电动汽车后部碰撞试验的电安全研究

许书军，张亚明，乐中耀

（中国汽车工程研究院，重庆 401122）

电动汽车后部碰撞试验的电安全研究

许书军，张亚明，乐中耀

（中国汽车工程研究院，重庆 401122）

基于我国电动汽车后部碰撞电安全试验标准缺失的现状，结合国际成熟的标准法规，研究了相关的试验流程和方法。通过实车碰撞试验，验证分析了方法的有效性。提出了需要重点关注的电安全试验项目，为我国有关标准的制定提供参考依据。

电动汽车；后部碰撞试验；电安全

随着新能源汽车成为汽车产业转型升级的重要战略方向，我国电动汽车产业发展迅猛，产业规模已超越美国成为全球最大，然而其中的电安全问题也日渐凸显。在世界车辆法规协调论坛（UNECE/WP29）的框架下成立的电动汽车安全（EVS）工作组，已组织召开了多次工作组会议，其中一项重要探讨内容就是关于电动汽车碰撞的电安全。电动汽车因其结构及高压电安全的特殊性，对车辆后部碰撞安全性能的开发设计、性能测试都提出了更高的要求，我国在2015年新推出了GB/T 31498—2015《电动汽车碰撞后安全要求》，但对后部碰撞并无规定和要求。

本文将对比分析国际成熟的电动汽车碰撞标准法规，并结合我国电动汽车后部碰撞中电安全技术研究的现状和发展需求，研究制定相关试验流程及方法，通过严苛的实车碰撞试验进行方法验证与分析，探讨电动汽车后部碰撞的电安全问题。

引用格式：

1 标准法规比对分析

目前国际上关于电动汽车碰撞安全的标准有ISO 6469—4、SAE J1766—2014；法规主要有美国FMVSS 305[1]，欧洲 ECE R12、R94、R95，日本Attachment111以及中国GB/T 31498—2015[2]。

对于碰撞形式，ISO 6469—4没有指定特定的碰撞形式，使用其标准时参考各国已有的传统汽车碰撞法规进行试验；SAE J1766—2014、FMVSS 305以及Attachment 111明确提出电动汽车需开展正面碰撞、侧面碰撞和后部碰撞，SAEJ1766—2014和FMVSS 305还规定每次碰撞后须进行静态翻转试验；欧洲法规和GB/T 31498—2015对正面碰撞和侧面碰撞进行了规定，但不涉及后部碰撞和静态翻转的测试要求。

图1 近5年中国后碰撞交通事故统计

然而，据公安部交通管理局发布的历年交通事故统计数据显示，汽车后部碰撞一直是典型的碰撞型式，事故量、人员伤亡和财产损失居高不下（图1）。其中2015年，车辆后部碰撞的事故量为14 397起，死亡人数5 497人，受伤人数16 019人，直接经济损失达19 228万余元。电动汽车在整车设计中，为了提高续驶里程，往往在车辆后部增设了动力电池及电路配置，当车辆发生后部碰撞事故时，车辆高压电部件存在较大的碰撞冲击隐患和安全性能考验。为此，我国的安全法规有必要规定对电动汽车进行后部碰撞测试。

关于碰撞后的电动汽车，高重量、高能量的储能电池在翻转过程中可能产生电池位置移动、电解液泄漏和绝缘失效等现象，进行相关项目的考察，可进一步保障碰撞后车辆及人员的安全。对于尤其看重汽车安全性的美国，碰撞后车辆的静态翻转测试早已严格实施。虽然GB/T 31498—2015暂未提出对静态翻转的测试要求，但增加该项目的考核，对于提高我国电动汽车安全整体水平，无疑将起到积极作用。

关于电安全测试项目，各标准法规的关注点主要集中在防触电保护、电解液泄漏和电池位置移动三个方面。防触电保护方面，除FMVSS 305只关注绝缘电阻（含绝缘监测）以外，其它标准法规还对碰撞后的安全电压限值、电能量限值、物理接触防护等项目进行了规定。同时，GB/T 31498—2015还增加了碰撞后车辆不得爆炸、起火的要求，各测试项目及指标要求见表1。

