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電動汽車整車碰撞試驗絕緣電阻課題分析研究

2020-12-14 22:19:01·  來源：電動學(xué)堂  
　
文章來源：東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心引言電動汽車的車載可充電儲能系統(tǒng)(REESS)是車輛動力輸入系統(tǒng),其電壓多為350V以上的高壓電,電動汽車的絕
文章來源：東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心
 
引言
電動汽車的車載可充電儲能系統(tǒng)(REESS)是車輛動力輸入系統(tǒng),其電壓多為350V以上的高壓電,電動汽車的絕緣電阻是防止電壓泄漏的一道安全屏障?在碰撞事故中,強(qiáng)電系統(tǒng)的絕緣電阻性能損壞會對駕乘人員的安全造成較大的安全隱患?
本文介紹了絕緣電阻失效的安全風(fēng)險,建立了電動汽車開發(fā)過程中的絕緣電阻測量評價方法,結(jié)合某車型絕緣電阻失效課題的解析和對策方案,有助于提升電動汽車開發(fā)過程中課題解析效率和準(zhǔn)確度,同時也對電動汽車安全性能提升有一定的參考意義?
 
1電動汽車電安全風(fēng)險介紹
1.1電動汽車碰撞試驗電安全風(fēng)險
高壓系統(tǒng)主要包含REESS系統(tǒng)?電源分配模塊(PDM)?逆變器?空調(diào)壓縮機(jī)?電機(jī)?加熱器(PTC),以及連接的高壓線束?
高壓系統(tǒng)在整車碰撞試驗中的安全風(fēng)險主要體現(xiàn)為三種形式(表1):
第一,部品接頭破損或脫離,碰撞過程中由于前艙變形導(dǎo)致高壓部品受到擠壓沖擊,高壓線束接頭破損或者脫離,使高壓線束的銅芯裸露;
第二,部品本體損傷,碰撞過程中高壓部品受到較大的碰撞加速度,或與車輛其他部品發(fā)生碰撞,高壓部品本體會發(fā)生變形或破損,容易造成內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的短路風(fēng)險;
第三,REESS系統(tǒng)的破損或短路,REESS系統(tǒng)為車輛提供動力,電池模組一般由鋰電池組成,若碰撞中同尖銳部件發(fā)生接觸,容易破壞REESS系統(tǒng),刺穿電池模組,導(dǎo)致REESS系統(tǒng)發(fā)生短路?起火?
 
1.2電動汽車絕緣電阻失效風(fēng)險
整車碰撞試驗的安全風(fēng)險易造成高壓系統(tǒng)絕緣電阻性能的失效?車輛使用過程中絕緣電阻性能破壞,如不規(guī)范接觸車輛時,易造成電壓泄漏,進(jìn)而造成觸電風(fēng)險?
人體正常狀態(tài)下的電阻約為3000Ω,若在濕潤狀態(tài)下則降低至1000Ω;接觸高電壓時身體內(nèi)會有電流經(jīng)過,人體觸電受傷主要是電流對身體造成損傷,如全身抽搐?昏厥?活組織燙傷?呼吸停止?死亡等,具體見表2?
 
