引言

汽車的托底碰撞事故比較常見，道路上的雜物、減速帶、路緣及路邊的樹墩都可能造成托底碰撞，如圖1所示。但在沒有電動車的時代托底事故被關注不多，是因為托底事故一般不會造成人員傷害。電動車發生托底碰撞，是由于電池包底部的離地間隙低于道路上障礙物，電池包與障礙物存在高度方向的幾何不匹配，具有一垂向重疊量，當車輛行駛過道路障礙物時，電池包被障礙物撞擊和刮蹭，稱為托底碰撞，如圖2所示。

圖1    一般道路常見的汽車托底工況

圖2    托底碰撞示意圖

以某款純電動車底部外形參數為例（電池包以紅色示意），道路上常見的托底碰撞情境有以下幾種（圖3）：車輛于平面道路行駛時，障礙物的垂直高度高于電池包的離地間隙；車輛通過路緣行駛時，單側車輪落入具有高度差的路緣；車輛前進上坡或倒車下坡時路面高度差引起。

圖3    電動車托底碰撞示意圖

托底試驗裝置設計

由于電動車托底碰撞造成的電池包損壞可能引起電池著火，需要建立可標準化的電動車托底試驗方法，評估電池包損傷和抗托底碰撞的保護性能。

在電動車托底試驗中，需要能直接對行駛中的電動車電池包底部造成托底碰撞并刮蹭。為了在托底碰撞評價試驗中能直接撞擊電池包，需要設計一種可觸發作動的托底試驗裝置。因為有些車輛前艙結構件的離地高度與電池包的離地間隙差不多，托底碰撞裝置須能閃避車輛前艙結構件，直接碰撞電池包，這是為了試驗的一致性。在托底試驗開始前，加載裝置固定于地面并處于收納狀態，當車輛前艙結構通過托底試驗裝置且電池包到達前，托底試驗裝置觸發作動彈出，直接對電池包托底碰撞，同時在托底碰撞的過程中，托底試驗裝置須要保持對電池包的碰撞條件（如設定的重疊量）不變。

并且，托底試驗裝置須有調節托底碰撞位置（整車寬度方向）的設計，用以調整托底碰撞位置相對于電池包為中置或偏置托底碰撞，如圖4所示。

圖4    電動車托底碰撞試驗示意圖

01 電磁鐵驅動彈出式裝置

在電磁鐵驅動彈出式托底試驗裝置中，裝置組成的主要元件為沖擊頭、汽缸、活塞、定位銷、定位銷彈簧、作動彈簧、電磁鐵、裝置底板及轉接底板等，主要元件如圖5所示。裝置儲能狀態時，使用電磁鐵固定活塞軸向自由度，使作動彈簧壓縮儲存彈性勢能，觸發時電磁鐵斷電以釋放活塞軸向自由度及作動彈簧的彈性勢能，彈出沖擊頭碰撞與刮蹭電池包。

圖5    電磁鐵驅動彈出式托底試驗裝置：

(a) 彈出狀態；(b) 儲能狀態

02 純機械驅動彈出式裝置

由于部分的托底碰撞試驗場設置于室外或電力牽引不方便之處，無法使用上述的電磁鐵驅動彈出式裝置進行電動車托底碰撞試驗。為了因應上述情況，提出純機械驅動彈出式裝置，如圖6所示，試驗場無需電力牽引，亦可進行電動車托底碰撞試驗。

純機械驅動彈出式裝置設計觸發插銷取代電磁鐵，用以拘束沖擊頭于儲能狀態時收納于汽缸中，當裝置接收到觸發信號時將觸發插銷拔出，作動彈簧釋放預壓的彈性勢能，將沖擊頭彈出至預定位置進行電動車托底碰撞試驗。

圖6    純機械驅動彈出式托底試驗裝置：

(a) 彈出狀態；(b) 儲能狀態

03 電動車電池包托底碰撞試驗方法

以下以臺車碰撞試驗為例，介紹用上述裝置進行電動汽車托底沖擊試驗方法。臺車托底試驗方法配置如圖7所示。

圖7    電池包托底碰撞臺車試驗設置：

(a) 側視圖；(b) 不等角視圖；(c) 實際設置

在清華大學汽車碰撞試驗室，本團隊針對某款電動車的電池包進行托底碰撞臺車試驗。試驗過程中使用高速攝像機拍攝，其托底碰撞過程如圖8所示：(a) 電池包與托底試驗裝置接觸；(b) 電池包受托底試驗裝置碰撞，導致電池包碰撞區明顯彎曲變形，電池包主要受力方向為汽車行進方向（X方向）；(c) 電池包持續受到托底碰撞，托底試驗裝置頂部侵入電池包，電池包主要受力方向為汽車行進方向及垂直方向（X方向及Z方向）。

圖8    托底碰撞臺車試驗過程電池包碰撞區

明顯變形而后躍起

使用試驗臺車進行電池包托底試驗方法可根據不同的測試條件進行不同的試驗方法配置，如偏置托底沖擊位置、不同托底重疊量設計、不同的托底沖擊頭型狀設計等，并且能針對不同形式的電池包進行托底沖擊試驗，評估不同的電池包結構設計被托底沖擊后的損傷及安全性能。

結論

本文提出了若干種具有普適性的托底試驗裝置，以建立可標準化的電動車托底碰撞試驗方法。自動觸發彈出式的托底試驗裝置能閃避汽車的前艙結構，直接對電池包底部進行托底碰撞試驗，用于評估電池包損傷和抗托底碰撞的保護性能，為建立標準化的電動車托底碰撞試驗方法提供了基礎。具普適性的托底試驗裝置能適應多個試驗車速和多種車型尺寸（包括車輛長度和電池包離地間隙），并能提供若干托底侵入量水平。