表1 电动汽车碰撞后电安全测试项目及要求（GB/T 31498—2015）

由表1可知，我国暂未将碰撞后电池电压和温度的监测列入考核项目。然而，电动汽车动力电池因碰撞可能导致短路，电池电压将出现较大波动。同时，内部材料发生热化学反应，将产生大量热和气体，引起电池热失控、温度大幅升高，诱发起火、爆炸事故[3]。2011年，美国NHTSA进行雪佛兰Volt碰撞测试后未进行电池监控和险情排查，3周后因电池损坏导致电池起火，引燃本车及其它3辆汽车。此后，美国IIHS特别规定碰撞试验后实施电池温度的监测，监测结果直接影响总体评级。

虽然国际上绝大部分的电动汽车碰撞安全标准法规暂未明确对碰撞后电池的监测，但从提升电动汽车碰撞安全性能，排除碰撞后电安全隐患的角度来看，对碰撞后的电池进行监测具有重要的现实意义，有必要将电池电压以及电池温度的监测列入测试范围。

综上分析，电动汽车后部碰撞试验，除参照GB/T 31498—2015进行相关项目的测试外，还可将碰撞后电池电压以及电池温度的监测列入测试范围，并参照FMVSS 305在碰撞后进行静态翻转测试考察绝缘电阻、电解液泄漏和电池位置移动状况。

2 试验流程及方法

由于电动汽车搭载有高重量、高能量、高电压的动力电池系统，布置有错综复杂的高压电路，若电池系统受到撞击破坏，电路系统遭到挤压破损，都有可能造成极大的安全风险，试验过程中的误操作，更有可能加大风险等级。为保障试验的顺利开展，确保测试人员及试验设施、设备的安全，需要制定合理的试验流程和方法。

试验流程的制定，应基于电动汽车的特殊结构和特性，将电安全测试项目与传统汽车后部碰撞法规（如 FMVSS 301、ECE R34、GB 20072—2006）规定的试验流程进行有机结合，形成一套完整的试验流程。

电动汽车后部碰撞试验流程，如图2所示。鉴于电动汽车在结构设计和电安全方面的特殊性，需特别注意以下几点。

图2 电动汽车后部碰撞试验流程

2.1 安全应急预案

要保障试验安全顺利开展，首要的问题是制定安全应急预案。预案制定时，应充分梳理危险源，合理辨识风险点，制定应对处理措施。

为应对碰撞后热冲击、电化学伤害等危险状况，须配备绝缘扳手、绝缘套筒、绝缘钳子等专用绝缘工具，配备绝缘靴、绝缘手套等个人防护装备。为应对燃烧浓烟及有毒气体的伤害，应配备头盔和护目镜。为及时处理消防火情，绝缘搬运车辆，消防装备应随时待命。关于消防装备，干粉灭火器限于控制明火，对于电动汽车自燃难以有效发挥作用，若条件允许，宜选用泡沫消防车。

相比传统汽车，电动汽车的碰撞更易导致车辆起火、爆炸、有毒烟尘等险情产生，为便于人员疏散、车辆转移以及设备拆除，减免试验室的人、财、物损失，碰撞场地宜选择在开阔、干燥的室外，并保证应急通道顺畅，保持现场通风。

对所有操作人员进行电安全知识、工具使用、试验流程和方法、应急预案和处理等相关知识培训，开展消防知识学习和演练，经考核合格后方可上岗操作。电安全的试验测试，须有车辆生产厂家专业人员的监督指导。

试验前，结合车辆参数及结构特性充分评估潜在风险，制定危情处理程序（图3），试验过程中严格遵照实施。完成所有测试项目后，及时拆除动力电池组等关键组件，检查电池性能，防止电池损伤引发安全危害。

