电动汽车碰撞电安全性风险及仿真分析*

接桂利朱西产曹亦兴张绍卫马志雄

（1.同济大学 汽车安全技术研究所；2.上海东方久乐汽车安全气囊有限公司）

电动汽车碰撞电安全性风险及仿真分析*

接桂利1朱西产1曹亦兴1张绍卫2马志雄1

（1.同济大学 汽车安全技术研究所；2.上海东方久乐汽车安全气囊有限公司）

以某电动汽车为研究对象，建立了整车有限元仿真模型，并选取C-NACP全宽正碰工况进行碰撞仿真，通过有限元仿真方法分析了电动汽车在碰撞中高压电部件和高压电线可能存在的电安全性风险。结果表明，该电动汽车前舱内的PCU、驱动电机连接失效的风险较大，PCU外壳有被侵入的风险；多处高压电线存在挤压破坏风险，有可能导致漏电短路；DCDC接口弯折变形严重。

1 前言

电动汽车的碰撞安全问题，特别是高压电部件如动力电池组、PCU（电机控制器）、DCDC（直流转换器）以及高压电线部分在碰撞中的电安全性风险，一直是阻碍电动汽车发展的主要问题。电动汽车相比于传统汽车在碰撞中的特殊性体现在两方面，一是高能量、大质量的动力电池在碰撞中受到挤压损伤时可能会引起起火、爆炸；二是高电压的电驱动系统碰撞后可能会与乘员发生直接或间接接触从而引发电击伤害[1～3]。因此，电动汽车的碰撞电安全性越来越受到关注。本文以某款电动汽车为研究对象，通过有限元仿真方法进行碰撞电安全性分析，进而指导电动汽车的结构设计。

2 电动汽车碰撞电安全性风险分析

由于有限元仿真无法模拟电路情况，不能直接从电气参数来判断电安全性，所以首先分析电动汽车在碰撞时高压电可能造成的风险，针对高压电风险确定碰撞中对高压电部件以及高压电线的安全性评价。

2.1 高压电部件安全性分析

2.1.1 连接失效

由于大多数电动汽车是由内燃机原型车改装而来，其高压电部件往往通过螺栓连接在固定支架上，所以车辆碰撞时产生的过大冲击载荷会引起连接螺栓的强度失效，从而导致高压电部件脱离连接。另外，碰撞中固定支架的强度不足也会使高压电部件相对于连接位置产生较大位移。

2.1.2 侵入

高压电部件在碰撞中可能会受到其它部件的挤压，使其外壳发生严重变形，进而造成对部件内部的侵入，破坏其完整性。高压电部件内部电路结构复杂，工作电压较高，外部侵入可能造成内部短路风险。

2.1.3 冲击

在碰撞过程中，当车身部件受到巨大冲击时，会造成动力电池内部结构的破坏，以至发生内部短路甚至起火爆炸的危险。其它高压电部件暂不考虑冲击风险。

2.2 高压电线安全性分析

2.2.1 挤压

高压电线的外层护套为聚氯乙烯材料（150%以上[4]），当受到横向剪切时很容易被刮破，使线束内部铜线裸露，一旦此处接触到车身就可能产生对地短路。另外，高压电线接口会在碰撞冲击以及其它部件对其挤压下发生严重扭曲变形，变形的接头会引起高压电线接触不良，造成接触电阻增大，会因局部过热造成绝缘层破坏，从而增大了高压电线的短路风险。

2.2.2 拉伸

电线中的导线主要是铜绞线，铜绞线的断裂应变为0.6，易受拉断裂。在碰撞过程中，与部件相连接的高压电线可能受到拉扯，一旦拉力过大就会使电线中的铜绞线发生断裂，进而引起突然断电并产生电火花。

3 电动汽车结构及有限元建模

3.1 电动汽车结构

本文中使用的电动汽车模型是一辆基于内燃机汽车改装的纯电动汽车，大部分的车身结构沿用了内燃机汽车的车身结构，其技术参数见表1。在该电动汽车前舱区域，去除了发动机模块和变速器，安装了1个双横梁支架。通过螺栓连接的方式将PCU、高压接线盒以及蓄电池固定在支架上方，将空调压缩机、电机以及充电器安装在支架下方。DCDC通过支架及螺栓固定在电动汽车前舱的前围板前，如图1所示。

