鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年03月04日
純電動汽車碰撞安全性能開發(fā)（一）：純電動汽車與燃油車的差異
概述
純電動汽車相比燃油車，內(nèi)燃機和變速器變成電機和減速器，而且新增了巨大的動力鋰電池系統(tǒng)，如圖1。所以電動汽車在空間布置、重量分布、高壓電安全、動力鋰電池防護等方面都與燃油車有很大差異。 純電動汽車碰撞事故的后果有別于傳統(tǒng)燃油車。純電動汽車在碰撞時不僅僅會造成車體變形和乘員機械傷害，碰撞還可能引起高壓系統(tǒng)的竄動、擠壓、開裂、短路，從而發(fā)生漏電、熱沖擊、爆炸、燃燒等，乘員就有可能受到電傷害、化學(xué)傷害、電池爆炸傷害以及燃燒傷害等。 既然純電動汽車的碰撞安全特性不同于傳統(tǒng)燃油汽車，我們開發(fā)碰撞安全性能的思路和要點也要相應(yīng)改變。傳統(tǒng)燃油車的碰撞安全性能圍繞著乘員開發(fā)，基本思路就是通過控制車體加速和變形量來降低乘員的機械傷害。純電動汽車的碰撞安全性能則要考慮乘員和動力鋰電池包兩個關(guān)鍵點，不僅要關(guān)注乘員的傷害值。還要考慮動力鋰電池在碰撞時的安全防護。 圖1純電動汽車的動力傳動系統(tǒng) 空間布置的變化 電動機和減速器構(gòu)成的動力總成體積比燃油車動力總成小，似乎純電動汽車的前艙吸能空間要大于燃油車。 可惜的是，純電動汽車的發(fā)展趨勢是盡量將前后懸縮短和加長軸距，以便在地板下布置更大的平板電池，這就導(dǎo)致前艙空間被嚴重壓縮。而且高壓配電盒、逆變器、DC-DC和充電器等體積比較大的部件通常也都布置在前艙內(nèi)，幾乎將整個前艙占滿。為保護內(nèi)部電子元器件和實現(xiàn)電磁屏蔽，這些部件通常都有剛硬的金屬外殼，在碰撞中基本無法變形，接近剛性體。 所以在通常情況下，電動汽車的前艙碰撞吸能空間不會好于傳統(tǒng)燃油車。圖2展示了雪佛蘭BOLT的前艙布置，整個前艙滿滿當當，有效吸能空間非常少。 圖2雪佛蘭BOLT的前艙布置 關(guān)于油改電的車型，前懸和前艙空間保持跟原型車一致，沒有被縮減，但因為懸架和車身結(jié)構(gòu)基本上是直接借用，不會根據(jù)新的動力總成做適用性的改動，導(dǎo)致空間利用效率較低，再加上還要布置各種高壓元件和PTC等，最終的前艙吸能空間也不會高于原型燃油車。 純電動汽車在總布置上的一個關(guān)鍵點是動力鋰電池，通常動力鋰電池布置在地板下方。電池的前后和兩側(cè)都要設(shè)計充分的防護結(jié)構(gòu)和緩沖空間。 為給電池供應(yīng)布置空間，地板縱梁要取消或者向外彎折，導(dǎo)致前艙縱梁碰撞時的載荷不易向后傳遞，在正面碰撞時前縱梁根部容易彎折并向后頂入乘員艙內(nèi)，產(chǎn)生非常大的前壁板侵入量。 為保證動力鋰電池的安全性，除了燃油車開發(fā)常用的正碰、偏置碰、側(cè)碰和后碰工況，還要考慮高速追尾和柱碰等整車工況，此外還應(yīng)補充刮底和托底等專門針對動力鋰電池包的工況。其中側(cè)面柱碰工況尤其重要，原因是純電動汽車在事故中與路邊樹木和電線桿相撞的后果會更加嚴重，會造成電池包的劇烈擠壓、變形，導(dǎo)致起火爆炸。 質(zhì)量和質(zhì)心的變化 純電動汽車在地板下方布置了一塊重達數(shù)百公斤的動力鋰電池，所以整車質(zhì)量要比同尺寸的燃油車新增20%以上，碰撞時初始動能遠大于燃油車。但由于前部吸能空間并不大于燃油車，縱梁截面也無法顯著加大，所以車體結(jié)構(gòu)設(shè)計難度新增。 此外，純電動汽車的動力總成比燃油車輕，整車新增的質(zhì)量分布在前壁板后方，即動力總成之后。