图3 危情处理程序

2.2 车辆准备

电动汽车除进行传统能源汽车的常规项目准备以外，碰撞试验前还需对整套电气系统进行充分了解并合理准备。主要包含以下方面：

排空车辆冷却液、制动液等所有液体，加注等质量的水（着色剂处理）代替，用以区分电池电解液。

确定动力电池的类型和结构、电池单体数量和组合固定方式、电池组总成及动力总成在整车的安装布置及固定方式。选取电池模块典型位置标记坐标测量点及传感器安装点。对电池组总成、电池管理系统（BMS）进行引线处理，做好绝缘保护，以进行电池温度及电压监控。

了解车辆高压电部件及高压线路布置图。合理选取车载数据采集装置的安装位置，避免钻孔安装中导致高压线路破损。

车辆准备中宜断开动力电源以及维修开关，正式试验时须保证开关合上，电路连通。

对车身结构及电池安全进行综合分析（如CAE动态仿真），计算电池组总成位移情况、电池组总成及电路是否因车身结构变形导致挤压，若存在风险，则建议先行改进再做试验。或以电池的无电替代块进行预试验，观察碰撞表现，若状况良好方可正式开展试验。

进行电动车实车碰撞之前，电池供应商需通过电池单体的跌落、穿刺、热箱、充放电等整套安全测试，完成电池定型。完成电池模块连接及排布后，需通过电池包总成的台车模拟碰撞测试。所有测试项目需提供有效的合格认证报告。

严格按照车辆生产单位规定的充电规范或GB/T18385—2005[4]第5.1规程，使电池达到完全充电状态，避免电池过充。碰撞试验应在车辆充电结束24 h内进行。

2.3 电安全测试

防触电保护、电解液泄漏以及REESS特殊要求等测试项目按照GB/T 31498—2015规定的程序进行。对于防触电保护的低电压、低电能的测量，需要采用车载测量仪器的方式在碰撞后的5～60 s内进行。对泄漏液体性质的判断，采取目测、石蕊试纸和化学测试相结合的方式进行。对于绝缘电阻测量，需配备专用的电压表（内阻10 MΩ以上）、绝缘电阻计、标准电阻，碰撞前、后均需进行测量，测量时宜靠近动力电池正负极选点，并关闭电池系统附加电路，若试验前绝缘电阻测量值小于要求限值，须终止试验。

关于电池电压及电池温度的测试，手持式电压表限于对局部电压的间断式采集，不利于进行对电压长时间、连续的监测。红外测温仪或红外热成像仪宜用于被测试体表面温度的测量，对于被多层封装外壳包裹的内部电池，难以及时、有效、准确地反映。宜通过车载电池管理系统（BMS），以数据通讯的方式实现电池电压及温度的在线监测和数据存储，但前提是车辆设计中有配备BMS监控功能，并提供了数据通讯许可。在线监测需对BMS持续供电，在碰撞后车辆电源断开的情况下，可通过外部电源提供稳定的12 V直流输入。若车辆不具备BMS监控功能，也可通过布置相关传感器，以外接线路的方式实现监测。

2.4 静态翻转测试

碰撞试验后，将试验车辆固定于静态翻转试验台。车辆绕台架纵轴翻转，纵轴在每个连续的90°、 180°、270°以及360°翻转中保持水平，每个90°旋转速度保持一致，在1～3 min内完成（图4）。每90°增长后，车辆保持在该位置5 min，测量绝缘电阻、观察电解液泄漏及电池位置移动三项指标。

图4 静态翻转测试示意图

3 方法验证与分析

本研究采用市场在售的某款典型电动汽车，参照美标FMVSS 301[5]以实车后部70%重叠率碰撞的形式（图5）开展试验，对电动汽车后部碰撞电安全试验流程和方法的有效性进行验证与分析。

