跌落工况中对新能源汽车安全性能的影响

李 春，王青贵，何 成，张向磊

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

1 背景

近年来能源资源不断消耗，油价一直高涨，运输产业的成本居高不下。人们不断寻求能替代的能源。伴随着环保意识的提高和锂电池量产问题的解决，电动车环保节能的特性，成为大家关注和投资的焦点。截至2019 年新能源汽车销量分别为120 万辆和124 万辆，连续十一年蝉联全球第一[1-2]。新能源产业高速发展的同时也带来了一系列问题，特别是电动汽车整车跌落的安全问题引起了社会各界的重视，了解其原因，并分析解决相关问题是目前新能源汽车发展过程中最重要的事情。

2 车辆通过性分析

2.1 路况速度调查

目前中国所有等级公路的施工都是基于《公路工程技术标准2014》执行。在实际建设时需要考虑公路纵断面的设计。对于有坡度的路段，它不仅影响公路里程的长短、工程投资规模的大小，还会影响车辆的行车安全、公路的通行能力[3]。为将车辆行驶速度变动限制在一定范围内，保证车辆能以一定的容许速度正常行驶，纵坡坡度在施工时会进行限制。而本文要讨论的就是新能源汽车在纵坡行驶的工况是和道路坡度以及行驶速度相关的。

虽然有限速标识，但在实际路况中观察到驾驶员在大多数的上坡路段中都有加速的行为。这个结论也与郑柯博士在基于驾驶员心理生理反应研究中发现的一样[4-5]。文章发现在低角度的上坡路段中驾驶员会采用加速的策略，原因如下：①低角度的上坡路段中驾驶员的视矩相对较远，对驾驶员上坡加速的心理影响较小；②低角度坡度对汽车加速的阻力小，驾驶员容易加速；③生活节奏的加快以及对城市道路中交通道路的熟悉，造成驾驶员加速行驶的习惯。上述调查分析的结果，将为后续试验的速度制定提供重要的参考依据。

2.2 工况分析

2.2.1 坡度陡

当汽车行驶在坡度很陡的路况时，汽车都采用低速爬坡的策略。因为汽车的额定功率对于一辆车子来说是固定不变的，根据P=FV可知，当汽车上坡时需要更大的驱动力F，所以当P不变而F变大时V只有变小。所以上大坡时用低档位，可以提高发动机转速，使发动机输出的扭力提高，更容易爬坡。由于汽车速度较低并且驾驶员有足够的反应时间，此时汽车不会发生跌落工况。

2.2.2 平缓地面

2.2.2.1 减速带

减速带一般设置在公路道口、工矿企业、学校、住宅小区人口等需要车辆减速慢行的路段和容易引发交通事故的路段，是用于降低机动车、非机动车行驶速度的新型交通专用安全设置。减速带的工作原理是通过对驾驶人心理的影响，进而达到减速的目的。例如车辆快速行驶通过减速带，剧烈的振动通过车身及座椅传递给驾驶员，剧烈的振动造成了垂直方向上加速的产生，给驾驶员强烈的生理和心理的刺激。这些刺激造成的强烈不舒服感以及不安全的疑虑，让驾驶员对道路环境的变化更加敏感，给驾驶员更加不安全的感觉。正是这种感觉让其不舒适度很大，行驶安全感变小，让其通过减速的方式，达到乘坐舒适和行驶安全的期望值。所以在平缓地带有减速带的地方，驾驶员一般会降低行驶速度，对车身造成的加速冲击较小。

2.2.2.2 平缓地带有凸起

在交通条件良好的平缓路况中，驾驶员都会加速行驶。原因是驾驶员视距好，心理处于放松状态。此时由于路面施工或其他因素导致平缓路段中时常会有凸出的地带，驾驶员经过此路段时由于精神放松没有注意到或是行驶速度较快反应缓慢，从而加速通过凸起地带。此时悬架会发生压缩和伸张，导致车辆颠簸，造成车身受到加速度冲击。而较大的冲击加速度会导致电池包内外发生损伤，产生直接或间接的安全风险。