人體接觸70mA電流時,身體會產(chǎn)生痛苦沖擊,此時電流值為脫離界限值?在濕潤狀態(tài)下觸電應(yīng)小于70V,即
U=IR=0.07*103=70V      (1)
2絕緣電阻評價方法
2.1國內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)評價
新能源汽車的國家法規(guī)主要有GB/T31498—2015《電動汽車碰撞后安全要求》?GB/T18384—2015《電動汽車安全要求》等,《C-NACP管理規(guī)則》2018年版和《C-IASI中國汽車安全指數(shù)管理辦法》2017版中也增加了對電動汽車的評價內(nèi)容?電動汽車安全評價中,規(guī)定了絕緣電阻的評價要求和條件?
絕緣電阻評價分為電力系統(tǒng)負(fù)載端和REESS系統(tǒng)端兩部分,直流高壓母線與電平臺之間絕緣電阻最小值應(yīng)為100Ω/V,交流高壓母線與電平臺之間絕緣電阻值最小應(yīng)為500Ω/V?
目前國內(nèi)各機(jī)構(gòu)對電動汽車絕緣電阻的評價,采用在電動汽車強(qiáng)電系統(tǒng)回路中外接引線方式,在碰撞試驗前后測量高壓母線正負(fù)極分別對地的絕緣電阻,并且試驗后測量REESS系統(tǒng)端絕緣電阻?此方法檢測開發(fā)完成的車輛具有高效性,也可發(fā)現(xiàn)車輛是否滿足絕緣電阻的安全要求?
若試驗后車輛出現(xiàn)絕緣電阻未滿足評價要求時,則無法精確判定問題發(fā)生的位置?
2.2碰撞試驗絕緣電阻評價內(nèi)容和方法
整車碰撞試驗是驗證電動汽車開發(fā)階段高壓系統(tǒng)安全性能的一種方式,通過獲知試驗中各高壓部品和線束的狀態(tài),進(jìn)而判定其安全性能是否滿足設(shè)計要求?試驗評價主要分為以下兩個部分:高壓部品耐沖擊性能評價?高壓系統(tǒng)絕緣電阻測量評價?
2.2.1高壓部品耐沖擊性能評價
高壓部品需滿足耐沖擊性能要求,單品耐沖擊性能作為其中一項非常重要的評價指標(biāo)?正碰和后碰試驗需重點關(guān)注高壓部品在X方向的耐沖擊性能,側(cè)碰試驗需重點關(guān)注高壓部品在Y方向的耐沖擊性能?
電動汽車整車碰撞前,電動汽車的高壓部品需要實施單品的耐沖擊試驗,即在一定時間內(nèi)對高壓部品按特定波形施加加速度沖擊曲線,驗證高壓部品的安全性能,具體如圖1所示?在碰撞過程中,高壓部品的耐沖擊性能主要體現(xiàn)在特定時間內(nèi)其承受加速度的能力,高壓部品承受的加速度大小和作用時間直接影響其耐沖擊性能,具體計算方法為
 
式中,a是碰撞過程中高壓部品加速度(g);t是采樣時間(ms)?
 
2.2.2高壓系統(tǒng)絕緣電阻測量評價
電動汽車的高壓系統(tǒng)布置圍繞PDM為中心,高壓部品通過PDM進(jìn)行布置和連接,電動汽車高壓系統(tǒng)連接圖如圖2所示?車輛前艙在拆解過程中應(yīng)遵循從前向后?從上到下?以PDM為中心的原則,拆解一個高壓部品或者高壓線束前后都應(yīng)對動力負(fù)載端的絕緣電阻進(jìn)行測量,拆解后的高壓部品和高壓線束也應(yīng)進(jìn)行絕緣電阻的測量,再次確認(rèn)其絕緣性能?通過兆歐表對高壓系統(tǒng)回路和部品的正負(fù)極與電平臺之間輸入特定值的電壓,測量其絕緣電阻值?
在車輛拆解過程中應(yīng)對PDM連接的高壓部品進(jìn)行逐個拆解,這樣可以避免多個高壓部品同時拆解破壞試驗后的車輛狀態(tài),進(jìn)而影響對絕緣電阻的判定?
 
3電動汽車絕緣電阻課題解析方法
某EV車型開發(fā)中,正碰試驗后檢測到動力負(fù)載端高壓母線正極和負(fù)極對地絕緣電阻分別為28Ω/V和0Ω/V,均未滿足國標(biāo)規(guī)定的>100Ω/V的要求?
3.1FTA分析
基于此現(xiàn)狀,在課題解析前對其進(jìn)行詳細(xì)的梳理,采用故障樹分析(FTA)梳理出課題的影響因素并加以匯總?從車輛狀態(tài)?測量方法?計測設(shè)備?高壓部品和高壓線束等方面進(jìn)行初步分析,明確了高壓部品和高壓線束為課題的要因,如圖3所示?
 