图5 后部70%重叠率碰撞示意图

试验车辆为采用电动汽车专用平台设计的纯电动轿车，已通过了部件-整车的整套安全认证试验。车辆试验质量为1 669 kg，电池294 kg，搭载于两纵梁及前后轴之间的车架下侧，处于非碰撞吸能变形区域。电池组总成由48个薄型蓄电池模块组成，每个模块由4个单体电池以2并联- 2串联的方式连接构成，额定总电压390 V。电池组总成的封装外壳采用高强度钢制材料制成密封结构。

由于对试验车辆的结构特点、性能参数、潜在风险点进行了全面梳理、评估和准备，严格按照试验流程和方法规范操作，加之车辆本身在结构冲击防护、高压电绝缘保护等方面的成熟设计，验证试验得以顺利开展。试验结果整体表现良好，未出现漏电、起火、爆炸等险情。主要结果见表2，分析如下。

表2 验证试验结果

3.1 结构防护分析

车辆碰撞的结构防护情况将直接影响电安全项目试验结果的表现。试验中，采用了碰撞加速度、车体结构变形、电池位置保持等指标反映结构防护状况。

碰撞时该车辆的能量主要传递路径为保险杠-车架-备胎，其次途经车轮及后轴，冲击能量得到大幅削减后，再传递至电池组。根据碰撞加速度波形呈现出电池组总成受到的冲击载荷（图6，图7）显示，x向碰撞加速度峰值由车辆C柱的402.2 m/s2，削减为电池组总成的329.7 m/s2；y向碰撞加速度峰值由车辆C柱的561.8 m/s2，削减为电池组总成的142.2 m/s2。可见，冲击能量得到车体结构的有效吸收，降低了对电池组的冲击影响。

图6 x向碰撞加速度曲线比较

图7 y向碰撞加速度曲线比较

从车体结构变形情况来看（图8），车身尾部变形合理、充分，车身中部结构稳定，无硬物直接挤压到电池组总成及高压电路。

图8 车辆碰撞变形图

电池组总成与车体的连接产生了轻微滑移（图9），是受惯性冲击力所导致。但固定螺栓仍保持与车体的牢固连接，电池组总成及内部组件均保持在安装位置，未出现脱落甩出的现象（图10）。结合三坐标测量结果，电池模组之间的间隙几乎未发生改变。

图9 电池组总成与车体相对位移

图10 电池组总成的位置保持情况

综合以上分析可知，车体结构有效地保护了电池组总成。

3.2 防触电保护分析

由表2的试验结果可知，碰撞后电池电压为388.5 V，高压母线的输出电压为0 V，初步判断高压电路在碰撞中受到断电保护。经过进一步分析可知，试验车辆配备了高压电路断开继电器，在感知车辆碰撞后，电池组碰撞保护系统中的A/B传感器启动，通过车辆控制模块VCM切断了接线盒中的电池组主继电器，断开高压电回路（即输出电压显示为0），达到动力电池的高压电防护目的。

由于电力负载因碰撞主动断开，所以防触电保护的要求应至少满足触电物理防护和绝缘电阻两项指标中的1项。

由于高压线路布置于车身非变形结构区域，线路未受到碰撞挤压或破损，同时因绝缘护套、障壁的加强保护以及采用与电底盘焊接的电连接方式，经IPXXB关节试指测试，未接触到带电部位，满足了触电物理防护的要求。

为进一步确保触电防护安全，通过绝缘电阻测试，绝缘电阻值为991 kΩ/V，满足了大于 500 Ω/V的标准要求。

3.3 电池电压及温度监测

由于未获得试验车辆在BMS电池监测中的CAN通信许可，试验采取了外接传感器的方式，通过VBOX系统采集电池电压及温度数据，开展了长达24 h的电池安全监测。结果显示，电池总电压维持在388.4～388.5 V之间（图11，电池电压监测曲线， 0～1 000 s节选），电压稳定；电池温度维持在23.3℃～23.5 ℃（图12，电池温度监测曲线，0～1 000 s节选），电池温度稳定，未产生热失效反应。

