摘要：目前電動汽車的整車碰撞試驗主要從正面、側(cè)面和后面3個方向進行，對底部抗碰撞性能沒有相關(guān)的測試方法和標準。根據(jù)市場調(diào)查信息，介紹了一種負坎工況的測試方法，提出了一種可實現(xiàn)負坎高度可調(diào)、撞擊壁障位置可調(diào)的測試系統(tǒng)，用于對電池包底部抗碰撞能力研究，并通過測試復(fù)現(xiàn)了電池包在負坎過程中出現(xiàn)的塑性變形以及撞擊時的受力情況。同時也設(shè)計了一種非接觸式觸發(fā)系統(tǒng)，代替了傳統(tǒng)的接觸式觸發(fā)方式實現(xiàn)高壓電測量系統(tǒng)的觸發(fā)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的零時刻確定。
由于道路路況復(fù)雜，電動汽車的電池包通常布置于車輛底部。在實際的行駛過程中，電池包底部容易受到各種異物的沖擊，造成不同程度和多種形式的損傷。電池包結(jié)構(gòu)受損，正負電極容易短路并引起內(nèi)部溫度急劇升高，最終致使電池自燃[1]。車輛電池包底部損傷主要有水平撞擊、翻轉(zhuǎn)撞擊和負坎工況3種形式。水平撞擊主要發(fā)生在平坦路面上，車輛行駛過程中電池包底部被在豎直方向存在高差的固定物體撞擊;翻轉(zhuǎn)撞擊主要發(fā)生在平坦路面，車輛行駛過程中電池包底部被在豎直方向存在高差的非固定物體撞擊，撞擊過程中該物體出現(xiàn)運動;負坎工況主要發(fā)生車輛行駛過程中路面存在明顯高差，車輛底部前端的副車架等車體結(jié)構(gòu)容易避開障礙物，使電池包底部直接與障礙物撞擊，造成電池包底部嚴重損傷。根據(jù)調(diào)查分析，售后調(diào)查的電池包的損傷場景發(fā)生在負坎工況。
1、 負坎試驗測試系統(tǒng)設(shè)計
負坎試驗測試系統(tǒng)主要有跑道系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)、燈光攝像系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)。其中牽引系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)和燈光攝像系統(tǒng)在市場上已有成熟的測試設(shè)備，但跑道系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)需要單獨進行設(shè)計。
1.1 跑道臺架設(shè)計
1.1.1 試驗跑道
如圖1所示，跑道主要由斜坡、高臺階跑道、低臺階跑道和沖擊壁障4個部分組成。斜坡主要目的是保證車輛順利運行至高臺階跑道上面。為了保證力墻傳感器和沖擊壁障的安裝，將跑道進行了抬高設(shè)計，高臺階跑道離地高度330 mm，長度需保證車輛前后輪從斜坡上來后均在其上方運行。車輛行駛上高臺階跑道后須保證一個車位運行距離，結(jié)合車型軸距，高臺階跑道長度設(shè)計為6 m。
圖1 負坎試驗跑道設(shè)計
為減小斜坡對加速度分量的影響，計算跑道斜坡角度控制在6°以下，最后推算斜坡長度約3 m。低臺階跑道的高度可調(diào)，以實現(xiàn)車輛負坎高度的調(diào)節(jié)，同時也避免車輛從高臺階跑道下落時直接撞擊試驗地面，造成試驗場地損壞。此次試驗的低臺階跑道高度為110 mm。因此該試驗方案的負坎高度為220 mm。整個試驗過程中，利用實車碰撞試驗的牽引系統(tǒng)驅(qū)動試驗車輛運行，從斜坡運行至高臺階跑道上并繼續(xù)向前運行。當(dāng)車輛從高臺階跑道開始跌落時，牽引系統(tǒng)與試驗車輛分離。車輛從高臺階跑道跌落過程中，電池包底部與撞擊壁障發(fā)生接觸沖擊。
1.1.2 撞擊壁障設(shè)計
行駛過程中的車輛具有很大的動能，當(dāng)汽車底部的電池包與地面異物碰撞時，其動能將導(dǎo)致接觸區(qū)材料快速進入塑性狀態(tài)，極大影響電池包的安全性。汽車電池包與道路異物撞擊時具有很多非線性表現(xiàn)，這些非線性表現(xiàn)由車輛的運動狀態(tài)、道路異物的幾何形狀等不確定因素所決定，因此汽車電池包和道路異物的碰撞問題比較復(fù)雜[2-3]。
