汽車的托底碰撞事故比較常見(jiàn)，道路上的雜物、減速帶、路緣及路邊的樹(shù)墩都可能造成托底碰撞，如圖1所示。但在沒(méi)有電動(dòng)車的時(shí)代托底事故被關(guān)注不多，是因?yàn)橥械资鹿室话悴粫?huì)造成人員傷害。電動(dòng)車發(fā)生托底碰撞，是由于電池包底部的離地間隙低于道路上障礙物，電池包與障礙物存在高度方向的幾何不匹配，具有一垂向重疊量，當(dāng)車輛行駛過(guò)道路障礙物時(shí)，電池包被障礙物撞擊和刮蹭，稱為托底碰撞，如圖2所示。

圖1    一般道路常見(jiàn)的汽車托底工況

圖2    托底碰撞示意圖

    以某款純電動(dòng)車底部外形參數(shù)為例（電池包以紅色示意），道路上常見(jiàn)的托底碰撞情境有以下幾種（圖3）：車輛于平面道路行駛時(shí)，障礙物的垂直高度高于電池包的離地間隙；車輛通過(guò)路緣行駛時(shí)，單側(cè)車輪落入具有高度差的路緣；車輛前進(jìn)上坡或倒車下坡時(shí)路面高度差引起。

圖3    電動(dòng)車托底碰撞示意圖

  ?    托底試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)    ?  

    由于電動(dòng)車托底碰撞造成的電池包損壞可能引起電池著火，需要建立可標(biāo)準(zhǔn)化的電動(dòng)車托底試驗(yàn)方法，評(píng)估電池包損傷和抗托底碰撞的保護(hù)性能。

    在電動(dòng)車托底試驗(yàn)中，需要能直接對(duì)行駛中的電動(dòng)車電池包底部造成托底碰撞并刮蹭。為了在托底碰撞評(píng)價(jià)試驗(yàn)中能直接撞擊電池包，需要設(shè)計(jì)一種可觸發(fā)作動(dòng)的托底試驗(yàn)裝置。因?yàn)橛行┸囕v前艙結(jié)構(gòu)件的離地高度與電池包的離地間隙差不多，托底碰撞裝置須能閃避車輛前艙結(jié)構(gòu)件，直接碰撞電池包，這是為了試驗(yàn)的一致性。在托底試驗(yàn)開(kāi)始前，加載裝置固定于地面并處于收納狀態(tài)，當(dāng)車輛前艙結(jié)構(gòu)通過(guò)托底試驗(yàn)裝置且電池包到達(dá)前，托底試驗(yàn)裝置觸發(fā)作動(dòng)彈出，直接對(duì)電池包托底碰撞，同時(shí)在托底碰撞的過(guò)程中，托底試驗(yàn)裝置須要保持對(duì)電池包的碰撞條件（如設(shè)定的重疊量）不變。

    并且，托底試驗(yàn)裝置須有調(diào)節(jié)托底碰撞位置（整車寬度方向）的設(shè)計(jì)，用以調(diào)整托底碰撞位置相對(duì)于電池包為中置或偏置托底碰撞，如圖4所示。

圖4    電動(dòng)車托底碰撞試驗(yàn)示意圖

01

電磁鐵驅(qū)動(dòng)彈出式裝置   

    在電磁鐵驅(qū)動(dòng)彈出式托底試驗(yàn)裝置中，裝置組成的主要元件為沖擊頭、汽缸、活塞、定位銷、定位銷彈簧、作動(dòng)彈簧、電磁鐵、裝置底板及轉(zhuǎn)接底板等，主要元件如圖5所示。裝置儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，使用電磁鐵固定活塞軸向自由度，使作動(dòng)彈簧壓縮儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，觸發(fā)時(shí)電磁鐵斷電以釋放活塞軸向自由度及作動(dòng)彈簧的彈性勢(shì)能，彈出沖擊頭碰撞與刮蹭電池包。

圖5    電磁鐵驅(qū)動(dòng)彈出式托底試驗(yàn)裝置：

(a) 彈出狀態(tài)；(b) 儲(chǔ)能狀態(tài)

02

純機(jī)械驅(qū)動(dòng)彈出式裝置   

    由于部分的托底碰撞試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)置于室外或電力牽引不方便之處，無(wú)法使用上述的電磁鐵驅(qū)動(dòng)彈出式裝置進(jìn)行電動(dòng)車托底碰撞試驗(yàn)。為了因應(yīng)上述情況，提出純機(jī)械驅(qū)動(dòng)彈出式裝置，如圖6所示，試驗(yàn)場(chǎng)無(wú)需電力牽引，亦可進(jìn)行電動(dòng)車托底碰撞試驗(yàn)。

