新能源汽车高压线束在机械外载下失效试验及仿真研究

赵 杨，徐小飞，吴海龙，葛宇龙

（1.清华大学苏州汽车研究院（相城），苏州 215000；2.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804）

前言

近年来，新能源汽车的市场占有率及产销量逐年提高，在碰撞事故中电池系统短路、起火、爆炸的事故也逐年增多，动力电池系统的安全研究已成为新能源汽车推广和普及中急需解决的关键问题。

高压线束作为新能源汽车电池系统的关键零件，连接着电池、配电箱及动力装置等，主要功能是安全传递电流。在碰撞工况下高压线束会承受柱面挤压、楔面挤压、扭拽等多种机械外载，很可能导致线束破裂失效，引起高压系统短路，造成起火、爆炸等后果，严重威胁乘员及车辆的安全。研究高压线束在机械外载下的失效特性和仿真方法对于高压系统电安全评估具有重要意义。

已有很多学者对高压线束在机械外载下的失效特性进行了研究。李健对高压线束分别进行了剪切和穿刺试验，分析了加载速度、冲头直径等对线束力学响应和失效位移的影响。郑昊天等通过对高压线束进行不同工况下静态剪切和穿刺试验，提出线束应重点考虑外部绝缘层的失效，同时避免小面积挤压和穿刺工况。郭建保等对高压线束进行了交叉挤压、棱边挤压和剪切3种静态试验，并利用LS−DYNA中的 MAT24号材料建立了高压线束等效导体−等效绝缘层的双组份模型与试验进行仿真对标。接桂利等利用整车全宽碰撞仿真分析了高压线束可能遭受的机械外载工况，并评估了失效风险。

现有文献对高压线束在机械外载下失效特性的研究大多是静态试验工况，缺少动态下线束的力学和失效特性研究。现有线束仿真模型也只与静态试验工况进行了对标，并不能模拟线束在动态工况下的力学和失效特性。本文基于高压线束在电池系统运行过程中可能遭受的挤压外载，设计了直径为5 mm的柱面冲头（以下简称D5）和夹角为60°的楔面冲头（以下简称V60）两种工况动静态下的挤压试验，分析了加载速度、加载工况对线束力学和失效特性的影响。并开展线束的3种主要组份材料护套、绝缘层和导体的力学试验，分别标定其材料模型。本文建立的高压线束单组份均质化模型和导体−等效绝缘层双组份模型均与动静态工况下的试验结果进行了对标，两种模型分别利用单元删除和等效绝缘层最内层单元删除来预测线束失效，结果表明两种模型均能准确仿真线束在动静态挤压工况下的力学特性和失效特性，可用于新能源汽车电池系统的碰撞安全设计和碰撞电安全评估。

1 试验设计与方法

1.1 试验材料

本文试验所用圆柱形高压线束如图1所示，线束外径15.8 mm，从外至内依次为护套（厚度1.35 mm）、隔离层（厚度0.02 mm）、屏蔽层（厚度0.5 mm）、绝缘层（厚度1.18 mm）和导体铜芯（直径9.7 mm）。其中，护套是橡胶材料，主要用于保护整个线束；隔离层为一层铝箔；屏蔽层是由铜丝编织而成，用于屏蔽导体中由于电流变化而引起的电磁波；绝缘层为橡胶材料，用于隔离电流；导体由铜丝缠绕而成，用于传递电流。

图1 圆柱形高压线束

1.2 试验设计与方案

文中分别针对高压线束整体结构和线束组份材料进行试验，为了验证试验数据的有效性，文中每种类型试验均重复3次，试验类型及参数见表1。考虑到隔离层和屏蔽层对线束结构的承载能力影响很小，本文仅对护套、绝缘层和导体3种组份材料进行力学性能试验和材料模型标定。对护套和绝缘层这两种橡胶材料分别进行单向拉伸和压缩试验，对导体进行平面压缩和D15柱面压缩试验，相应的试验类型及试件见图2和图3。

图2 线束组份材料试验

图3 线束组份材料试样

表1 试验类型及参数

静态加载（本文使用1.5 mm/min）用于获取线束组份材料和结构在静态下的力学特性。根据Hampton等研究结果，有近50%汽车碰撞事故发生在速度0~20 km/h（5.56 m/s）之间，考虑到车身周围的吸能结构，车内部件承受的碰撞速度会有所降低，本文使用4 m/s（锤头配质量40 kg）来进行线束结构的动态试验。

线束结构试验中将线束切割成50 mm长度，基于高压线束在电池系统运行过程中可能遭受的典型圆柱面和较尖锐的楔形面的挤压外载，本文分别使用D5柱面和V60楔面冲头在动静态两种速度下对线束进行加载，如图4所示。

图4 线束结构挤压试验

1.3 试验设备

本文的主要试验设备如图5所示，高压线束的静态挤压和3种组份材料的试验均在万能试验机上进行，线束的动态挤压试验在落锤试验台上进行。静态试验使用工业CCD相机拍摄，动态试验使用高速相机拍摄，所有试验统一使用非接触变形测量系统计算试验过程中试件的变形、锤头位移等信息。图5中动态应变仪和电池测量仪用于采集动态试验中传感器的载荷信号以及监测冲头与线束导体的短路。