为验证该方法监测所得数据的准确性，试验中分别通过电压表和红外测温仪进行了电池电压和温度的测量，结果表明两种方式测量的数据基本一致。

综合电池电压及温度的监测结果，可以判断电池状况良好，未造成碰撞短路危险。

图11 电池电压监测曲线图

图12 电池温度监测曲线

3.4 静态翻转测试

碰撞试验后，对试验车辆进行了静态翻转测试（图13～16）。整个翻转过程中，动力电池系统未出现电解液泄漏，电池组总成及模块均保持在安装位置，绝缘电阻值大于500 Ω/V。

图13 90°翻转

图14 180°翻转

图15 270°翻转

图16 360°翻转

通过以上试验验证分析可以得到，按照研究设定的试验流程和方法开展试验研究，既可安全有效地完成碰撞测试，也可准确地反映电动汽车后部碰撞的电安全状况。

4 结论

本文从我国实际交通事故统计数据和电动汽车设计特点出发，提出我国需要制定安全法规进行电动汽车的后部碰撞测试，考核电安全特性。在分析国际成熟的电动汽车碰撞安全标准法规的基础上，结合电动汽车碰撞中电安全技术研究的现状和发展需求，提出进行电动汽车后部碰撞试验时，除按照GB/T 31498—2015的要求进行防触电保护、电解液泄漏和REESS相关的测试以外，还可考虑将碰撞后电池电压以及电池温度的监测列入测试范围，并参照FMVSS 305在碰撞后进行静态翻转测试，考察绝缘电阻、电解液泄漏和电池位置移动状况。同时，研究制定了试验流程及方法，通过对实车碰撞试验的验证分析可知，对试验车辆的结构特点、性能参数、潜在风险点进行全面梳理、评估和准备，严格按照试验流程和方法规范操作，可以安全有效地完成电动汽车后部碰撞测试，准确反映电安全状况。

参考文献（References）：

[1]FMVSS305—2013. ElectricPoweredVehicles，Electrolyte Spillage and Electrical Shock [S]. Washington DC：NHTSA，2013.

[2]GB/T 31498—2015. 电动汽车碰撞后安全要求[S].北京：中国标准出版社，2015.GB/T 31498—2015. The Safety Requirement of Electric Vehicle Post Crash [S]. Beijing：China Standard Press，2015.（in Chinese）

[3]平平.锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究 [D].北京：中国科学技术大学，2014.PING Ping. Lithiumion Battery Thermalrunaway and Fire Risk Analysis and the Development on Thesafer Battery System [D]. Beijing：University of Science and Technology of China，2014.（in Chinese）

[4]GB/T 18385—2005. 电动汽车动力性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2015.GB/T 18385—2005. Electric Vehicles-Power Performance-Test Method [S]. Beijing：China Standard Press，2005（.in Chinese）

[5]FMVSS301—2013. Fuel System Integrity [S]. Washington DC：NHTSA，2013.

Research on Electrical Safety in EV Rear Crash Tests

XU Shujun，ZHANG Yaming，YUE Zhongyao
（China Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 401122，China）

Based on the present situation of the lack of electrical safety standards for EV rear crash tests in China, the testing process and method have been researched combined with the international regulations.The validity of the method was analyzed and verified by an actual vehicle crash test. The paper put forward some electrical safety testing projects which should be paid more attention, providing a reference for the establishment of related standards in China.

electric vehicle; rear crash test; electrical safety

U461. 91

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.04

2016-12-15 改稿日期：2017-05-23

国家高技术研究发展计划（863计划）“下一代低能耗电动轿车平台及整车技术开发”（2015BAG17B01）

许书军，张亚明，乐中耀. 电动汽车后部碰撞试验的电安全研究 [J]. 汽车工程学报，2017，7(5)：334-341.

XU Shujun，ZHANG Yaming，YUE Zhongyao. Research on Electrical Safety in EV Rear Crash Tests [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：334-341. (in Chinese)

作者介绍

许书军（1986-），男，重庆垫江人。学士，试验工程师，主要从事汽车碰撞安全技术研究。

Tel：18696768958

E-mail：xushujun@caeri.com.cn