通過試驗采集的高壓部品加速度數(shù)據(jù)如圖4所示,按照式(2)將其轉(zhuǎn)化為耐沖擊性能評價指標(biāo)參數(shù),結(jié)果顯示車輛高壓部品的耐沖擊性能滿足設(shè)計目標(biāo)要求,見表3?試驗后對各高壓部品進(jìn)行拆解確認(rèn),高壓部品完好且無破損,故排除高壓部品耐沖擊特性導(dǎo)致車輛絕緣電阻不合格的要因?
 
 
3.2原因分析
車輛逐步拆解后可明確絕緣電阻課題發(fā)生部位,如涉及高壓線束絕緣電阻課題,一般會出現(xiàn)線束被擠壓?剪切或者破損?課題解析過程中需根據(jù)現(xiàn)象探究課題深層次的原因,例如車輛的變形模式?部品的自身缺陷等?
基于FTA分析明確了課題產(chǎn)生部位,在車輛拆解后發(fā)現(xiàn)高壓線束存在兩處破損,高壓線束被切斷和擠壓破損?第一處線束破損為車輛右側(cè)端PTC和COMP高壓線束被線束安裝支架切割,導(dǎo)致線束被切斷,線束的銅芯與安裝支架搭接,破壞了高壓線束正極和負(fù)極同車身地之間的絕緣性能,如圖5所示?由于PTC和COMP插頭端線束的固定方式為金屬支架固定,金屬支架存在鋒利邊緣,對高壓線束布置密集的區(qū)域存在潛在風(fēng)險?
 
第二處線束破損為電機(jī)安裝支架左端,碰撞過程中電機(jī)安裝支架在X方向向后移動,擠壓線束安裝支架,使其發(fā)生翻折變形,支架邊緣同固定支架的螺栓發(fā)生擠壓導(dǎo)致線束破損,線束銅芯與鈑金接觸,進(jìn)而導(dǎo)致絕緣性能破壞,如圖6所示?
 
試驗后對車體進(jìn)行測量后發(fā)現(xiàn),正碰試驗前艙變形較大,如圖7所示,特別是前縱梁的潰縮和彎折變形對前艙高壓部品及線束的完整性有較大影響?碰撞過程中前縱梁會發(fā)生彎折變形,由于吸能要求車輛的左右懸置也會斷裂,使高壓部品向車輛后方移動,垂直方向存在下沉趨勢,高壓部品和高壓線束的擠壓和破損多發(fā)生在此過程,如圖8所示?
 
3.3課題對策及效果確認(rèn)
針對兩處高壓線束的破損,制定了相應(yīng)的對策(表4),規(guī)避高壓線束周邊鋒利邊緣的鈑金或支架,調(diào)整存在擠壓風(fēng)險部品的位置?
 
對策明確后通過CAE仿真初步驗證其效果,CAE仿真結(jié)果顯示,采取對策后高壓線束(圖9中①和②)無擠壓和破損情況發(fā)生,初步驗證對策有效,具體如圖9所示?
 
而后通過實車碰撞試驗也再次驗證了對策的有效性,具體結(jié)果見表5?
 
試驗后,檢測到動力負(fù)載端高壓母線正極和負(fù)極對地絕緣電阻分別為50MΩ/V和50MΩ/V,數(shù)值遠(yuǎn)大于國標(biāo)規(guī)定的>100Ω/V要求,滿足國標(biāo)要求?
 
4結(jié)論
本文介紹了絕緣電阻失效的電安全風(fēng)險,提出了與電動汽車絕緣性能相關(guān)聯(lián)的高壓部品耐沖擊性能評價?高壓系統(tǒng)絕緣電阻測量評價方法?以某車型的絕緣電阻課題為例,介紹了在新車開發(fā)過程中絕緣電阻課題的FTA分析方法和對策方案,正確的課題分析方法可快速有效地明確課題原因,并有效制定對策?
 
結(jié)果表明,通過調(diào)整高壓線束布置,在碰撞過程中合理規(guī)避高壓線束同周邊部品的接觸或擠壓,絕緣電阻性能可以得到有效改善,電動汽車碰撞后的安全性也得到提升?本文提出的絕緣電阻評價方法及課題分析和對策方法,對電動汽車碰撞電安全開發(fā)具有一定的參考意義?
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