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中汽研 | 純電動汽車下落工況測試方法研究

2021-11-24 12:55:29·  來源：電動學(xué)堂  作者：李春等  
　
文章來源：中汽研（天津）汽車檢驗(yàn)中心實(shí)車碰撞部引言與傳統(tǒng)汽車相比，中國的新能源汽車正在以舉世矚目的速度發(fā)展，其中電動汽車更是迅猛發(fā)展，市場高速增長。近
文章來源：中汽研（天津）汽車檢驗(yàn)中心實(shí)車碰撞部
引言
與傳統(tǒng)汽車相比，中國的新能源汽車正在以舉世矚目的速度發(fā)展，其中電動汽車更是迅猛發(fā)展，市場高速增長。近年來，我國電動汽車已經(jīng)占到世界市場份額的50％以上。與此同時(shí)，電動汽車高速發(fā)展所帶來的一系列問題也日益凸顯，特別是電動汽車的安全問題。電動汽車的安全性已經(jīng)引起了社會各界的重視，了解其原因，并分析解決相關(guān)問題是目前新能源汽車發(fā)展過程中最重要的事情。
1事故工況分析
根據(jù)媒體公開報(bào)道，2017年至2019年3月不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)共發(fā)生新能源汽車安全事故超過59起。根據(jù)公開報(bào)道中事故現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)結(jié)果和分析，新能源汽車目前起火的車輛大部分都是純電動汽車。純電動汽車近年來多數(shù)采用較高能量密度的方案，動力電池在充電、機(jī)械沖擊等情況下，引起可靠性下降形成不同類型的安全失效，最終導(dǎo)致起火。一些事故調(diào)查分析結(jié)果表明很多事故并不是碰撞后立馬發(fā)生熱失控或者自燃，而是在后續(xù)的使用過程中發(fā)生故障或自燃。針對此類間接事故，本文從電池系統(tǒng)固定件是否松動進(jìn)行考察。原因是車輛在受到?jīng)_擊載荷后，高壓部件連接件或電池系統(tǒng)的固定螺栓可能會發(fā)生松動，松動的連接件可能會導(dǎo)致局部電阻變大，導(dǎo)致異常發(fā)熱，最終導(dǎo)致熱失控，繼而發(fā)生自燃。
2測試工況的模型化
對于純電動汽車而言，動力電池包往往會布置在底盤中部位置。當(dāng)車輛高速通過一些起伙路面時(shí)，車輛可能會存在瞬間駛離地面的情況。車輛回落與地面接觸時(shí)，地面就會對車輛底部的電池包產(chǎn)生Z方向和X方向的復(fù)合沖擊載荷。而這種沖擊載荷，可能會對車輛底部的電池包產(chǎn)生損傷。
通過對實(shí)際工況的分析，以路面坡度來劃分，可分為兩種工況，一種是大坡度路面，一種是低坡度平緩路面。再結(jié)合路面狀況后，又可細(xì)分出一些具體的工況，如圖1所示。分別為工況一：大坡度路面；工況二：帶有減速帶的低坡度平緩路面；工況三：帶有局部凸起的低坡度平緩路面；以及工況四：帶有局部凹陷的低坡度平緩路面?？紤]到在不同工況下，車輛和駕駛員的行駛習(xí)慣也存在差異。下面對每種工況中，駕駛員以及車輛的行駛狀態(tài)分別進(jìn)行分析。