表1 电动汽车技术参数

电动汽车中装配2个电池模组，其中1个位于后排座椅地板下方，如图2所示。该电池箱焊接在地板下部，装入电池后再用30个M10螺栓把盖板与电池箱连接。另1个电池组安装在行李箱内，如图3所示，是将原型车的备胎槽改装成矩形区域，电池箱通过8个M10螺栓与车体相连。

3.2 高压电部件

选取PCU、驱动电机、DCDC、后排座椅下电池及行李箱内电池作为高压电部件进行考察。高压电部件模型分为外壳和内部两部分。外壳的网格单元材料选用24号弹塑性材料来模拟，高压电部件内部建成刚性体。图4为PCU仿真模型。因驱动电机外壳是铸造而成，在碰撞中很难发生较大变形，所以在仿真中处理为刚性体。

3.3 高压电线

高压电线外层（聚氯乙烯绝缘层）的网格单元选用三角形壳单元，选用24号材料，根据聚氯乙烯的力学性能确定材料参数。高压电线内部的铜绞线网格单元选用四面体网格，也选用24号材料，内部实体网格的材料参数根据铜的力学性能来确定。高压电线的内、外层单元通过共节点的方式连接在一起。高压电线路布置如图5所示。

为方便后期对高压电线的碰撞分析，对前舱内电线进行编号，如图6所示，电线两端连接部件见表2。

表2 高压电线连接部件

4 正面碰撞仿真分析

在C-NCAP正面100%重叠刚性壁障碰撞中，电动汽车以50 km/h的速度撞击固定的刚性壁障。

4.1 高压电部件碰撞电安全性分析

4.1.1 连接失效分析

从仿真结果中分别提取4个PCU连接螺栓所受拉力及剪切力，如图7和图8所示。螺栓的许用拉应力为160 MPa，许用剪应力为68.5 MPa。

经校核计算，连接PCU的4个螺栓的拉应力和剪应力均超出许用值，4个螺栓在碰撞中有断裂风险，PCU连接失效的可能性较大。另外，分析PCU连接支架应变云图发现，PCU的连接支架在副驾驶侧最大应变为0.4582，超出材料断裂应变，如图9所示。

驱动电机的4个连接螺栓的应力经校核后也都超过了许用值，存在断裂风险。另外，从电机连接支架的应变云图（图10）可看出，4个支架均发生了变形，其中靠近驾驶员侧支架产生的应变大于材料的断裂应变，最大应变值为1.358，驱动电机也存在连接失效的风险。

经分析，DCDC、后排座椅下电池及行李箱内电池的连接支架和螺栓均没有失效风险。

4.1.2 侵入分析

根据正面碰撞仿真结果可知，前纵梁发生较大弯曲，使支架带动PCU向下倾覆，同时发动机罩盖也发生了严重弯曲，挤压到PCU的上罩盖及外壳上端，使其向内凹陷，如图11所示。

从PCU的应变云图（图12）可看出，PCU上罩盖及外壳上端因受到挤压发生了明显变形，最大侵入量达到12 mm。此外，这一区域应变也大于材料应变，最大应变值为0.768 7，致使外壳结构发生破坏。

DCDC散热片由于被PCU连接支架以及高压电线挤压而发生了较大变形，但DCDC的核心区域没有明显变形，如图13所示，因此可认为DCDC没有被侵入的危险。

由碰撞仿真结果可知，后排座椅地板下方和行李箱区域均未发生过大变形，电池也没有受到其它部件的挤压，因此都没有被侵入的风险。

4.1.3 冲击分析

碰撞加速度波形能较好地反映出动力电池组受到的冲击载荷。如图14所示，在碰撞仿真中，后排座椅下部电池所受最大加速度约为40g，行李箱内电池最大加速度达到43g。

4.2 高压电线碰撞电安全性分析

4.2.1 挤压风险分析

在碰撞仿真中，电动汽车前舱为变形吸能区，高压电线1被散热器的散热片挤压，如图15所示。这是因为在碰撞中汽车前端变形量较大，前端支架模块大幅度地向后运动，使得散热片挤压到了高压电线1。

图16为散热片与高压电线1的间距在碰撞中的变化，由图16可看出，两者间距随时间的增加急剧下降，在25 ms时散热片与高压电线1相接触。

在碰撞仿真中，高压电线6被DCDC散热片挤压，挤压位置如图17所示。由于高压电线6布置位置距DCDC散热片较近，碰撞中在其向后运动的过程中接触到DCDC两侧的散热片。而DCDC散热片可能会切断高压电线6的绝缘层，因此高压电线6有受到挤压的风险。