图5 主要试验设备

线束结构的动静态挤压试验中冲头与线束导体短路监测方案见图6。静态挤压利用万用表的“欧姆档”分别连接冲头和线束中间导体，试验中冲头与导体接触时，万用表的示数由无穷大变为一个较为稳定的电阻值；动态挤压利用电池测量仪内的10 V直流电源分别连接冲头和线束导体，并通过动态应变仪实时采集电压信号，当冲头与导体接触时，电压信号由接近10 V变为接近0。静态试验短路监测时，由于相机将万用表的示数与实验过程一起拍照记录，使得对短路的判断简洁清晰，但由于万用表对于输入的信号存在一定的反应时间及静态相机采样频率的限制，此种监测方法不适用于动态；动态短路监测方案相比于静态，由于动态应变仪及采集卡的采样频率远高于静态，因此可以准确监测线束在动态下的短路，但是无法直观地从相机拍摄的照片中判断出线束的短路时刻。

图6 线束结构挤压试验冲头与导体短路监测方案

2 试验结果与仿真对标

根据线束组份材料和线束结构试验得到不同类型试验结果。本文选用LS−DYNA软件进行线束的仿真建模，模型均使用体单元网格，采用软件中不同的材料模型来表征线束的组份材料和线束整体的力学响应，以及破裂短路现象，组份材料及两种仿真模型的主要标定参数如表2所示。

表2 组份材料及两种仿真模型主要标定参数

护套和绝缘层两种组份材料标定LS−DYNA的*MOONEY−RIVLIN_RUBBER（MAT27）号 材 料 模型。对导体使用*PIECEWISE_LINEAR_PLASTICIT（MAT24）号材料模型标定。线束的均质化模型选用*MODIFIED_HONEYCOMB（MAT126）号材料模型。双组份模型外部等效绝缘层采用MAT27号材料模型，内部导体采用MAT24号材料模型。两种模型均通过*MAT_ADD_EROSION添加相关失效参数。

2.1 组份材料试验结果与仿真对标

2.1.1 护套试验与仿真对标

如图7所示，护套的静态拉伸和静态压缩3次试验均具有较好的重复性，将拉伸与压缩试验曲线联合拟合出MAT27材料卡片中的工程应力应变曲线，并按要求输入其它参数。仿真使用实体网格建模，仿真与试验对标结果表明本文使用MAT27号材料建立的护套模型能较好地表征出护套在大变形下的力学特性。

图7 护套试验与仿真结果

2.1.2 绝缘层试验与仿真对标

绝缘层的试验结果表明其性能与护套相近，仿真对标方法与护套类似，试验及仿真结果见图8。

图8 绝缘层试验与仿真结果

2.1.3 导体试验与仿真对标

导体使用MAT24建立实体网格模型，图9展示了平面压缩和D15柱面压缩的仿真与试验对标结果，表明MAT24号材料建立的导体模型能较好地模拟出其在压缩状态下的力学特性。

图9 导体试验与仿真结果

2.2 线束结构试验结果与仿真对标

本文研究开发了线束结构的仿真方法，分别为双组份模型和均质化模型。

双组份模型即根据线束的真实结构建立的模型，模型由导体和等效绝缘层构成，导体按实际尺寸建模，等效绝缘层的尺寸为导体外部所有组份材料之和，网格大小约为1 mm，如图10所示。其中导体材料采用MAT24号卡片模拟，等效绝缘层材料采用MAT27号卡片模拟，为了表征其失效特性，外部等效绝缘层通过线束试验短路时刻逆向标定出失效参数剪应变，以最内层单元删除作为线束的短路判据。同时为了满足静动态工况适用性，通过动态试验标定出线束内部导体的应变率效应。

图10 线束双组份模型

均质化模型忽略了线束内部结构，基于线束试验表现出的力学特征，选取并标定适用的本构模型。本文采用MAT126模型来表征线束的均质化特性，模型如图11所示，网格大小约为2 mm。使用线束准静态挤压试验结果提取强化特性曲线，再利用线束动态试验标定应变率效应曲线，最后通过线束结构试验短路时刻逆向标定出失效参数主应力和等效应力，两者同时达到时单元删除，以单元删除作为线束的短路判据。

图11 线束均质化模型

2.2.1 导体−等效绝缘层双组份模型标定

图12展示了线束在D5柱面和V60楔面两种工况动静态挤压下的试验及双组份模型仿真结果。对比图12（a）与图12（b）两种工况下的载荷位移曲线可以看出，该模型可以较准确地模拟出线束在短路前的力学响应，但由于仿真采用了单元删除这一失效形式，单元删除后模型的承载能力降低，导致短路后仿真的力学响应弱于试验。同时，加载速度的提高会使线束的力学响应升高，峰值力提前。对比试验中线束的短路位移可以发现，线束在V60动静态工况下的平均短路位移约为4.4和6.2 mm，显著小于D5工况下的7.5和9.1 mm，表明线束的短路行为与冲头形状和加载速度高度相关，较高的加载速度和较小的挤压面积均会减小短路位移。

