电动汽车电池包托底碰撞试验评测

汽车的托底碰撞事故比较常见，道路上的杂物、减速带、路缘及路边的树墩都可能造成托底碰撞，如图1所示。但在没有电动车的时代托底事故被关注不多，是因为托底事故一般不会造成人员伤害。电动车发生托底碰撞，是由于电池包底部的离地间隙低于道路上障碍物，电池包与障碍物存在高度方向的几何不匹配，具有一垂向重叠量，当车辆行驶过道路障碍物时，电池包被障碍物撞击和刮蹭，称为托底碰撞，如图2所示。

图1    一般道路常见的汽车托底工况

图2    托底碰撞示意图

    以某款纯电动车底部外形参数为例（电池包以红色示意），道路上常见的托底碰撞情境有以下几种（图3）：车辆于平面道路行驶时，障碍物的垂直高度高于电池包的离地间隙；车辆通过路缘行驶时，单侧车轮落入具有高度差的路缘；车辆前进上坡或倒车下坡时路面高度差引起。

图3    电动车托底碰撞示意图

  ✦    托底试验装置设计    ✦  

    由于电动车托底碰撞造成的电池包损坏可能引起电池着火，需要建立可标准化的电动车托底试验方法，评估电池包损伤和抗托底碰撞的保护性能。

    在电动车托底试验中，需要能直接对行驶中的电动车电池包底部造成托底碰撞并刮蹭。为了在托底碰撞评价试验中能直接撞击电池包，需要设计一种可触发作动的托底试验装置。因为有些车辆前舱结构件的离地高度与电池包的离地间隙差不多，托底碰撞装置须能闪避车辆前舱结构件，直接碰撞电池包，这是为了试验的一致性。在托底试验开始前，加载装置固定于地面并处于收纳状态，当车辆前舱结构通过托底试验装置且电池包到达前，托底试验装置触发作动弹出，直接对电池包托底碰撞，同时在托底碰撞的过程中，托底试验装置须要保持对电池包的碰撞条件（如设定的重叠量）不变。

    并且，托底试验装置须有调节托底碰撞位置（整车宽度方向）的设计，用以调整托底碰撞位置相对于电池包为中置或偏置托底碰撞，如图4所示。

图4    电动车托底碰撞试验示意图

01

电磁铁驱动弹出式装置   

    在电磁铁驱动弹出式托底试验装置中，装置组成的主要元件为冲击头、汽缸、活塞、定位销、定位销弹簧、作动弹簧、电磁铁、装置底板及转接底板等，主要元件如图5所示。装置储能状态时，使用电磁铁固定活塞轴向自由度，使作动弹簧压缩储存弹性势能，触发时电磁铁断电以释放活塞轴向自由度及作动弹簧的弹性势能，弹出冲击头碰撞与刮蹭电池包。

图5    电磁铁驱动弹出式托底试验装置：

(a) 弹出状态；(b) 储能状态

02

纯机械驱动弹出式装置   

    由于部分的托底碰撞试验场设置于室外或电力牵引不方便之处，无法使用上述的电磁铁驱动弹出式装置进行电动车托底碰撞试验。为了因应上述情况，提出纯机械驱动弹出式装置，如图6所示，试验场无需电力牵引，亦可进行电动车托底碰撞试验。

    纯机械驱动弹出式装置设计触发插销取代电磁铁，用以拘束冲击头于储能状态时收纳于汽缸中，当装置接收到触发信号时将触发插销拔出，作动弹簧释放预压的弹性势能，将冲击头弹出至预定位置进行电动车托底碰撞试验。

图6    纯机械驱动弹出式托底试验装置：

(a) 弹出状态；(b) 储能状态

03

电动车电池包托底碰撞试验方法   

    以下以台车碰撞试验为例，介绍用上述装置进行电动汽车托底冲击试验方法。台车托底试验方法配置如图7所示。

图7    电池包托底碰撞台车试验设置：

(a) 侧视图；(b) 不等角视图；(c) 实际设置

    在清华大学汽车碰撞试验室，本团队针对某款电动车的电池包进行托底碰撞台车试验。试验过程中使用高速摄像机拍摄，其托底碰撞过程如图8所示：(a) 电池包与托底试验装置接触；(b) 电池包受托底试验装置碰撞，导致电池包碰撞区明显弯曲变形，电池包主要受力方向为汽车行进方向（X方向）；(c) 电池包持续受到托底碰撞，托底试验装置顶部侵入电池包，电池包主要受力方向为汽车行进方向及垂直方向（X方向及Z方向）。

图8    托底碰撞台车试验过程电池包碰撞区

明显变形而后跃起

    使用试验台车进行电池包托底试验方法可根据不同的测试条件进行不同的试验方法配置，如偏置托底冲击位置、不同托底重叠量设计、不同的托底冲击头型状设计等，并且能针对不同形式的电池包进行托底冲击试验，评估不同的电池包结构设计被托底冲击后的损伤及安全性能。

  ✦    结论    ✦  

    本文提出了若干种具有普适性的托底试验装置，以建立可标准化的电动车托底碰撞试验方法。自动触发弹出式的托底试验装置能闪避汽车的前舱结构，直接对电池包底部进行托底碰撞试验，用于评估电池包损伤和抗托底碰撞的保护性能，为建立标准化的电动车托底碰撞试验方法提供了基础。具普适性的托底试验装置能适应多个试验车速和多种车型尺寸（包括车辆长度和电池包离地间隙），并能提供若干托底侵入量水平。

    下一篇文章将介绍本团队去年在美国机械工程师学会年会上宣讲的论文，以电动车不同初始速度和电池包与底部障碍物不同的重叠量作为不同碰撞严重程度的参数，对托底碰撞电池包损伤情况进行了参数化仿真研究。

参考文献

Chen P, Xia Y, Zhou Q, et al. Damage Assessment Method of Battery Pack of Electric Vehicle in Undercarriage Collision[C]. ASME 2021 International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2021-69776.

参考专利

[1]纯机械式汽车托底试验装置[P]. 中国, CN111257009B. 2020-02-18.

[2]汽车托底试验装置[P]. 中国, CN111257010B. 2020-02-18.

[3]凸轮式汽车托底试验装置[P]. 中国, CN111257011B. 2020-02-18.

[4]托底试验工装及托底试验装置[P]. 中国, CN214373363U. 2021-03-03.

[5]托底试验装置及试验方法[P]. 中国, 202110228588.6. 2021-03-03.

论文原文链接（或点击文末阅读原文）：

https://www.researchgate.net/publication/358114142