文章來(lái)源：吉利汽車研究院(寧波)有限公司
0引言
由于道路路況復(fù)雜,電動(dòng)汽車的電池包通常布置于車輛底部。在實(shí)際的行駛過(guò)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(fù)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。車輛電池包底部損傷主要有水平撞擊、翻轉(zhuǎn)撞擊和負(fù)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(guò)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(guò)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(guò)程中該物體出現(xiàn)運(yùn)動(dòng);負(fù)坎工況主要發(fā)生車輛行駛過(guò)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(kāi)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(yán)重?fù)p傷。根據(jù)調(diào)查分析,售后調(diào)查的電池包的損傷場(chǎng)景發(fā)生在負(fù)坎工況。
1負(fù)坎試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
負(fù)坎試驗(yàn)測(cè)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(chǎng)上已有成熟的測(cè)試設(shè)備,但跑道系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)需要單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.1跑道臺(tái)架設(shè)計(jì)1.1.1試驗(yàn)跑道如圖1所示,跑道主要由斜坡、高臺(tái)階跑道、低臺(tái)階跑道和沖擊壁障4個(gè)部分組成。斜坡主要目的是保證車輛順利運(yùn)行至高臺(tái)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(jìn)行了抬高設(shè)計(jì),高臺(tái)階跑道離地高度330mm,長(zhǎng)度需保證車輛前后輪從斜坡上來(lái)后均在其上方運(yùn)行。車輛行駛上高臺(tái)階跑道后須保證一個(gè)車位運(yùn)行距離,結(jié)合車型軸距,高臺(tái)階跑道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6m。

為減小斜坡對(duì)加速度分量的影響,計(jì)算跑道斜坡角度控制在6°以下,最后推算斜坡長(zhǎng)度約3m。低臺(tái)階跑道的高度可調(diào),以實(shí)現(xiàn)車輛負(fù)坎高度的調(diào)節(jié),同時(shí)也避免車輛從高臺(tái)階跑道下落時(shí)直接撞擊試驗(yàn)地面,造成試驗(yàn)場(chǎng)地?fù)p壞。此次試驗(yàn)的低臺(tái)階跑道高度為110mm。因此該試驗(yàn)方案的負(fù)坎高度為220mm。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,利用實(shí)車碰撞試驗(yàn)的牽引系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車輛運(yùn)行,從斜坡運(yùn)行至高臺(tái)階跑道上并繼續(xù)向前運(yùn)行。當(dāng)車輛從高臺(tái)階跑道開(kāi)始跌落時(shí),牽引系統(tǒng)與試驗(yàn)車輛分離。車輛從高臺(tái)階跑道跌落過(guò)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(jì)行駛過(guò)程中的車輛具有很大的動(dòng)能,當(dāng)汽車底部的電池包與地面異物碰撞時(shí),其動(dòng)能將導(dǎo)致接觸區(qū)材料快速進(jìn)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(shí)具有很多非線性表現(xiàn),這些非線性表現(xiàn)由車輛的運(yùn)動(dòng)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(wèn)題比較復(fù)雜。
為了簡(jiǎn)化模型,提高試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性以及試驗(yàn)過(guò)程的安全性,在車輛負(fù)坎試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)如表1所示的壁障尺寸,模擬負(fù)坎時(shí)的面面接觸形式,撞擊壁障如圖2所示。

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(tái)階跑道30mm,壁障高度距離地面430mm,即高出高臺(tái)階跑道100mm。

如圖4所示,撞擊壁障中心線Y向距離車輛縱向中心線40mm。

1.2觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)觸發(fā)是通過(guò)帶狀開(kāi)關(guān)撞擊實(shí)現(xiàn)數(shù)采系統(tǒng)的觸發(fā)。但在負(fù)坎試驗(yàn)中通過(guò)帶狀開(kāi)關(guān)觸發(fā)會(huì)影響撞擊壁障和車輛的重疊量,同時(shí)對(duì)電池包底部撞擊點(diǎn)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(jì)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(hào)處理模塊根據(jù)紅外線激光的變化進(jìn)行信號(hào)處理,然后通過(guò)繼電器模塊產(chǎn)生高低電平信號(hào),實(shí)現(xiàn)高壓電測(cè)量系統(tǒng)觸發(fā)。同時(shí),可以根據(jù)觸發(fā)時(shí)刻確認(rèn)數(shù)采系統(tǒng)零時(shí)刻。

1.3負(fù)坎試驗(yàn)速度確定負(fù)坎工況的電池包底部剮蹭主要出現(xiàn)在車輛低速行駛過(guò)程中,同時(shí)如果速度過(guò)快車輛將可能由于慣性從壁障上方飛過(guò)從而不能與壁障發(fā)生接觸。結(jié)合負(fù)坎高度和壁障高度,經(jīng)過(guò)分析調(diào)試確認(rèn)此次負(fù)坎試驗(yàn)速度設(shè)定為20km/h。車輛通過(guò)牽引系統(tǒng)加速,在高臺(tái)階跑道上速度達(dá)到20km/h后跌落,復(fù)現(xiàn)負(fù)坎工況。
2負(fù)坎試驗(yàn)及電池包底部損傷分析
試驗(yàn)后底部損傷照片,如圖6所示。

在負(fù)坎試驗(yàn)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(méi)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(yàn)過(guò)程中,電池包未出現(xiàn)開(kāi)裂或者擊穿。壁障Z方向力最大值為25300N,X方向力最大值為4093N。撞擊壁障Z方向力如圖7所示。

3結(jié)論
本文介紹了一種用于檢測(cè)電池包底部防護(hù)性能的負(fù)坎試驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)的壁障以及撞擊壁障可以在X、Y、Z3個(gè)方向可調(diào),以滿足轎車和SUV車輛的不同重疊量測(cè)試需求,用于復(fù)現(xiàn)實(shí)際場(chǎng)景中電池包的損傷情況,也可以用于驗(yàn)證汽車電池包在負(fù)坎工況中的抗沖擊性能。同時(shí)也設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)和高壓電的零時(shí)刻確定。
電池包底部損傷過(guò)程復(fù)雜,主要有塑性變形、開(kāi)裂和擊穿等失效模式。試驗(yàn)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(kāi)裂和擊穿等失效模式,后期可以調(diào)整壁障形式實(shí)現(xiàn)在負(fù)坎工況中,對(duì)電池包損傷進(jìn)行更深的損傷研究。