图12 线束双组份模型仿真对标结果

线束的双组份模型仿真结果表明，在D5和V60两种工况动静态加载下，单元删除前载荷位移曲线与试验均较吻合，说明该模型可以较准确地模拟出线束在不同工况下的力学响应。在V60工况下动静态仿真等效绝缘层最内层单元删除时刻的位移分别为4.2和6.2 mm，与试验结果4.4和6.2 mm基本一致，表明该仿真模型可以准确预测线束在V60等小面积挤压工况下的力学和失效特性。在D5工况下动静态仿真的失效位移分别为6.0和7.5 mm，相对试验结果7.5和9.1 mm有所提前，说明在D5柱面挤压工况下该仿真模型的失效判据较保守。

2.2.2 均质化模型标定

图13展示了线束均质化模型仿真与试验结果对比。通过载荷位移曲线可以看出，该模型可以准确模拟出线束在不同工况动静态加载下短路前的力学响应。与双组份模型相比，均质化模型的网格大，导致均质化模型短路单元删除后模型的力学响应降低的更多，因此短路后的力学响应与试验差别更加明显。两种工况静、动态试验后的试件形貌见图14。

图13 线束均质化模型仿真对标结果

图14 线束试验后试件

仿真在D5动静态工况下的失效位移分别为4.4和6.0 mm，小于试验的7.5和9.1 mm，而在V60工况下的失效位移分别为4.1和6.1 mm，与试验结果4.4、6.2 mm十分接近。结果表明，该模型可以准确模拟出线束在不同加载工况和不同加载速度下的力学特性，在D5柱面挤压工况下，该模型的失效判据相对保守，而在V60等小面积挤压工况下，失效判据准确。

2.2.3 线束模型仿真精度分析

高压线束在D5和V60两种工况动静态加载试验下的失效位移及两种仿真模型的失效位移统计见表3。对比结果显示在V60动静态工况下，两种模型的失效位移与试验结果非常一致，失效位移偏差均在8%以内，两种模型均可准确地预测该种小面积挤压工况下的短路风险。在D5动静态工况下，两种模型失效位移相对试验均有所提前，在动态D5工况下两种模型失效位移与试验结果偏差分别为20.01%和41.33%，均质化模型失效位移较双组份模型更加保守。两种线束仿真模型的短路时刻见图15。

表3 线束结构试验与仿真失效位移对比

图15 两种模型短路时刻

总体来看，两种模型的失效判据均相对保守，在最恶劣小面积挤压工况（V60）下的预测精度较为准确，仿真结果可以作为高压线束在机械外载下短路失效的保守判据。

两种模型相比，均质化模型的网格尺寸大、材料种类少，从而仿真的计算效率高。双组份模型的网格小、组份材料及建模更加精细，对于线束短路之后力学响应的模拟也优于均质化模型，但仿真计算效率不及均质化模型。因此，在两种模型的实际运用中，双组份模型适合用于零部件级的仿真，而均质化模型更适用于子系统及整车级别的仿真分析中。

3 结论

本文设计并开展了高压线束组份材料的力学性能试验和高压线束结构在D5柱面、V60楔面两种工况准静态、动态加载下的力学试验，获取了线束组份材料的力学特性，以及线束结构在不同外载工况和加载速度下的力学和失效特性，为高压线束在机械外载下的失效特性研究提供了较好参考。基于试验结果，建立了线束导体−等效绝缘层双组份和均质化两种有限元仿真模型，仿真结果与线束在不同工况机械外载下的试验结果进行了对标，结论及展望如下。

（1）高压线束在机械外载下有很强的动态效应，动态外载会显著提高线束的力学响应。线束的失效特性与外载工况、加载速度高度相关。提高加载速度、尖锐物挤压（V60）均会降低线束的失效位移，增大失效风险。电动汽车高压线束在车内布置时应该远离尖锐物体，避免遭受到尖锐物的挤压。

（2）本文建立的高压线束两种有限元仿真模型均可较准确地模拟出线束在不同工况动静态加载下的力学特性和失效特性。两种模型采用的单元删除这一失效判别依据，在V60楔面挤压工况下两种模型的失效位移均与试验结果十分接近，在D5柱面挤压工况下两种模型的失效位移相对试验均有所提前，结果相对保守，可以为安全设计提供一定的余量。在新能源汽车碰撞安全仿真中，两种模型的仿真结果可作为高压线束短路失效的判别依据，对电安全风险进行评估。

（3）基于计算效率及精度的考虑，本文建立的双组份模型更适用于零部件级的仿真，而均质化模型更适用于子系统及整车级别的仿真中。

（4）本文对于高压线束的试验及仿真研究均为挤压工况，并未开展线束在拉拽、剪切等其他工况下的试验，对于此类工况缺少线束的失效判据，有待后续研究。