    純機(jī)械驅(qū)動(dòng)彈出式裝置設(shè)計(jì)觸發(fā)插銷取代電磁鐵，用以拘束沖擊頭于儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)收納于汽缸中，當(dāng)裝置接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)將觸發(fā)插銷拔出，作動(dòng)彈簧釋放預(yù)壓的彈性勢(shì)能，將沖擊頭彈出至預(yù)定位置進(jìn)行電動(dòng)車托底碰撞試驗(yàn)。

圖6    純機(jī)械驅(qū)動(dòng)彈出式托底試驗(yàn)裝置：

(a) 彈出狀態(tài)；(b) 儲(chǔ)能狀態(tài)

03

電動(dòng)車電池包托底碰撞試驗(yàn)方法   

    以下以臺(tái)車碰撞試驗(yàn)為例，介紹用上述裝置進(jìn)行電動(dòng)汽車托底沖擊試驗(yàn)方法。臺(tái)車托底試驗(yàn)方法配置如圖7所示。

圖7    電池包托底碰撞臺(tái)車試驗(yàn)設(shè)置：

(a) 側(cè)視圖；(b) 不等角視圖；(c) 實(shí)際設(shè)置

    在清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室，本團(tuán)隊(duì)針對(duì)某款電動(dòng)車的電池包進(jìn)行托底碰撞臺(tái)車試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中使用高速攝像機(jī)拍攝，其托底碰撞過(guò)程如圖8所示：(a) 電池包與托底試驗(yàn)裝置接觸；(b) 電池包受托底試驗(yàn)裝置碰撞，導(dǎo)致電池包碰撞區(qū)明顯彎曲變形，電池包主要受力方向?yàn)槠囆羞M(jìn)方向（X方向）；(c) 電池包持續(xù)受到托底碰撞，托底試驗(yàn)裝置頂部侵入電池包，電池包主要受力方向?yàn)槠囆羞M(jìn)方向及垂直方向（X方向及Z方向）。

圖8    托底碰撞臺(tái)車試驗(yàn)過(guò)程電池包碰撞區(qū)

明顯變形而后躍起

    使用試驗(yàn)臺(tái)車進(jìn)行電池包托底試驗(yàn)方法可根據(jù)不同的測(cè)試條件進(jìn)行不同的試驗(yàn)方法配置，如偏置托底沖擊位置、不同托底重疊量設(shè)計(jì)、不同的托底沖擊頭型狀設(shè)計(jì)等，并且能針對(duì)不同形式的電池包進(jìn)行托底沖擊試驗(yàn)，評(píng)估不同的電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被托底沖擊后的損傷及安全性能。

  ?    結(jié)論    ?  

    本文提出了若干種具有普適性的托底試驗(yàn)裝置，以建立可標(biāo)準(zhǔn)化的電動(dòng)車托底碰撞試驗(yàn)方法。自動(dòng)觸發(fā)彈出式的托底試驗(yàn)裝置能閃避汽車的前艙結(jié)構(gòu)，直接對(duì)電池包底部進(jìn)行托底碰撞試驗(yàn)，用于評(píng)估電池包損傷和抗托底碰撞的保護(hù)性能，為建立標(biāo)準(zhǔn)化的電動(dòng)車托底碰撞試驗(yàn)方法提供了基礎(chǔ)。具普適性的托底試驗(yàn)裝置能適應(yīng)多個(gè)試驗(yàn)車速和多種車型尺寸（包括車輛長(zhǎng)度和電池包離地間隙），并能提供若干托底侵入量水平。

    下一篇文章將介紹本團(tuán)隊(duì)去年在美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)年會(huì)上宣講的論文，以電動(dòng)車不同初始速度和電池包與底部障礙物不同的重疊量作為不同碰撞嚴(yán)重程度的參數(shù)，對(duì)托底碰撞電池包損傷情況進(jìn)行了參數(shù)化仿真研究。

參考文獻(xiàn)

Chen P, Xia Y, Zhou Q, et al. Damage Assessment Method of Battery Pack of Electric Vehicle in Undercarriage Collision[C]. ASME 2021 International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2021-69776.

參考專利

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[2]汽車托底試驗(yàn)裝置[P]. 中國(guó), CN111257010B. 2020-02-18.

[3]凸輪式汽車托底試驗(yàn)裝置[P]. 中國(guó), CN111257011B. 2020-02-18.

[4]托底試驗(yàn)工裝及托底試驗(yàn)裝置[P]. 中國(guó), CN214373363U. 2021-03-03.

[5]托底試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法[P]. 中國(guó), 202110228588.6. 2021-03-03.

論文原文鏈接（或點(diǎn)擊文末閱讀原文）：

https://www.researchgate.net/publication/358114142