ?10% ，則線束安全性達標；反之需通過增設線束夾、防護擋板等結構優化方案提升防護效能。

4）本研究創新性地將材料級試驗數據與系統級碰撞仿真深度融合，形成可量化的安全評價標準，為新能源汽車高壓線束的碰撞安全設計、防護結構選型及行業測試規范制定提供了技術支撐與工程實踐參考。

本文所研究的新能源汽車高壓線束碰撞安全性判定方案同樣適用于所有汽車碰撞低壓（12V供電系統）線束安全性評價。

參考文獻

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（編輯林子衿）