車輛在正面碰撞時，動力總成撞擊到壁障后動能降為0，整車總動能迅速降低，因純電動汽車在動力總成之后的質(zhì)量大于燃油車較多，剩余動能較大，對車身結(jié)構(gòu)造成較大負擔(dān)。 純電動汽車質(zhì)量新增且質(zhì)心后移，使車體碰撞吸能特性與燃油車有較大差異，設(shè)計車身結(jié)構(gòu)時要考慮以下幾點： 1、純電動汽車應(yīng)加強縱梁前段的吸能效率，使動力總成接觸壁障停止時的速度不大于傳統(tǒng)車。 2、純電動汽車動力總成與前壁板之間的潰縮空間應(yīng)大于燃油車，必要時寧可犧牲一點動力總成前方的吸能空間。 3、純電動汽車縱梁中后段（電動機與前壁板間）的強度必須明顯大于燃油車原型，還要能夠充分變形，防止能量集中在縱梁根部與車身。 因為動力鋰電池通常放在地板下方，使整車的質(zhì)心降低，整車質(zhì)心Z向高度更接近前縱梁中線。整車質(zhì)心降低是否對碰撞性能有利并無定論。有研究者認為質(zhì)心低能夠得到更好的碰撞加速度波形；也有研究者用數(shù)值模擬得到了質(zhì)心低有利于100%正碰但不利于40%偏置碰的結(jié)論。本人則認為，假如在車體設(shè)計時考慮了整車質(zhì)心低的特點，可以提升前縱梁的吸能效率。 燃油車的整車質(zhì)心一般比前縱梁中線要高出100mm以上，所以正面碰撞時（包括正碰和偏置碰）形成俯仰力矩，整車有明顯的點頭動作，這就導(dǎo)致前縱梁很難形成完美的潰縮模式，一般都是先潰縮再彎折。而純電動汽車的整車質(zhì)心在Z方向上接近甚至低于前縱梁中線，假如在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分利用這個特點，理論上可以實現(xiàn)更好的縱梁潰縮變形，在同樣的吸能空間內(nèi)具有吸收更多動能的可能性。 高壓電安全 電動汽車為保證續(xù)航里程，搭載了大容量鋰離子電池，因鋰離子的活性，電池受到強烈撞擊后易發(fā)生滲漏，甚至起火爆燃。純電動汽車采用了高壓電機和電驅(qū)動控制系統(tǒng)，還采用了大量的高壓附件設(shè)備，如電動空調(diào)、PTC電加熱器及DC/DC等。這些高壓部件在碰撞中也可能會起火爆炸。各種高壓部件和線束在碰撞后有發(fā)生短路、漏電的風(fēng)險，可能會與乘員發(fā)生直接或間接接觸從而引發(fā)電擊傷害。 圖3展示了特斯拉ModelS的一次事故，2013年十一月在高速公路上碰撞拖車車鉤導(dǎo)致高壓電系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)，整輛車被燒的慘不忍睹。所以純電動汽車的碰撞安全設(shè)計，除了乘員保護和電池結(jié)構(gòu)保護，還必須考慮高壓電安全問題。 圖3特斯拉碰撞起火事故 純電動汽車的高壓電系統(tǒng)要有合理的絕緣設(shè)計。例如從設(shè)計上要保證動力鋰電池二次絕緣，即電池組與箱體絕緣、電池箱體再次與車體絕緣；高壓電器外殼應(yīng)接地，確保人體可觸及的部位與人體是同一電位；車輛應(yīng)具備快慢充電口高壓隔離功能，實現(xiàn)充電時充電口不帶電。 電動汽車的高壓系統(tǒng)要具備碰撞斷電功能，在車輛發(fā)生碰撞事故時，能夠自動將危險電壓隔離。目前純電動汽車的碰撞斷電功能都是用氣囊ECU實現(xiàn)。碰撞發(fā)生時，氣囊ECU接收到碰撞傳感器的加速度信號，假如判斷應(yīng)點爆氣囊，同時發(fā)出氣囊點爆指令和斷電指令。但是因為氣囊點爆不涉及后碰工況，所以要單獨開發(fā)后碰斷電功能，通常要新增樣車以進行后碰斷電標定試驗。 此外我們還要從總布置和結(jié)構(gòu)防護兩個維度來考慮高壓電安全。高壓部件和高壓線纜盡量布置在碰撞吸能區(qū)域之外；高壓部件的沖擊、跌落、針刺、擠壓等性能要符合相關(guān)法規(guī)要求；高壓部件的外殼和支架要具備足夠的剛強度；整車結(jié)構(gòu)在碰撞時也應(yīng)實現(xiàn)對高壓部件的有效防護。 