燃料电池客车后置散热器的托底性能开发思路

程若愚，徐茂青，李 智，长冈宏

(一汽丰田汽车有限公司技术研发分公司 天津 300462)

0 引 言

汽车托底是最常见的汽车误用工况，对于传统车而言，托底危害主要集中于油底壳变形、底盘部件变形、排气管变形脱落等情况，并不会对车辆乘员造成伤害。因此，托底工况更多被应用在气囊传感器标定环节[1]。近年来出现多起因动力电池托底引发的车辆起火案件[2]，对于电动车而言，通过托底工况对电动化部件的结构强度、防护性能进行评估十分必要。目前行业内通常利用托底试验和刮底试验 2种方式对动力电池的托底性能防护进行开发、验证[3-4]。但对于其他电气化相关部件的托底性能验证方法而言，目前行业内尚未得到统一。

当散热器因托底出现破损、漏液等情况时，极有可能导致动力控制单元以及电机过热，致使车辆动力丧失。本文以某车型托底性能开发为例，对托底性能工况设定问题和改进手段进行了深入研究。

1 托底工况分析

1.1 托底工况调研结果整理

对某论坛用户评论数据进行分析整理，得出图 1的调查结果。可以看出国内托底工况主要发生在非铺装路、落石、路缘石、减速带和铺装坏路等道路特征的路面[3]。

图1 托底工况调查结果Fig.1 Investigation results of underbody damage

根据以往对车辆托底调查研究结果，对托底路面的道路特征和分布地区进行总结，容易托底的道路具有以下特征。

1.1.1 非铺装路

非铺装路主要分布在农村地区和城市内的施工区域，如图 2所示，非铺装坏路具有连续起伏且凹凸不平的道路特征，托底部位集中在乘员舱下地板区域。

图2 非铺装坏路Fig.2 Unpaved bad road

1.1.2 落石

落石主要出现在山体结构不稳定的山区地带，驾驶员因视线盲区或车速过快等原因，车辆与落石碰撞，托底部位集中在前副车架区域。

1.1.3 路缘石

路缘石主要出现在城区，用于分割机动车道和人行道。根据《城市道路设计规范》5.5.2款规定，路缘石的外露高度在100～150mm之间[5]，路边驻车时车辆与路缘石发生干涉，托底部位集中在车辆前悬、后悬部位和车辆中部位置。

1.1.4 减速带

减速带是用于提示车辆减速的一种措施，城市和村屯内的道路均有分布。大多数区域采用市场售卖的减速带，其最大高度小于 70mm；但部分地区存在如图 3所示的自制水泥减速带，最大高度可达115mm，托底部位集中在车辆中部和后部。

图3 减速带Fig.3 Speed breaker

1.1.5 铺装坏路

铺装坏路主要分布在城郊结合地带，道路因长时间受重型货车碾压，易出现变形、破损等情况。如图4所示，道路普遍具有凹坑、弹坑等外观特征，托底部位主要集中在车辆前部和后部。

图4 铺装坏路Fig.4 Paved bad road

1.2 托底工况设定

托底工况按照贴合实际使用环境的原则进行设定。本次开发车辆用途为北京冬奥会选手摆渡和后期机场示范运营，车辆使用范围限定在城区、机场区域。在上述使用范围内，道路以铺装路为主，具有良好的道路条件。故本次开发排除非铺装路和落石相关托底工况，并将可能出现的路缘石和减速带工况纳入到考核范围。

此外，从预防角度出发，应适当提高托底防护性能的安全量，并将城郊结合地带易出现的弹坑、凹坑类型的铺装坏路工况纳入到本次考核范围。

2 通过性参数研讨

通常情况下，散热器布置在发动机舱前侧，通过水箱框架实现固定以及托底防护。但针对如图 5所示布置在车辆后悬处的散热器布置方式，托底防护性能需要重新验证开发。

图5 散热器布置位置Fig.5 Layout position of radiator

考虑到车辆在总布置阶段时各项性能参数、零部件布置尚处于研讨状态，无法利用工程样车和 CAE手段进行仿真评价。因此，本次总布置阶段主要通过设定最小离地间隙、离去角，以实现车辆对车辆托底性能的定义。

2.1 散热器布置

对标竞品车型如图 6所示，2款竞品车型在L6000～6500mm范围内零部件的离地间隙均在241mm 以上。通过网络检索、用户访问等手段调查发现，竞品车在市场中并未出现托底相关案件，此时可以认为当散热器布置在离地间隙 241mm以上的高度位置时能够有效避免托底状况的发生。

