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電動(dòng)汽車整車碰撞試驗(yàn)絕緣電阻課題分析研究
2020-12-14 22:19:01· 來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂
文章來(lái)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(dòng)汽車的車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(REESS)是車輛動(dòng)力輸入系統(tǒng),其電壓多為350V以上的高壓電,電動(dòng)汽車的絕
文章來(lái)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(dòng)汽車的車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(REESS)是車輛動(dòng)力輸入系統(tǒng),其電壓多為350V以上的高壓電,電動(dòng)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(huì)對(duì)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(xiǎn),建立了電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的絕緣電阻測(cè)量評(píng)價(jià)方法,結(jié)合某車型絕緣電阻失效課題的解析和對(duì)策方案,有助于提升電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中課題解析效率和準(zhǔn)確度,同時(shí)也對(duì)電動(dòng)汽車安全性能提升有一定的參考意義?
1電動(dòng)汽車電安全風(fēng)險(xiǎn)介紹
1.1電動(dòng)汽車碰撞試驗(yàn)電安全風(fēng)險(xiǎn)
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(yàn)中的安全風(fēng)險(xiǎn)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(guò)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(guò)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(huì)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(xiǎn);
第三,REESS系統(tǒng)的破損或短路,REESS系統(tǒng)為車輛提供動(dòng)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(dòng)汽車絕緣電阻失效風(fēng)險(xiǎn)
整車碰撞試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)易造成高壓系統(tǒng)絕緣電阻性能的失效?車輛使用過(guò)程中絕緣電阻性能破壞,如不規(guī)范接觸車輛時(shí),易造成電壓泄漏,進(jìn)而造成觸電風(fēng)險(xiǎn)?
人體正常狀態(tài)下的電阻約為3000Ω,若在濕潤(rùn)狀態(tài)下則降低至1000Ω;接觸高電壓時(shí)身體內(nèi)會(huì)有電流經(jīng)過(guò),人體觸電受傷主要是電流對(duì)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(jiàn)表2?
人體接觸70mA電流時(shí),身體會(huì)產(chǎn)生痛苦沖擊,此時(shí)電流值為脫離界限值?在濕潤(rùn)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(píng)價(jià)方法
2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)
新能源汽車的國(guó)家法規(guī)主要有GB/T31498—2015《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》?GB/T18384—2015《電動(dòng)汽車安全要求》等,《C-NACP管理規(guī)則》2018年版和《C-IASI中國(guó)汽車安全指數(shù)管理辦法》2017版中也增加了對(duì)電動(dòng)汽車的評(píng)價(jià)內(nèi)容?電動(dòng)汽車安全評(píng)價(jià)中,規(guī)定了絕緣電阻的評(píng)價(jià)要求和條件?
絕緣電阻評(píng)價(jià)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(tái)之間絕緣電阻最小值應(yīng)為100Ω/V,交流高壓母線與電平臺(tái)之間絕緣電阻值最小應(yīng)為500Ω/V?
目前國(guó)內(nèi)各機(jī)構(gòu)對(duì)電動(dòng)汽車絕緣電阻的評(píng)價(jià),采用在電動(dòng)汽車強(qiáng)電系統(tǒng)回路中外接引線方式,在碰撞試驗(yàn)前后測(cè)量高壓母線正負(fù)極分別對(duì)地的絕緣電阻,并且試驗(yàn)后測(cè)量REESS系統(tǒng)端絕緣電阻?此方法檢測(cè)開(kāi)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(yàn)后車輛出現(xiàn)絕緣電阻未滿足評(píng)價(jià)要求時(shí),則無(wú)法精確判定問(wèn)題發(fā)生的位置?
2.2碰撞試驗(yàn)絕緣電阻評(píng)價(jià)內(nèi)容和方法
整車碰撞試驗(yàn)是驗(yàn)證電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)階段高壓系統(tǒng)安全性能的一種方式,通過(guò)獲知試驗(yàn)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(jì)要求?試驗(yàn)評(píng)價(jià)主要分為以下兩個(gè)部分:高壓部品耐沖擊性能評(píng)價(jià)?高壓系統(tǒng)絕緣電阻測(cè)量評(píng)價(jià)?
2.2.1高壓部品耐沖擊性能評(píng)價(jià)
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(xiàng)非常重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)?正碰和后碰試驗(yàn)需重點(diǎn)關(guān)注高壓部品在X方向的耐沖擊性能,側(cè)碰試驗(yàn)需重點(diǎn)關(guān)注高壓部品在Y方向的耐沖擊性能?