1.工況一：大坡度路面
該工況下當(dāng)車輛駛?cè)肫露嚷访鏁r(shí)，由于車輛動力特性的原因，以及駕駛員的駕駛習(xí)慣，往往會通過主動降低車輛速度，提升車輛發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法來通過路面。該種情況下，駕駛員反應(yīng)時(shí)間較長，因此不會發(fā)生車輛下落的工況。
2.工況二：帶有減速帶的低坡度平緩路面
該工況下當(dāng)車輛駛?cè)肫露嚷访鏁r(shí)，考慮到高速通過減速帶時(shí)，會降低車內(nèi)乘員的舒適性，因此駕駛員也會采取主動減速來通過減速帶。因此，車輛不會發(fā)生下落工況，僅僅受到減速帶的沖擊。
3.工況三：帶有局部凸起的低坡度平緩路面
該工況下，由于坡度平緩，駕駛員視距較好，因此存在主觀加速的行為。當(dāng)車輛在高速通過凸起位置時(shí)，由于車速較高，車輛存在瞬間駛離地面的概率極高。
4.工況四：帶有局部凹陷的低坡度平緩路面
該工況下，同樣由于坡度平緩，駕駛員視距較好，存在主觀加速的行為。當(dāng)車輛在高速通過凹陷位置時(shí)，由于車速較高，車輛底部受到的加速度沖擊較大。
通過上述四個工況的分析可知，低坡度平緩路面更容易出現(xiàn)整車下落的工況。為了確定低坡度平緩路面的相關(guān)參數(shù)，課題組選取了三個典型城市，分別為山城重慶，海濱城市青島，以及華北平原的天津。分別對三個城市中的市區(qū)、山區(qū)和鄉(xiāng)村三種路況進(jìn)行路面信息采集，共采集到路面信息401條。通過對采集到的路面傾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到路面傾角分布圖2。山圖2可知，數(shù)據(jù)量最多的路面傾角為20到30范圍，采集到104條路面。分別計(jì)算路面傾角為30、40、50和60時(shí)，各傾角路面所占樣本總數(shù)的比值可知。當(dāng)路面傾角為60時(shí)，可涵蓋采集到的樣本總數(shù)中的84.53％的路況。結(jié)合前文的工況分析，以及采集到的路面傾角信息的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，后續(xù)研究課題組將采用路面傾角為30、40、50、60這四個角度開展相關(guān)研究工作。

關(guān)于整車下落的試驗(yàn)速度方面，依據(jù)“公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2014"可知，針對不同路面，標(biāo)準(zhǔn)對道路上行駛的機(jī)動車有明確的＂限速“要求。將相關(guān)要求整理后如表1所示。

由表1可知，在城市道路中針對機(jī)動車輛的最高限速為80kni/h。對于連接城市和鄉(xiāng)村之間的公路一般限速為lOOkni/h?？紤]到電動汽車?yán)m(xù)駛里程的問題，目前電動汽車的使用場景大多數(shù)在城市路況或是城市周邊的郊區(qū)。因此，針對電動汽車在城市路況中，其最高行駛速度為80knvh。另外，由文獻(xiàn)《基于駕駛員心理生理反應(yīng)的高速公路線形研究》可知，當(dāng)車輛遇到突發(fā)情況時(shí)，駕駛員會采取主動制動的措施。由于減速過程是一個動態(tài)過程，其中受到諸多因素的影響，如駕駛員的反應(yīng)時(shí)間、道路條件、車輛行駛性能等汀。結(jié)合文獻(xiàn)中的研究內(nèi)容，可以將突發(fā)情況的危險(xiǎn)程度列為三級，分別為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)，以及高風(fēng)險(xiǎn)。每種風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)的駕駛員反應(yīng)時(shí)間和車速降低的平均值如表2所示。

由表2可知，當(dāng)車輛在正常行駛過程中遇到中風(fēng)險(xiǎn)的突發(fā)情況時(shí)，由于駕駛員具有一定的反應(yīng)時(shí)間，因此車輛在采取制動后，車速降低的平均值約為20knvh至30knvh。對于整車下落的工況，我們將它劃分為中風(fēng)險(xiǎn)情況。結(jié)合電動汽車在城市及郊區(qū)路況中，其最高行駛速度為80knvh。則當(dāng)電動汽遇到該工況時(shí)，降低到的車速約為50knvh至60knvh之間。為了綜合考慮速度與底部電池包受損情況的影響，研究采用40knvh、50knvh,以及60knvh來進(jìn)行整車下落工況的仿真分析和實(shí)車測試。
3測試方法的模擬仿真
按照上述工況模型化的分析結(jié)果，利用仿真軟件搭建仿真分析平臺，并建立路面壁障模型。仿真分析平臺模型如圖3所示。坡道固定長度為3111,其中30坡道高度為157mm,
40坡道高度為209mm,5°坡道高度為261mm,6°坡道高度為313mm。
利用搭建好的仿真分析平臺，我們對某款數(shù)字化模型車輛進(jìn)行整車下落測試的仿真分析。關(guān)于模擬下落測試的試驗(yàn)矩陣列表如表3所示。

