王凱 王正勇

中汽研汽車檢驗中心（廣州）有限公司 廣東省廣州市 511340

1 引言

電動汽車作為面向大眾的消費品，其安全性，是國內(nèi)外汽車制造商必須面對的現(xiàn)實問題。而電動汽車的一個重要特點就是車內(nèi)裝有高壓的動力回路，動力電池組的電壓遠(yuǎn)超過安全電壓，所以電動汽車碰撞試驗不同于傳統(tǒng)汽車碰撞試驗，由于涉及各種類型的動力電池，如果電池箱受到撞擊破壞，動力電池就有可能產(chǎn)生爆炸、起火及漏電等相關(guān)問題。同時電動車在車身重量和車身結(jié)構(gòu)等方面均與普通車存在一定區(qū)別，對碰撞試驗結(jié)果也會產(chǎn)生一定影響。相對傳統(tǒng)汽車來說，電動汽車在碰撞中需要考慮的安全問題更多。

由于電動車后部很可能有電池和電路布置，在設(shè)計開發(fā)和試驗環(huán)節(jié)考慮后碰安全很有必要。目前GB/T 31498《電動汽車碰撞后安全要求》和GB20072《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》對電動汽車后面碰撞做出了碰撞后的試驗要求。同時事故統(tǒng)計中電動汽車因為被追尾導(dǎo)致的嚴(yán)重事故不在少數(shù)，對其事故形態(tài)和測試方法進(jìn)行研究具有很強的實際意義。

2 電動汽車后面碰撞電安全分析

電動汽車碰撞試驗，除了應(yīng)符合傳統(tǒng)汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求，針對電動汽車結(jié)構(gòu)特點和特性，還應(yīng)符合電安全的標(biāo)準(zhǔn)要求。電動汽車國內(nèi)外主要法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是美國FMVSS 305、中 國GB/T 31498-2021和GB/T 19751-2005以及歐洲ECE R100等。

從不同標(biāo)準(zhǔn)比較中可以看出，電動汽車碰撞試驗在電解液泄漏和動力蓄電池保持位置等方面標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致：碰撞試驗后，動力電池電解液不許發(fā)生泄漏（30分鐘5L 且不進(jìn)乘員艙）；動力電池不許發(fā)生明顯移位（如未進(jìn)入乘員艙，未從車身甩出等）。

表1 電動車碰撞標(biāo)準(zhǔn)差異

電擊防護(hù)方面，從碰撞安全角度看，碰撞試驗前后測量和評價絕緣電阻是必要的,或者滿足低電壓、低電能、物理防護(hù)、絕緣電阻四選一：

(a) 高壓總線Vb，V1 和V2 的電壓小于等于30VAC 或者60VDC

(b) 低電能 高壓總線的總能量進(jìn)行測量時低于0.2 焦耳。

(c) 人體防護(hù) 防止和高壓電部分直接接觸,應(yīng)提供IPXXB 級防護(hù)

(d)絕緣電阻 DC 總線中最小為100Ω/V，AC 總線中最小為500Ω/V

區(qū)別于傳統(tǒng)汽車，電動汽車電安全性能的檢測方法目前主要集中于滿電或者正常工作狀態(tài)下電池包試驗前后絕緣電阻的測量。為了嚴(yán)格要求，我們可以理解為EV和PHEV 應(yīng)為完全充電，并在充電后24小時內(nèi)完成實驗，HEV 由于不能外部充電在正常運行狀態(tài)試驗即可。

為了更好地對電動汽車安全進(jìn)行評價，根據(jù)電動車的結(jié)構(gòu)特點，通常碰撞過程中電動車的碰撞開關(guān)會起作用將高壓電路切斷，如圖2 所示，我們可以將電動車分為電池包，電機電器及充電線路三部分。其中電池包為高壓帶電部件，電機電器為自身不帶電卻可能含有電容進(jìn)行充放電的部件，充電線路同樣為需要進(jìn)行高壓電防護(hù)的重要回路。對于電池包的電安全，我們可以進(jìn)行物理防護(hù)和絕緣阻值的測量，而對于電機電器電線等部件，除了上述兩種方法，我們還可以進(jìn)行低電壓和低電能的測量。

圖1 電動車追尾碰撞

圖2 電動車碰撞電安全

為了進(jìn)行上述測量，可以采用如圖3所示設(shè)備，包括絕緣電阻測量盒，電池狀態(tài)監(jiān)測盒，主動放電檢測盒等。所得結(jié)果中圖4 為電動車碰撞過程中，電池管理系統(tǒng)實時發(fā)送的數(shù)據(jù)，包括電池電壓，電量，溫度和絕緣阻值等信息，對于監(jiān)測電池包的安全具有很強的實際意義。電動車碰撞過程中，采集記錄的電動車電機電器回路的放電過程，可以清楚顯示電能和電壓的變化情況，可以判斷電動車非電池包部分的電安全情況。