電動(dòng)汽車整車碰撞前,電動(dòng)汽車的高壓部品需要實(shí)施單品的耐沖擊試驗(yàn),即在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)高壓部品按特定波形施加加速度沖擊曲線,驗(yàn)證高壓部品的安全性能,具體如圖1所示?在碰撞過(guò)程中,高壓部品的耐沖擊性能主要體現(xiàn)在特定時(shí)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(shí)間直接影響其耐沖擊性能,具體計(jì)算方法為
式中,a是碰撞過(guò)程中高壓部品加速度(g);t是采樣時(shí)間(ms)?
2.2.2高壓系統(tǒng)絕緣電阻測(cè)量評(píng)價(jià)
電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)布置圍繞PDM為中心,高壓部品通過(guò)PDM進(jìn)行布置和連接,電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)連接圖如圖2所示?車輛前艙在拆解過(guò)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(gè)高壓部品或者高壓線束前后都應(yīng)對(duì)動(dòng)力負(fù)載端的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)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(cè)量,再次確認(rèn)其絕緣性能?通過(guò)兆歐表對(duì)高壓系統(tǒng)回路和部品的正負(fù)極與電平臺(tái)之間輸入特定值的電壓,測(cè)量其絕緣電阻值?
在車輛拆解過(guò)程中應(yīng)對(duì)PDM連接的高壓部品進(jìn)行逐個(gè)拆解,這樣可以避免多個(gè)高壓部品同時(shí)拆解破壞試驗(yàn)后的車輛狀態(tài),進(jìn)而影響對(duì)絕緣電阻的判定?
3電動(dòng)汽車絕緣電阻課題解析方法
某EV車型開(kāi)發(fā)中,正碰試驗(yàn)后檢測(cè)到動(dòng)力負(fù)載端高壓母線正極和負(fù)極對(duì)地絕緣電阻分別為28Ω/V和0Ω/V,均未滿足國(guó)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(duì)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(cè)量方法?計(jì)測(cè)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(guò)試驗(yàn)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(píng)價(jià)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(jì)目標(biāo)要求,見(jiàn)表3?試驗(yàn)后對(duì)各高壓部品進(jìn)行拆解確認(rèn),高壓部品完好且無(wú)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(huì)出現(xiàn)線束被擠壓?剪切或者破損?課題解析過(guò)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(duì)高壓線束布置密集的區(qū)域存在潛在風(fēng)險(xiǎn)?
第二處線束破損為電機(jī)安裝支架左端,碰撞過(guò)程中電機(jī)安裝支架在X方向向后移動(dòng),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(yàn)后對(duì)車體進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn),正碰試驗(yàn)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(duì)前艙高壓部品及線束的完整性有較大影響?碰撞過(guò)程中前縱梁會(huì)發(fā)生彎折變形,由于吸能要求車輛的左右懸置也會(huì)斷裂,使高壓部品向車輛后方移動(dòng),垂直方向存在下沉趨勢(shì),高壓部品和高壓線束的擠壓和破損多發(fā)生在此過(guò)程,如圖8所示?
3.3課題對(duì)策及效果確認(rèn)
針對(duì)兩處高壓線束的破損,制定了相應(yīng)的對(duì)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(xiǎn)部品的位置?
對(duì)策明確后通過(guò)CAE仿真初步驗(yàn)證其效果,CAE仿真結(jié)果顯示,采取對(duì)策后高壓線束(圖9中①和②)無(wú)擠壓和破損情況發(fā)生,初步驗(yàn)證對(duì)策有效,具體如圖9所示?
而后通過(guò)實(shí)車碰撞試驗(yàn)也再次驗(yàn)證了對(duì)策的有效性,具體結(jié)果見(jiàn)表5?
試驗(yàn)后,檢測(cè)到動(dòng)力負(fù)載端高壓母線正極和負(fù)極對(duì)地絕緣電阻分別為50MΩ/V和50MΩ/V,數(shù)值遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)規(guī)定的>100Ω/V要求,滿足國(guó)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(xiǎn),提出了與電動(dòng)汽車絕緣性能相關(guān)聯(lián)的高壓部品耐沖擊性能評(píng)價(jià)?高壓系統(tǒng)絕緣電阻測(cè)量評(píng)價(jià)方法?以某車型的絕緣電阻課題為例,介紹了在新車開(kāi)發(fā)過(guò)程中絕緣電阻課題的FTA分析方法和對(duì)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(duì)策?
結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)整高壓線束布置,在碰撞過(guò)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(dòng)汽車碰撞后的安全性也得到提升?本文提出的絕緣電阻評(píng)價(jià)方法及課題分析和對(duì)策方法,對(duì)電動(dòng)汽車碰撞電安全開(kāi)發(fā)具有一定的參考意義?
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