燃料電池客車后置散熱器的托底性能開發(fā)思路

程若愚，徐茂青，李 智，長岡宏

(一汽豐田汽車有限公司技術研發(fā)分公司 天津 300462)

0 引 言

汽車托底是最常見的汽車誤用工況，對于傳統(tǒng)車而言，托底危害主要集中于油底殼變形、底盤部件變形、排氣管變形脫落等情況，并不會對車輛乘員造成傷害。因此，托底工況更多被應用在氣囊傳感器標定環(huán)節(jié)[1]。近年來出現(xiàn)多起因動力電池托底引發(fā)的車輛起火案件[2]，對于電動車而言，通過托底工況對電動化部件的結構強度、防護性能進行評估十分必要。目前行業(yè)內通常利用托底試驗和刮底試驗 2種方式對動力電池的托底性能防護進行開發(fā)、驗證[3-4]。但對于其他電氣化相關部件的托底性能驗證方法而言，目前行業(yè)內尚未得到統(tǒng)一。

當散熱器因托底出現(xiàn)破損、漏液等情況時，極有可能導致動力控制單元以及電機過熱，致使車輛動力喪失。本文以某車型托底性能開發(fā)為例，對托底性能工況設定問題和改進手段進行了深入研究。

1 托底工況分析

1.1 托底工況調研結果整理

對某論壇用戶評論數(shù)據(jù)進行分析整理，得出圖 1的調查結果。可以看出國內托底工況主要發(fā)生在非鋪裝路、落石、路緣石、減速帶和鋪裝壞路等道路特征的路面[3]。

圖1 托底工況調查結果Fig.1 Investigation results of underbody damage

根據(jù)以往對車輛托底調查研究結果，對托底路面的道路特征和分布地區(qū)進行總結，容易托底的道路具有以下特征。

1.1.1 非鋪裝路

非鋪裝路主要分布在農村地區(qū)和城市內的施工區(qū)域，如圖 2所示，非鋪裝壞路具有連續(xù)起伏且凹凸不平的道路特征，托底部位集中在乘員艙下地板區(qū)域。

圖2 非鋪裝壞路Fig.2 Unpaved bad road

1.1.2 落石

落石主要出現(xiàn)在山體結構不穩(wěn)定的山區(qū)地帶，駕駛員因視線盲區(qū)或車速過快等原因，車輛與落石碰撞，托底部位集中在前副車架區(qū)域。

1.1.3 路緣石

路緣石主要出現(xiàn)在城區(qū)，用于分割機動車道和人行道。根據(jù)《城市道路設計規(guī)范》5.5.2款規(guī)定，路緣石的外露高度在100～150mm之間[5]，路邊駐車時車輛與路緣石發(fā)生干涉，托底部位集中在車輛前懸、后懸部位和車輛中部位置。

1.1.4 減速帶

減速帶是用于提示車輛減速的一種措施，城市和村屯內的道路均有分布。大多數(shù)區(qū)域采用市場售賣的減速帶，其最大高度小于 70mm；但部分地區(qū)存在如圖 3所示的自制水泥減速帶，最大高度可達115mm，托底部位集中在車輛中部和后部。

圖3 減速帶Fig.3 Speed breaker

1.1.5 鋪裝壞路

鋪裝壞路主要分布在城郊結合地帶，道路因長時間受重型貨車碾壓，易出現(xiàn)變形、破損等情況。如圖4所示，道路普遍具有凹坑、彈坑等外觀特征，托底部位主要集中在車輛前部和后部。

圖4 鋪裝壞路Fig.4 Paved bad road

1.2 托底工況設定

托底工況按照貼合實際使用環(huán)境的原則進行設定。本次開發(fā)車輛用途為北京冬奧會選手擺渡和后期機場示范運營，車輛使用范圍限定在城區(qū)、機場區(qū)域。在上述使用范圍內，道路以鋪裝路為主，具有良好的道路條件。故本次開發(fā)排除非鋪裝路和落石相關托底工況，并將可能出現(xiàn)的路緣石和減速帶工況納入到考核范圍。

此外，從預防角度出發(fā)，應適當提高托底防護性能的安全量，并將城郊結合地帶易出現(xiàn)的彈坑、凹坑類型的鋪裝壞路工況納入到本次考核范圍。

2 通過性參數(shù)研討

通常情況下，散熱器布置在發(fā)動機艙前側，通過水箱框架實現(xiàn)固定以及托底防護。但針對如圖 5所示布置在車輛后懸處的散熱器布置方式，托底防護性能需要重新驗證開發(fā)。

圖5 散熱器布置位置Fig.5 Layout position of radiator

考慮到車輛在總布置階段時各項性能參數(shù)、零部件布置尚處于研討狀態(tài)，無法利用工程樣車和 CAE手段進行仿真評價。因此，本次總布置階段主要通過設定最小離地間隙、離去角，以實現(xiàn)車輛對車輛托底性能的定義。

2.1 散熱器布置

對標競品車型如圖 6所示，2款競品車型在L6000～6500mm范圍內零部件的離地間隙均在241mm 以上。通過網(wǎng)絡檢索、用戶訪問等手段調查發(fā)現(xiàn)，競品車在市場中并未出現(xiàn)托底相關案件，此時可以認為當散熱器布置在離地間隙 241mm以上的高度位置時能夠有效避免托底狀況的發(fā)生。