電動汽車艙內(nèi)大屏幕 巨大的中控屏幕是當前純電動汽車的趨勢。2013年特斯拉ModelS使用了17英寸大屏，如圖4。從此大屏開始成為一種流行時尚，很多電動汽車新興勢力也正不斷將其發(fā)揚光大。例如拜騰汽車首款SUV采用了長達1.25的屏幕，幾乎占據(jù)了整個儀表臺，甚至在方向盤中心還放了一塊屏幕，如圖5。 圖4特斯拉ModelS的中控大屏 圖5拜騰的儀表板大屏和方向盤屏幕 純電動汽車的大屏雖然酷炫，但也是碰撞時的安全隱患。為保證剛強度和耐久性能，這些大屏都采用了堅固的金屬后殼和金屬支架，比手持的iPad要剛硬的多。碰撞時大屏幕假如與乘員頭部發(fā)生接觸，就可能造成嚴重傷害。這些大屏通常很難通過GB11522《轎車內(nèi)部內(nèi)凸物》中的規(guī)定的靜態(tài)測試，只能考慮動態(tài)豁免，要通過氣囊和安全帶的合理匹配，保證在各種碰撞工況下乘員的頭部不會與大屏發(fā)生撞擊。 拜騰的方向盤中心屏幕方案并沒有體現(xiàn)在量產(chǎn)車內(nèi)，但這種設(shè)計有可能是未來的趨勢。假如真的實現(xiàn)了方向盤屏幕，則主駕氣囊只能布置非常規(guī)位置，傳統(tǒng)的約束系統(tǒng)匹配思路就要有顛覆性的改變。 碰撞安全性能開發(fā)思路的變化 1.整車結(jié)構(gòu)應(yīng)偏向于剛硬 如前述，純電動汽車的前艙吸能空間并不高于燃油車，但整車質(zhì)量又高于燃油車，所以前縱梁必須設(shè)計的比燃油車剛硬；為了在碰撞時有效支撐前縱梁，前艙之后的結(jié)構(gòu)也要足夠剛硬；此外還要考慮控制車體結(jié)構(gòu)變形，保證不擠壓到高壓器件。所以與燃油車相比，純電動汽車的整車結(jié)構(gòu)應(yīng)該是明顯偏向剛硬的。 2.約束系統(tǒng)配置要求更高 理論上碰撞加速度的均值只與潰縮距離有關(guān)。也就是說，假如純電動汽車的吸能空間與燃油車一致，即使純電動汽車的質(zhì)量明顯大約燃油車，在同樣的碰撞初速度下兩者的平均加速度應(yīng)該也是一致的。 但實際上，假如我們設(shè)計同樣的前艙吸能空間，純電動汽車的碰撞加速度會明顯高于燃油車。原因是純電動汽車的結(jié)構(gòu)不僅要保護乘員，還要保護動力鋰電池，所以碰撞時乘員艙的變形量要求嚴于燃油車，這就相當于減少了整體的吸能距離，導(dǎo)致加速度偏高。另外在偏置碰工況下，關(guān)于純電動汽車和燃油車，可變形壁障都吸收的能量基本相等，但純電動汽車的初始動能大于燃油車。也就是說，關(guān)于純電動汽車，可變形壁障吸收動能的比例偏低，車體結(jié)構(gòu)吸收動能的比例高于燃油車，也會導(dǎo)致加速度偏高。 一般說來，我們允許純電動汽車的碰撞加速度OLC比同等級的燃油車高3.0-5.0g。在偏高的碰撞加速度下，我們要提升約束系統(tǒng)的配置，以控制乘員的傷害值。例如預(yù)緊式安全帶，很多低端燃油車并未采用，但關(guān)于純電動汽車，它應(yīng)該成為最基本的配置。 3.使用更多的主動安全技術(shù)和智能化安全配置 主動安全和智能化技術(shù)與純電動汽車并無必然的聯(lián)系，燃油車一樣可以應(yīng)用。但是，特斯拉用大量智能化的黑科技吸引了眼球，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)造車勢力也在推波助瀾，使消費者的心理預(yù)期發(fā)生了變化。大部分消費者認為純電動汽車理當應(yīng)用更多的主動安全和智能化技術(shù)，這種形勢下，碰撞安全開發(fā)人員假如提議在純電動汽車上新增主動安全和智能約束系統(tǒng)，比較容易得到車企的認可。