四個坡度下仿真結(jié)果都表明了相同螺栓力矩變化規(guī)律，本文以6°仿真結(jié)果為例進(jìn)行分析。

分析圖4中電池包前后固定螺栓Z向軸向力－時(shí)間曲線，在570ms左右車輛駛過斜坡開始著地。隨時(shí)間推移，電池包前部螺栓受力明顯大于后部螺栓。

圖5～圖7給出了在60坡度下，三個試驗(yàn)速度對應(yīng)的電池包右前、右中、右后三個固定螺栓Z向軸向力－時(shí)間曲線?？傻贸鲆恢滦砸?guī)律：前部螺栓受力最大，中部蝶栓受力最小。
由圖8可知，在同一速度下，坡度越大，同一螺栓在Z向受力越大，軸向加速度越大。
由圖9可知，速度越大，同一位置螺栓受力越大，Z向加速度越大?？偨Y(jié)可知，坡度對測試結(jié)果影響較大，速度有一定影響，但是影響有限。

由圖9可知，速度越大，同一位置螺栓受力越大，Z向加速度越大?？偨Y(jié)可知，坡度對測試結(jié)果影響較大，速度有一定影響，但是影響有限。

4標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法
本節(jié)將利用實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證上述的仿真分析結(jié)果，并且針對電動汽車整車下落形成標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法。
4.1試驗(yàn)場地
試驗(yàn)場地應(yīng)足夠大，以容納車輛驅(qū)動系統(tǒng)、行進(jìn)過程中使車輛抬升的路面壁障和試驗(yàn)設(shè)備安裝，容納車輛下落后的自由移動。車輛發(fā)生抬升和移動的場地地面應(yīng)水平、平整、千燥。
4.2壁障
路面壁障應(yīng)牢固地固定在地面上，試驗(yàn)期間，路面壁障不能與地面發(fā)生相對位移，斜坡與地面夾角應(yīng)保持固定。車輛行駛在斜坡的過程中，斜坡不可發(fā)生變形。路面壁障應(yīng)保證與試驗(yàn)車輛行駛方向平行。壁障的固定裝置不應(yīng)在試驗(yàn)過程中失效。
坡道固定長度為3m,其中30坡道高度為157mm,4°坡
道高度為209mm,5°坡道高度為261mm,6°坡道高度為
313mm。單邊斜坡距軌道中心的距離應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)車輛的輪距進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，軌道兩側(cè)斜坡對稱安裝，保證試驗(yàn)車輛兩
側(cè)車輪都能平穩(wěn)駛上斜坡，不發(fā)生側(cè)傾、側(cè)翻等情況。圖10所示為試驗(yàn)車輛與路面壁障的相對關(guān)系。

