通过数据模拟,解决电动汽车在后方碰撞中,因高电压带来的安全问题

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文丨江柊留声机

编辑丨江柊留声机

与传统燃油车辆不同，电动车辆不仅需要考虑传统碰撞安全问题，还要应对高电压的风险。由于电动车辆的工作电压远高于人体的电压，一旦发生碰撞，高电压的部件可能存在安全隐患。

特别是在高速碰撞情况下，高压系统的切断变得尤为关键，以避免电气风险和火灾等严重后果。

本研究聚焦于电动汽车在50 km/h后方碰撞中的高电压安全性能，通过多次测试和深入分析，从不同角度探讨了碰撞信号的处理、电压切断策略、高压部件的加速度和变形情况等方面。

电动汽车后方碰撞安全及高压优化

车辆碰撞类型通常包括正面碰撞、侧面碰撞、翻滚和后方碰撞，统计数据显示，车辆后方碰撞发生的概率小于正面和侧面碰撞，但在国家高速公路交通事故中，后方碰撞的概率高达44%，远远高于其他类型碰撞的相应概率。

在使用传统燃料的车辆中，燃油箱容易破裂，这将导致燃油在后方碰发生撞期间或之后泄漏，甚至可能发生爆炸。

与传统燃料车辆不同，电动车不仅需要考虑碰撞安全问题，还需要考虑使用过程中的高电压风险，因为电动车辆的工作电压远高于人体的电压。

发生事故时，高电压供应可能无法及时切断，这意味着电机控制器无法放电，电压无法降至安全水平；这可能会导致高电压电气设备的风险，从而导致受伤甚至死亡的风险。

因此，在碰撞中对电动车辆的高电压安全性进行研究非常重要，本研究涉及电动车辆在50 km/h后方碰撞中的高电压安全优化。

如果电机控制器的高电压未被切断并且碰撞对外壳造成裂纹，电池组、电机控制器和车载充电器在后方碰撞后可能会变得十分危险。

本文从多个角度描述了车辆安全性的分析和优化，包括高电压切断策略、碰撞后高电压部件的完整性、高低电压电缆的布局以及结构的碰撞安全性。

在后方碰撞测试中，新能源车辆的结构特点意味着必须满足《乘用车后碰撞燃料系统安全要求》标准的要求，并且车辆还必须符合当前的电气安全标准。

目前，中国主要适用GB/T19751-2005《混合动力汽车安全要求》和GB/T18384.1-2015《电动汽车安全要求》标准。

尽管这些是中国推荐的电气安全标准，但由于涉及人身生命和财产的潜在危险，这些车辆应按照最高的强制性要求进行设计。

典型电动车辆车身的后部装备有大量的高电压(HV)部件，包括电池组、HV配电箱、电线束、电机控制器、电机和车载充电器。

由于车辆存在后排座椅，电机控制器和车载充电器已被放置在后排座椅和后板之间；当发生高速后方碰撞时，电机控制器和车载充电器可能会轻易破裂。

更严重的是，后方碰撞可能意味着HV系统无法切断，可能导致HV短路，触发HV电弧，并引发火灾风险。

为了通过减少触摸压力安全风险来降低后方碰撞的风险，同时缩短研究周期，通过改变结构和包装使车辆进行了改进，生成了新的车辆，然后进行一次后方碰撞测试，以评估HV安全风险，并实施了设计改进对策。

高电压切断控制信号原理

在本研究中，仅优化了切断控制信号、车身结构、第三排座椅结构和布线布局，进行了三次后方碰撞测试：两次在车辆A上，一次在车辆B上。

HV保护中最重要的因素是系统对碰撞或事故的响应时间，即响应时间越短，对乘客和HV系统的保护越有优势。

碰撞保护系统必须处理控制模块之间的碰撞信号，后方碰撞情景中高电压可以切断控制信号，副约束系统电子控制单元(SRS ECU)的功能是接收和处理碰撞信号。

后方碰撞发生时，碰撞传感器通过硬线将碰撞警报信号传输给SRS ECU。在SRS ECU接收到碰撞信号后，它确定碰撞信号是否达到所需的阈值；如果答案是肯定的，那么SRS ECU会向电池管理系统(BMS)和电机控制器发送警报信号。

SRS ECU可以通过脉宽调制(PWM)信号和控制器局域网(CAN)向前电机控制器发送警报信号；然而，警报信号仅以CAN形式发送到电机控制器。

当前电机控制器和后电机控制器从BMS接收到切断信号时，它们会切断由电池组提供的高电压，在它们从SRS ECU接收到碰撞信号的同时，它们也会立即降低自己的工作电压。

发生后方碰撞时，为了确保乘客能够及时逃离车辆，除了HV碰撞信号外，还必须发送门解锁信号，以在碰撞或事故发生后及时解锁车门，SRS ECU的功能再次是接收和处理碰撞信号。

在碰撞发生时，碰撞传感器通过硬线将碰撞警报信号传输给SRS ECU，在SRS ECU接收到碰撞信号后，它会确定碰撞信号是否达到所需的阈值；如果答案是肯定的，那么SRS ECU将通过线路和CAN向车身控制模块(BCM)发送警报信号。

线路中的信号是PWM信号，而CAN中的信号是CAN消息，在PWM信号和CAN消息之间首先到达的信号由BCM处理，在BCM处理和分析警报信号后，它将向车门电机发送解锁信号。