图18为DCDC散热片与高压电线6在碰撞中的间距变化，在碰撞第48 ms时高压电线6与DCDC散热片相接触。

在碰撞仿真中，高压电线4被前端横梁挤压，挤压位置如图20所示。这是由于前端横梁在碰撞中变形，挤压到放置在前纵梁上的高压电线4。

图20为高压电线4与前端横梁在碰撞中的间距变化，在碰撞到35 ms时高压电线4与前端横梁接触，高压电线4受到挤压。

碰撞中，DCDC的高压电线接口变形明显，如图21所示。由于DCDC的下端在碰撞中受到前方部件向后挤压，使DCDC发生了向前翻滚运动，而连接高压电线的接口在此刻发生了明显的弯折变形。

图22为DCDC高压电线接口在碰撞中与DCDC上表面之间的角度变化。由图22可看出，开始时两者为垂直状态，在碰撞约55 ms时，DCDC高压电线接口的弯折角度最大，两者之间约达到70°角。

4.2.2 拉伸风险分析

高压电线内部导线为绞合制成的铜绞线，根据GB/ T3953—1983电工圆铜线的规定，电工圆铜线的伸长率必须大于0.35，其断裂时塑性应变为0.348。图23为高压电线的应变云图，其最大应变值为0.281，位置在高压总线前端，没有达到铜线的断裂应变，所以在碰撞中高压电线没有被拉断的风险。

由碰撞仿真分析可知，该电动汽车前舱内的PCU及驱动电机连接失效的风险较大，另外PCU有被侵入的风险；多处高压电线存在挤压风险，有绝缘层破坏导致漏电短路的可能；DCDC接口弯折变形严重。因此，该电动汽车在结构布置设计时应注意以下问题。

a.高压电部件应布置在车身结构变形较小的位置，并且保证与车身连接安全牢固。

b.合理布置高压电线的走向，避免布置在易受挤压的位置，增加线束扎带与车身稳固连接，同时加强高压线的绝缘保护。

c.因改装的电动汽车质量比原型车有所增加，所以应优化前端吸能结构，避免过大冲击对电池组的损坏。

5 结束语

针对电动汽车的碰撞安全性问题，建立了某电动汽车整车有限元仿真模型，选取C-NACP全宽正碰工况进行碰撞仿真，分析了电动汽车在碰撞中高压电部件和高压电线可能存在的电安全性风险。结果表明，该电动汽车前舱内的PCU、驱动电机连接失效的风险较大，PCU外壳有被侵入的风险；多处高压电线存在挤压破坏风险，有可能导致漏电短路；DCDC接口弯折变形严重。通过仿真试验结果可判断出电动汽车的电安全性，进而可指导电动汽车的结构设计。

1 刘振刚.汽车火灾原因调查.天津：天津科学技术出版社, 2008.

2 王凯,李向荣,白鹏,电动汽车在碰撞试验中的电气安全.汽车安全与节能学报,2012，3（1）:34～37.

3 朱建新，郑荣良，卓斌，等,电动汽车高压电安全诊断与控制策略的研究.汽车工程,2007，29（4）:308～312.

4 GB8815—2002电线电缆用软聚氯乙烯塑料.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2014年7月14日。

Risks and Simulation Analysis of Electric Safety in Electric Vehicle Crash

Jie Guili1,Zhu Xichan1,Cao Yixing1,Zhang Shaowei2,Ma Zhixiong1
（1.Institute of Automotive Safety Technology,Tongji University；2.Shanghai East Joylong Motor AirbagCo.,Ltd）

A vehicle FE simulation model is built with an electric vehicle as research object,and C-NCAP full width frontal crash is simulated.With FE simulation,the risks of crash electric safety of EV high-voltage components and high-voltage wires in crash are analyzed.The results show that PCU in the front compartment and the drive motor are exposed to high risk of electric connection failure,and PCU housing is risked with being intruded.High-voltage wires at many parts are risked with being squeezed and damaged,which may easily leads to electric leak and short circuit,and the DCDC interface is bent and deformed seriously.

Electric vehicle,Electric safety in crash,Simulation analysis

电动汽车 碰撞电安全性 仿真分析

U467.1+4

A

1000-3703（2015）03-0042-05

国家“863”高技术项目（编号2012AA111205）资助。