4.3車輛狀況
4.3.1一般要求
試驗(yàn)車輛應(yīng)能反映出該系列產(chǎn)品的特征，應(yīng)包括正常安裝的所有設(shè)備，并應(yīng)處于能夠正常運(yùn)行的狀態(tài)，一些零部件可以被等質(zhì)量代替物代替，且不能對數(shù)據(jù)采集有影響。
在電池包前、中、后三個位置各貼一個三向加速度傳感器。使用外接電阻屏蔽主、副氣囊，主、副安全帶等約束系統(tǒng)。在這些約束系統(tǒng)的ECU端安裝電流鉗監(jiān)控試驗(yàn)是否有點(diǎn)火電流發(fā)出。
4.3.2車輛質(zhì)量
對于M1類車輛，提交試驗(yàn)的車輛質(zhì)量應(yīng)是整備質(zhì)量。排空洗滌液、冷卻液、機(jī)油等液體，排出液體的質(zhì)量應(yīng)予以補(bǔ)償。車載測量裝置使各軸軸荷的變化不大于5%，每軸變化不超過20kg。
參照GB11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》，在兩個前排座椅上，各放置一個50%Hybrid男性假人。本試驗(yàn)形式重點(diǎn)關(guān)注電安全和電池包結(jié)構(gòu)安全，而不是假人傷害情況，因此兩個假人只用于配重。
4.3.3車輛的驅(qū)動
車輛不應(yīng)靠自身動力驅(qū)動。試驗(yàn)車在駛上斜坡壁障前瞬間，不應(yīng)受到任何來自轉(zhuǎn)向操縱裝置或牽引裝置的作用。
4.3.4試驗(yàn)速度及壁障角度
根據(jù)第2和第3章節(jié)分析的當(dāng)前公路路況限速要求和駕駛員應(yīng)急制動實(shí)際狀況，最終制定試驗(yàn)工況角度為30、40、
50、60'以及試驗(yàn)速度為40knvh、50knvh、60knvh。試驗(yàn)矩陣設(shè)計(jì)如表4所示。

實(shí)車試驗(yàn)選取典型車輛進(jìn)行上述試驗(yàn)，典型車型為多用途越野車(SUV)。試驗(yàn)后具體考察內(nèi)容為以下兒方面：
一是在氣囊誤作用方面，試驗(yàn)前屏蔽主駕駛氣襄、副駕駛氣襄、主駕駛安全帶、副駕駛安全帶，使用電流鉗監(jiān)測跌落過程中ECU是否發(fā)出點(diǎn)爆信號；
二是在電測量安全方面，監(jiān)測試驗(yàn)前后整車絕緣電阻及電壓情況；
三是在電池包受力檢測方面，一方面檢測試驗(yàn)前后電池包力矩變化量；另一面通過在電池包前中后粘貼加速度傳感器，檢測電池包受到的加速度沖擊情況；
四是在電池包內(nèi)部完整性方面，拆解試驗(yàn)后電池包，查看內(nèi)部部件是否有脫落情況。根據(jù)上述試驗(yàn)后結(jié)果，總結(jié)出速度、坡度與整車電池包加速度、整車誤作用等因素的關(guān)系。
4.3.5典型車型試驗(yàn)結(jié)果分析
跌落試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析如表5所示。
1)從表5可知，相同坡度下，該車型在整車下落時(shí)電池包前端X和Z方向受到的加速大于中部和后部。這一趨勢在Z方向更為明顯。圖11和圖12表明了這一規(guī)律。

2)從圖13和圖14可知坡相同坡度下隨著整車行駛速度的增加，電池包受到的加速度呈上升趨勢。
3)圖15～圖17表明隨著坡度的增加，電池包前中后位置的Z方向加速度沖擊增大。

4)通過圖18可以看出，坡度是影響電池包加速的主要因素。

5)在上述各個試驗(yàn)工況中，ECU都沒有發(fā)出點(diǎn)爆主副駕駛氣襄以及安全帶的信號，并且整車絕緣電阻沒有失效。
6)電池包螺栓力矩。對同一坡度工況，試驗(yàn)前對電池包螺栓力矩進(jìn)行預(yù)緊，施加55N·m,試驗(yàn)后再次查看螺栓力矩的變化，發(fā)現(xiàn)沒有變化。
7)試驗(yàn)后電池包拆解。試驗(yàn)后電池包進(jìn)行拆解，檢查內(nèi)部螺栓是否松動、線束是否破損、模組是否有位移。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)模組內(nèi)部完好，沒有任何異常，如圖19所示。

5結(jié)論
1)隨著整車行駛速度的增加，車輛電池包受到的加速度星上升趨勢。
2)坡度是影響電池包加速的主要因素。隨著坡度的增加，電池包的Z向加速度明顯增大。
3))電池包底部螺栓力矩在各個工況中沒有明顯變化。
4)在各個跌落工況中ECU都沒有發(fā)出點(diǎn)爆信號，并且整車絕緣電阻沒有失效。
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