圖6 競品車離地間隙對標Fig.6 Ground clearance survey for competitive cars’benchmark

此外，考慮到散熱器布置在車輛后部還應滿足車輛離去角設定要求，綜合離去角、離地間隙及布置空間、布置難度等因素，總布置階段散熱器的滿載離地間隙設定為254mm。

2.2 發(fā)生問題和改進方向討論

按照擬定的工況進行評價，在進行如圖7所示的減速帶通過工況時，測試車輛散熱器發(fā)生托底情況。如圖 8所示，散熱器托底后，下側橫梁發(fā)生塑性變形，并產(chǎn)生對儲液罐的橫向拉力，導致儲液罐與散熱器本體發(fā)生分離，發(fā)生如圖9所示的冷卻液泄露的問題。由于冷卻液泄露可能導致車輛出現(xiàn)電機和動力單元過熱，極端工況下還可能導致車輛動力喪失，故會造成安全隱患。根據(jù)試驗目標定義，散熱器需要進行設計改進。

圖7 減速帶工況評價Fig.7 Test pattern of speed breaker

圖8 散熱器變形托底變形情況Fig.8 Deformation of radiator after underbody damage

圖9 散熱器冷卻液泄露Fig.9 Radiator coolant leakage

由本次散熱器失效模式可知，本次改進方案應當從避免散熱器下側橫梁變形的方向著手。從提升散熱器下側橫梁的屈服強度和提高散熱器離地間隙避免托底工況兩種方向進行方案可行性研討，如表1所示。綜合考量變更規(guī)模、設計難度、制造成本、用戶感知等因素，最終選定抬高散熱器離地間隙的方案進行設計改進。

表1 改進方案一覽Tab.1 List of improvement schemes

2.3 必要離地間隙研討

開發(fā)過程中采用實車試驗為主、CAE輔助的技術驗證方式，研討散熱器的必要離地間隙。

2.3.1 原型車離地間隙試驗

考慮到本次開發(fā)車輛 KC特性與原型車 KC特性基本一致，利用原型車進行必要的離地間隙研討，對獲取散熱器必要離地間隙具有一定指導意義。

利用原型車試驗，將軸荷調整至開發(fā)車輛的滿載設計值。在原型車相同位置安裝如圖 10所示的試驗工裝模擬散熱器位置。同時，將油泥按照 100mm 的間距粘貼至試驗工裝下表面，并利用油泥的變形特性測定在減速帶工況下散熱器必要的布置高度。

圖10 散熱器模擬試驗工裝Fig.10 Radiator’s frock for simulated test

以不同車速行駛通過減速帶，并將各車速下的粘土殘余量轉化為必要的離地間隙。為了消除測量、駕駛等試驗誤差，各車速分別進行 3次試驗，并取最大值作為最終試驗數(shù)據(jù)。結果如圖 11所示，可以看出當車速為10km/h時整車X方向坐標6250mm處結果最為嚴苛，離地間隙需要調整至270mm以上。

圖11 散熱器離地間隙測試結果Fig.11 Result of radiator’s ground clearance test

2.3.2 CAE驗證離地間隙可行性

由于實車檢驗過程中忽視了簧下質量對車輛運動姿態(tài)變化的影響，故利用 ADAMS搭建整車模型和虛擬評價路面對改進后的散熱器離地間隙進行分析。分別在改進后的散熱器和路面處添加位移傳感器，通過兩者間相對位移比較來明確散熱器離地間隙的合理性[6]。同時，為了能夠明確仿真模型是否與實車結果評價的一致性趨勢，在上一階段同樣發(fā)生托底的溫調箱處同樣添加位移傳感器。

從仿真結果可以看出，圖12中溫調箱軌跡(藍色虛線)與減速帶(紅色實線)相對距離約-3mm，發(fā)生干涉，與圖 13中溫調箱下側支架劃傷的結果具有較高的一致性。圖 12中改進后的散熱器(粉色虛線)與路面(紅色實線)最小相對距離約-1mm，推斷散熱器僅產(chǎn)生劃傷情況，滿足托底防護性能目標。

圖12 溫調箱支架&散熱器運動軌跡仿真結果Fig.12 Simulation result of displacement for temperature controller box’s bracket and radiator

圖13 溫調箱支架實車評價結果Fig.13 Test result of temperature controller box’s bracket

考慮到改進后散熱器仍存在托底及石子卷入散熱器風扇轉子部引起風扇損壞的風險，本次改進方案在提高離地間隙的同時，追加樹脂護板對散熱器風扇電機進行保護，護板結構如圖14所示。

圖14 散熱器護板示意Fig.14 Diagram of undercover for radiator

2.4 改進后的試驗驗證

對改進后的樣車再次進行托底性能評價，結果如圖 15所示，散熱器下側護板劃傷，散熱器本體并未出現(xiàn)變形、冷卻液泄露等問題，滿足開發(fā)目標。

圖15 改進后散熱器驗證結果Fig.15 Evaluation result of improved radiator

3 結 論

針對布置于車輛后部的散熱器托底防護性能開發(fā)，提出了一種基于實際使用環(huán)境的開發(fā)思路。通過對工程問題的解析與改進，初步驗證了該思路的有效性。但在本次開發(fā)的整體流程中，仍有一些環(huán)節(jié)需要優(yōu)化。對于今后托底防護性能開發(fā)，將從優(yōu)化 CAE介入時機、擴展 CAE仿真領域兩方面入手，以提高托底防護性能的開發(fā)效率。