圖3 電動車碰撞電安全測量

圖4 電動車碰撞電安全結(jié)果

3 電動汽車后面碰撞試驗方法

電動汽車一般是在原型車基礎(chǔ)上，進(jìn)行動力總成和儲能裝置的改造。由于儲能裝置一般放置于后備廂內(nèi)或車身底部，所以進(jìn)行追尾試驗的時候，由于擔(dān)心電池收到車身變形擠壓，同時碰撞試驗中由于車身加速度較大，電池和車身的連接方式也將受到?jīng)_擊考驗，是否發(fā)生竄動等電安全問題將是檢測的重點。目前成熟的后碰標(biāo)準(zhǔn)主要有FMVSS 301，GB20072 《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》,ECE R34，日本Attachment 111 等。不同法規(guī)對于試驗工況的規(guī)定不盡相同，從下表分析來看主要分為FMVSS 301 和GB 20072 兩種代表試驗工況。下面將就同一車型在這兩種試驗中的表現(xiàn)進(jìn)行對比。

表2 電動車后面碰撞標(biāo)準(zhǔn)差異

3.1 FMVSS 301 追尾試驗

FMVSS 301 法規(guī)規(guī)定在車輛前排安放兩個50 分位的試驗假人，假人應(yīng)按保持在座位位置上的方法進(jìn)行約束。燃油箱應(yīng)注入占其容量90%-95%代用液體。解除剎車制動，變速器置于空擋，輪胎按制造廠規(guī)定充氣。車輛載荷質(zhì)量為空車重量加額定載荷和固定在行李艙的行李重量以及測試假人重量，車輛以正常方式停住，壁障以80±1km/h 的速度撞擊試驗車輛，壁障的可變形面安裝在比法規(guī)214 規(guī)定的距地面高度低50mm 的碰撞壁障上。碰撞壁障碰撞方向與車輛的縱向中心線及行駛方向平行，公差在±5 度之內(nèi)。以70% 的重疊率進(jìn)行碰撞，碰撞的圖形如圖5 所示。

圖5 FMVSS 301 碰撞

圖6 為FMVSS 301試驗后的車輛尾部圖片，可以看出由于臺車質(zhì)量大，碰撞速度高，車輛尾部最大變形量達(dá)到190mm，電池包輕微竄動，電解液未發(fā)生泄露。碰撞嚴(yán)重擠壓了后備箱空間，對后備箱內(nèi)電池和車身底部的電器元件造成很大威脅，易造成電安全問題。但是在事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，高速追尾的情況屢見不鮮，通過這項實驗可以對電動車后面碰撞安全性的設(shè)計開發(fā)提供有力借鑒，比如將電池和電氣部件安置在非變形區(qū)等，經(jīng)過改進(jìn)后的車輛后部碰撞安全性將得到極大提高。

圖6 電動車FMVSS 301 碰撞

3.2 GB 20072 追尾試驗

GB 20072 法規(guī)定義碰撞裝置表面應(yīng)為平面，寬度不小于2500mm，高度不小于800mm。其棱邊圓角半徑為40～50mm，表面裝有厚度為20mm 膠合板。碰撞速度為（502）km/h。移動車和碰撞裝置的總質(zhì)量為（110020）kg。試驗車輛應(yīng)裝備計入車輛的整備質(zhì)量中的所有正常安裝的部件和設(shè)備，并且應(yīng)裝備涉及幾防火性能的部件和設(shè)備。應(yīng)向燃油箱加注至少容量90% 的燃料或其密度和黏度與正常使用燃油相近的非可燃液體。其他系統(tǒng)可以排空。變速器可不處于空擋位置，駐車制動器可處于制動狀態(tài)。

圖7 為GB 20072 試驗后車輛尾部圖片，雖然臺車質(zhì)量和碰撞速度相對較小，但是由于臺車前端結(jié)構(gòu)為平板而非蜂窩鋁，所以碰撞能量并未減少太多，結(jié)果為車輛尾部最大變形量約為100mm，電池包未發(fā)生電解液泄漏和移動，碰撞對后備箱和底盤空間的壓縮相對較小，但是將高壓器件布置在非變形區(qū)和減小沖擊等問題同樣需要考慮。

圖7 電動車GB 20072 碰撞

3.3 電池包與車身相對運動分析

電池包由于自身質(zhì)量較大，為了在碰撞過程中不發(fā)生移動避免甩出或者其他危害，需要與車身進(jìn)行牢固連接。為了評判是否安全，通常采取與車身的相對加速度和相對位移進(jìn)行分析。

在電動車研發(fā)初期，由于經(jīng)驗不足，在碰撞測試過程中會出現(xiàn)電池包與車身發(fā)生相對運動的情況，通常表現(xiàn)為存在相對加速度以及相對位移。隨著研究的深入，目前已基本無此類問題。