为了更深入地了解在实际碰撞条件下高压部件的切断行为和车辆的放电性能，本研究安排了三次后方碰撞测试。

在这些测试中，车辆A分别进行了50 km/h和80 km/h的后方碰撞测试，而车辆B则进行了50 km/h的后方碰撞测试。

50 km/h后方碰撞的准备和测试参考了GB 20072标准，而80 km/h后方碰撞的准备和测试参考了FMVSS 305标准。

在试验开始前，高压和低压控制信号必须连接到每个控制模块的引脚，以便分析传输路径、时间和控制信号的执行策略。经过筛选，最终确定必须检测的重要信号。

高压部件的加速度和变形分析

在对这三次测试的信号进行分析后，与控制信号数据和碰撞后电线束分析的结果相结合，发现第三次碰撞测试失败的原因如下：

轮胎压力监测器的连接器被后部板推动并断裂，导致CAN高和CAN低连接短路；这导致了车辆CAN和BMS的瘫痪；电机控制器无法接收CAN消息。

电机控制器仅通过CAN连接到BMS，没有通过硬线连接，因此当CAN瘫痪时，电机控制器无法接收碰撞信号。

由于这项研究专注于高压安全，因此在此仅分析电池组、电机控制器和车载充电器的加速度和变形情况。

在高压切断性能方面，前两次测试成功，但第三次测试失败，本节重点讨论了第三次测试中高压部件的加速度和变形情况。

以往的经验表明，电池组在车辆变形区域（或电池变形区域）附近的加速度最高，于是我们主要监测了电池组两端的加速度。

为了防止上述测量值代表单点的碰撞加速度，我们测试期间在电池组的两侧安装了加速度传感器，然而实际测试结果显示，两侧的加速度差异不大，由于电池组未受挤压，电池组两端的加速度基本上与整个车辆的加速度相同。

车身（B柱）的最大加速度约为18 g，电池组的最大加速度为18.9 g，因此电池组几乎没有挤压变形。

电机控制器位于后部板和座椅之间，电机控制器与后部板之间的空间非常小，与座椅之间的空间也很小，碰撞后，电机控制器击中座椅的铰链板，导致电机控制器外壳形成一个孔，如果外壳碎片掉落到内部铜线上，可能导致高压泄漏并带来火灾风险。

电机控制器的加速度约为车身的10倍，这表明电机控制器在碰撞中受到了后部板和座椅的严重压迫。

在约13 ms时，车身的后部板开始与电机控制器接触，然后电机控制器在约22 ms时与座椅接触，最开始时，电压为0 V，但当电机控制器与车辆的其他部分接触时，电压上升。

通过分析损坏区域接触时间曲线和加速度曲线，我们可以知道，在22 ms时，电机控制器与座椅的铰链板接触；在这一刻，电机控制器的速度达到最大，电机控制器开始受到后部板和座椅的强烈压迫。

在约30 ms时，由于外壳形成孔而加速度变为0，实验数据以电压信号曲线的形式显示，最初电压为0 V，但当电机控制器与车辆的其他部分接触时，电压上升。

车载充电器安装在行李厢的左侧，位于后部板和座椅之间；车载充电器与后部板之间以及车载充电器与座椅之间的空间都非常小。

通过实验数据表明，车载充电器在约34 ms时开始与座椅接触，碰撞后车载充电器被座椅的铰链板严重撞击，但未受损。

车载充电器的最大加速度为99 g，远大于车身的18 g加速度，这表明车载充电器在碰撞中受到了严重冲击。

车载充电器与座椅之间的接触时间和车载充电器的加速度以电压信号曲线的形式显示，其中电压最初为0 V，但当电机控制器与车辆的其他部分接触时，电压上升。

与此同时，我们也对相关的绝缘电阻进行了一系列的测量。

在进行测试之前，电压为763 V，电阻为11.7 MΩ；测试后，电压变为698 V，绝缘电阻下降至0.66 MΩ。因此，在测试之前和之后绝缘电阻变化很大，这表明可能存在严重的泄漏问题。

基于对控制信号以及三次后方碰撞测试的加速度和变形结果的分析，最终得出了车辆B的高压安全测试结果。

通过结合三次测试的数据，根据HV切断控制信号的最短时间，我们可以知道理想状态下，HV切断能在93毫秒内完成，然而在此时，车身的变形已经达到最大距离331毫米，电机控制器在30毫秒内已经损坏。

因此，在理想状态下，HV切断控制信号无法满足安全要求，因此需要优化HV切断控制信号。

通过初步分析和理论计算，结合车身结构的优化设计，确定在50毫秒左右切断主接触器可能满足HV安全要求。为了实现50毫秒切断目标，各模块的信号处理逻辑要求如下：

1.缩短碰撞信号时间；2. 优化CAN消息处理时间；3. 缩短碰撞信号处理时间；4. 优化接触器切断时间；5. 增加控制信号传输线路。

根据实验中不同材料的能量吸收和变形关系，可以看出刚性障碍的动能基本上转化为矩形梁的内部能量。

矩形截面梁由不同材料组成时的挤压程度利用率（Ste）值也最终呈现出来，Ste值反映了不同材料在吸收相同能量时发生的截面变形量。

这些材料具有相同截面的挤压程度利用率的总体趋势是：更高的材料强度对应更低的挤压程度利用率，这些结果证明，由于Ek和A保持不变，当σmax增加时，S也会相应减少。

本研究着重关注电动汽车在后方碰撞条件下的高压安全问题，并在此基础上进行了全面的分析与优化设计。

本研究为电动汽车在后方碰撞中的高压安全性能提供了深入的研究和优化方案，为未来电动汽车的高压安全设计提供了有价值的参考。

同时，本研究也强调了电动车辆在碰撞安全方面的特殊性，为整个电动汽车行业的安全发展提供了重要的指导。