图6 竞品车离地间隙对标Fig.6 Ground clearance survey for competitive cars’benchmark

此外，考虑到散热器布置在车辆后部还应满足车辆离去角设定要求，综合离去角、离地间隙及布置空间、布置难度等因素，总布置阶段散热器的满载离地间隙设定为254mm。

2.2 发生问题和改进方向讨论

按照拟定的工况进行评价，在进行如图7所示的减速带通过工况时，测试车辆散热器发生托底情况。如图 8所示，散热器托底后，下侧横梁发生塑性变形，并产生对储液罐的横向拉力，导致储液罐与散热器本体发生分离，发生如图9所示的冷却液泄露的问题。由于冷却液泄露可能导致车辆出现电机和动力单元过热，极端工况下还可能导致车辆动力丧失，故会造成安全隐患。根据试验目标定义，散热器需要进行设计改进。

图7 减速带工况评价Fig.7 Test pattern of speed breaker

图8 散热器变形托底变形情况Fig.8 Deformation of radiator after underbody damage

图9 散热器冷却液泄露Fig.9 Radiator coolant leakage

由本次散热器失效模式可知，本次改进方案应当从避免散热器下侧横梁变形的方向着手。从提升散热器下侧横梁的屈服强度和提高散热器离地间隙避免托底工况两种方向进行方案可行性研讨，如表1所示。综合考量变更规模、设计难度、制造成本、用户感知等因素，最终选定抬高散热器离地间隙的方案进行设计改进。

表1 改进方案一览Tab.1 List of improvement schemes

2.3 必要离地间隙研讨

开发过程中采用实车试验为主、CAE辅助的技术验证方式，研讨散热器的必要离地间隙。

2.3.1 原型车离地间隙试验

考虑到本次开发车辆 KC特性与原型车 KC特性基本一致，利用原型车进行必要的离地间隙研讨，对获取散热器必要离地间隙具有一定指导意义。

利用原型车试验，将轴荷调整至开发车辆的满载设计值。在原型车相同位置安装如图 10所示的试验工装模拟散热器位置。同时，将油泥按照 100mm 的间距粘贴至试验工装下表面，并利用油泥的变形特性测定在减速带工况下散热器必要的布置高度。

图10 散热器模拟试验工装Fig.10 Radiator’s frock for simulated test

以不同车速行驶通过减速带，并将各车速下的粘土残余量转化为必要的离地间隙。为了消除测量、驾驶等试验误差，各车速分别进行 3次试验，并取最大值作为最终试验数据。结果如图 11所示，可以看出当车速为10km/h时整车X方向坐标6250mm处结果最为严苛，离地间隙需要调整至270mm以上。

图11 散热器离地间隙测试结果Fig.11 Result of radiator’s ground clearance test

2.3.2 CAE验证离地间隙可行性

由于实车检验过程中忽视了簧下质量对车辆运动姿态变化的影响，故利用 ADAMS搭建整车模型和虚拟评价路面对改进后的散热器离地间隙进行分析。分别在改进后的散热器和路面处添加位移传感器，通过两者间相对位移比较来明确散热器离地间隙的合理性[6]。同时，为了能够明确仿真模型是否与实车结果评价的一致性趋势，在上一阶段同样发生托底的温调箱处同样添加位移传感器。

从仿真结果可以看出，图12中温调箱轨迹(蓝色虚线)与减速带(红色实线)相对距离约-3mm，发生干涉，与图 13中温调箱下侧支架划伤的结果具有较高的一致性。图 12中改进后的散热器(粉色虚线)与路面(红色实线)最小相对距离约-1mm，推断散热器仅产生划伤情况，满足托底防护性能目标。

图12 温调箱支架&散热器运动轨迹仿真结果Fig.12 Simulation result of displacement for temperature controller box’s bracket and radiator

图13 温调箱支架实车评价结果Fig.13 Test result of temperature controller box’s bracket

考虑到改进后散热器仍存在托底及石子卷入散热器风扇转子部引起风扇损坏的风险，本次改进方案在提高离地间隙的同时，追加树脂护板对散热器风扇电机进行保护，护板结构如图14所示。

图14 散热器护板示意Fig.14 Diagram of undercover for radiator

2.4 改进后的试验验证

对改进后的样车再次进行托底性能评价，结果如图 15所示，散热器下侧护板划伤，散热器本体并未出现变形、冷却液泄露等问题，满足开发目标。

图15 改进后散热器验证结果Fig.15 Evaluation result of improved radiator

3 结 论

针对布置于车辆后部的散热器托底防护性能开发，提出了一种基于实际使用环境的开发思路。通过对工程问题的解析与改进，初步验证了该思路的有效性。但在本次开发的整体流程中，仍有一些环节需要优化。对于今后托底防护性能开发，将从优化 CAE介入时机、扩展 CAE仿真领域两方面入手，以提高托底防护性能的开发效率。