將某款混合動力車進(jìn)行FMVSS 301試驗，如圖8 所示，在電池中部以及車身B 柱分別粘貼加速度傳感器，從碰撞曲線可以看出，2 條加速度曲線在初始階段沒有明顯區(qū)別，無論是趨勢還是大小都基本相同，但是當(dāng)車身變形量較大，后碰臺車接觸到后備箱電池包，引起電池包加速度急劇升高，具有一定的危險性，有可能引起電安全和電池包移動等問題。為了應(yīng)對美標(biāo)法規(guī)，應(yīng)將電池包位置前移，避開變形區(qū)域，或者加強車身后部剛度，減少變形量。

圖8 FMVSS 301 電動車電池與車身加速度比較

將某款混合動力車進(jìn)行GB 20072 試驗，如圖9 所示，在電池中部以及車身B柱分別粘貼加速度傳感器，從碰撞曲線可以看出，2 條加速度曲線沒有明顯區(qū)別，無論是趨勢還是大小都基本相同，因此我們可以認(rèn)為電池包在碰撞過程中與車身無相對運動和位移，電池包與車身屬于緊固接近剛性連接。值得注意的是，為了更好地保護(hù)電池包，我們可以通過其他緩沖設(shè)計使得碰撞過程中，電池包的加速度變化小于車身。

圖9 GB 20072 電動車電池與車身加速度比較

3.4 試驗形式方面

由于進(jìn)行FMVSS 301 和GB 20072試驗的為同一車型，如圖10 所示，將兩次試驗的車身B 柱速度曲線進(jìn)行對比分析，兩條加速度曲線峰值大小沒有明顯區(qū)別，代表FMVSS 301 試驗雖然碰撞速度和臺車質(zhì)量都相對較高，但是由于其臺車前端的蜂窩鋁吸能結(jié)構(gòu)相對較軟，導(dǎo)致兩次試驗被車身吸收的能量并沒有太大區(qū)別。同時由于蜂窩鋁吸能影響，301 試驗加速度曲線時間明顯比20072 試驗加速度曲線時間長，更利于降低車身加速度峰值。綜合考慮，F(xiàn)MVSS 301 試驗更接近真實工況，但是試驗成本較高。

圖10 FMVSS 301 與GB 20072車身加速度比較

另外FMVSS 305 要求在完成208 里面包含的追尾碰撞后進(jìn)行靜態(tài)滾動試驗，即在完成碰撞試驗后，以每次滾動90 度的方式，將車輛沿縱軸方向進(jìn)行滾動時，該車輛應(yīng)能夠滿足絕緣電阻，電解液泄漏和固定的要求。這種方式一定程度上對電安全水平進(jìn)行了更嚴(yán)格的要求。值得一提的是，對于防止短路和過電流斷開裝置方面的要求，雖然各國法規(guī)沒有明確提及，但是對于在碰撞事故中防止乘員觸電是非常有效的保護(hù)方式。

4 結(jié)論

本文通過對電動汽車后面碰撞的電安全問題進(jìn)行研究，首先分析了國內(nèi)外電動汽車碰撞試驗標(biāo)準(zhǔn)，研究了電動汽車后面碰撞試驗方法，并結(jié)合實車碰撞試驗數(shù)據(jù)，分析了電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車在后面碰撞試驗中需要關(guān)注的問題，同時得出以下結(jié)論：

1 設(shè)計原則

a）動力電池在遭到劇烈碰撞工況時應(yīng)該切斷回路；

b）負(fù)載回路在動力電池切斷后應(yīng)能迅速放電釋放能量；

c）高壓線路布置應(yīng)該在車型開發(fā)前期就予以考慮，尤其考 慮電源不切斷工況如何保證線路不破損；

d）電池空間布置和保護(hù)設(shè)計（如托盤）。

2 結(jié)構(gòu)布置

a）動力電池包盡可能布置在車輛碰撞的非變形、吸能區(qū)域內(nèi),避免動力電池在碰撞中發(fā)生擠壓變形；

b）動力電池包的固定方式盡量采用與車身縱梁等穩(wěn)固件連接；單體電池采用獨立穩(wěn)定的整體框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定；

c）高壓配線位置的線路布置盡量與車身非變形結(jié)構(gòu)相連，同時加強高壓線的絕緣保護(hù)；

3 碰撞形式影響

a）FMVSS 301 追尾試驗，碰撞速度較高，臺車質(zhì)量較大，試驗車尾部變形較大，電池包受到車輛變形的影響較大，多次試驗出現(xiàn)過電池包移動現(xiàn)象。后面碰撞試驗應(yīng)該予以重點關(guān)注，將電器元件布置在安全區(qū)域。

b）GB 20072 追尾試驗雖然碰撞速度和臺車質(zhì)量均較低，試驗車輛尾部變形較小，但是由于臺車前端剛度大，試驗車加速度與美標(biāo)追尾相差無幾。