2.2.3 凹坑地面

在有凹坑的地面行驶时，虽然驾驶员视距良好，但是很难第一时间发现凹坑。当经过凹坑速度较大时，剧烈的颠簸会对车身造成严重的冲击，超过限度的撞击也是有损伤的。比如轮毂的变形，减震的损伤，电池包安装螺栓的松动等。这些损伤将会间接导致电池包发生损伤，产生安全风险。

3 损伤分析

3.1 悬架损伤

车辆正常行驶时不可避免受到不平路面的干扰。此时受到的冲击一部分能量由轮胎吸收，另一部分能量由车身悬架吸收。汽车悬架系统包括车身、车架、车轮之间的一个连接结构。这个系统里面包含了避震器、弹簧、下控臂等部件。

目前大部分的车辆安装了半主动悬架，以减少路面的扰动，提高驾驶舒适度。依据行驶工况，可以分为长波路面、短波路面、等级路面、离散冲击路面等类型。长波路面代表的是连续起伏、频率低，对车身振动较小的路面；短波路面是粗糙的平直路面，引起高于车身固有频率的振动，并且此振动与车身结构息息相关；离散冲击路面是指像减速带、坍塌路面等路面工况，它的特点是激励频率高、作用时间短，而普遍设计的半主动悬架控制器存在参数固定，或参数调整时间过短的现象在离散冲击下效果不理想。

本文所研究的路况属于离散型冲击路面。当快速行驶的车辆遇到离散型路况时，会造成整车的腾空，车头向前俯仰，从而在下落时对整车的悬架造成严重冲击。最有可能损伤的情况是支架-平衡悬架失效。在路况冲击严重的情况下，支架受到冲击载荷作用可能发生脆裂。发生的原因支架法兰大都是铸件内部存在内应力并且支架装配到车架上安装平面较大存在力矩。车辆在受到冲击作用时边梁的变形使螺栓松动，同时衬套的磨损，使得支架承受冲击载荷和弯曲载荷，受到冲击作用时导致断裂。

3.2 跌落时导致电池包外部损伤

新能源汽车底部电池包从外部看一般由上箱盖、下箱体、吊耳和高压插接件组成。这些不同的部件起到不同的功用。例如下箱体是对电池和模组起到约束和容纳的作用，对电池内部的可靠性运作提供了支撑。上箱盖下部一般都有层密封胶能够起到密封盒防水的功用，为汽车的使用安全提供了保证。电池包周围的吊耳对箱体起到了固定作用，吊耳位置一般不定，且吊耳大小不一。

在车辆跌落过程中，车身与地面接触时在X和Z方向产生比较大的冲击加速度。这时由于电池包质量非常大，下落过程中会产生非常大的惯性，对电池包箱体吊耳造成很大冲击，吊耳可能会发生变形、断裂等严重情况。同时安装在吊耳上的螺栓扭矩可能会松动，影响整个装配体的固有频率，从而产生安全隐患[6]。

3.3 跌落时导致电池包内部损伤

在电池包内部前压杆以及螺栓部件紧压着模组，对其上下方向起到稳定作用，放置其上下窜动。电池内架固定着电池模组，防止模组间在碰撞中前后运动，同时也支撑着整个电池内线路。

在跌落工况中可能对电池包内部造成的损伤有以下两个方面：①电池单体极耳失效。电池单体通过串联和并联的方式组成了模组。单体之间的连接时通过铜片与极耳激光焊接而成，如果此时受到较大的冲击加速度，将对电池单体正负极极耳造成威胁；如果极耳与铜片连接失效，会对电池单体外部造成短路，引发严重的安全隐患。②螺栓变形。由于单体电池的密度较大，电池包内部模组的质量亦是很大。在受到较大的冲击作用下，模组及压件在Z方向会向上前倾，过大的冲击可能导致压件上的部分螺栓发生形变或松动，严重时螺栓受到的拉力远超其材料抗拉强度，导致断裂情况发生，最终引发电池包起火[7-8]。

4 总结

车用动力电池包受到跌落冲击导致内部短路失效是电动汽车整车事故中亟待研究的工况。动力电池包由于其布置在车身底部，导致其不可避免产生一系列间接安全问题。因此在电动汽车的开发与推广应用过程中，开展车用动力电池包整车跌落的安全性研究，对于提高动力电池包内部防护安全和电动汽车的整车安全性具有重要意义和实用价值。