為了簡化模型，提高試驗結(jié)果的可對比性以及試驗過程的安全性，在車輛負坎試驗中，設(shè)計如表1所示的壁障尺寸，模擬負坎時的面面接觸形式，撞擊壁障如圖2所示。
表1 壁障尺寸
圖2 撞擊壁障
1.1.3 撞擊壁障安裝位置的確定
如圖3所示，撞擊壁障中心線X方向距離高臺階跑道30 mm，壁障高度距離地面430 mm，即高出高臺階跑道100 mm。
圖3 撞擊壁障X方向布置位置
如圖4所示，撞擊壁障中心線Y向距離車輛縱向中心線40 mm。
圖4 撞擊壁障Y方向布置位置
1.2 觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計
傳統(tǒng)觸發(fā)是通過帶狀開關(guān)撞擊實現(xiàn)數(shù)采系統(tǒng)的觸發(fā)。但在負坎試驗中通過帶狀開關(guān)觸發(fā)會影響撞擊壁障和車輛的重疊量，同時對電池包底部撞擊點的損傷程度也有一定影響。因此根據(jù)數(shù)采系統(tǒng)觸發(fā)原理，設(shè)計了非接觸式的紅外觸發(fā)系統(tǒng)，如圖5所示。紅外觸發(fā)系統(tǒng)的信號處理模塊根據(jù)紅外線激光的變化進行信號處理，然后通過繼電器模塊產(chǎn)生高低電平信號，實現(xiàn)高壓電測量系統(tǒng)觸發(fā)。同時，可以根據(jù)觸發(fā)時刻確認數(shù)采系統(tǒng)零時刻。
圖5 紅外觸發(fā)系統(tǒng)
1.3 負坎試驗速度確定
負坎工況的電池包底部剮蹭主要出現(xiàn)在車輛低速行駛過程中，同時如果速度過快車輛將可能由于慣性從壁障上方飛過從而不能與壁障發(fā)生接觸。結(jié)合負坎高度和壁障高度，經(jīng)過分析調(diào)試確認此次負坎試驗速度設(shè)定為20 km/h。車輛通過牽引系統(tǒng)加速，在高臺階跑道上速度達到20 km/h后跌落，復(fù)現(xiàn)負坎工況。
2、 負坎試驗及電池包底部損傷分析
試驗后底部損傷照片,如圖6所示。
圖6 試驗后底部損傷照片
在負坎試驗工況下，呈現(xiàn)面面接觸形式。電池包與壁障接觸面積較大，集中載荷較小，底部沒有被壁障擊穿，接觸區(qū)域出現(xiàn)隆起和較大面積變形。電池包底部在與撞擊壁障主要呈現(xiàn)塑性變形。試驗過程中，電池包未出現(xiàn)開裂或者擊穿。壁障Z方向力最大值為25 300 N，X方向力最大值為4 093 N。撞擊壁障Z方向力如圖7所示。
圖7 撞擊壁障Z方向力
3、 結(jié)論
本文介紹了一種用于檢測電池包底部防護性能的負坎試驗方法，設(shè)計的壁障以及撞擊壁障可以在X、Y、Z 3個方向可調(diào)，以滿足轎車和SUV車輛的不同重疊量測試需求，用于復(fù)現(xiàn)實際場景中電池包的損傷情況，也可以用于驗證汽車電池包在負坎工況中的抗沖擊性能。同時也設(shè)計了一種非接觸式觸發(fā)系統(tǒng)，代替了傳統(tǒng)的接觸式觸發(fā)方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)和高壓電的零時刻確定。
電池包底部損傷過程復(fù)雜，主要有塑性變形、開裂和擊穿等失效模式。試驗主要復(fù)現(xiàn)了電池包的塑性變形，未能復(fù)現(xiàn)電池包的開裂和擊穿等失效模式，后期可以調(diào)整壁障形式實現(xiàn)在負坎工況中，對電池包損傷進行更深的損傷研究。
參考文獻：
[1] 劉峰凱. 插電式混合動力車用鋰電池碰撞安全性能研究[D]. 重慶: 重慶理工大學(xué),2019.
[2] 沈汭宏. 汽車電池包底部異物碰撞損傷分析[D]. 廣州: 華南理工大學(xué),2020.
[3] 電動汽車用電池系統(tǒng)底部抗沖擊性能試驗方法[EB/OL].[2021-08-18].https://max.book118.com/html/2021/0816/6044012122003232.shtm.
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