1、概述

傳統燃油車的碰撞安全，主要是關注乘員的傷害值。純電動汽車的碰撞安全性能則要考慮乘員和動力電池包兩個關鍵點，總布置設計不僅要關注乘員保護，還要考慮動力電池在碰撞時的安全防護。

純電動汽車的前艙應采用雙層布置方案，電氣支架和懸置支架等緊湊設計，盡量騰出吸能空間，還要將高壓元件布置在非潰縮吸能區域。

動力電池的布置要保證在電池包的前后端和左右兩側都留有充足的防護空間和足夠剛強的車體結構，電池的尺寸應嚴格控制，不能過寬過長。

2、前艙吸能空間要求

因為各種原因，純電動車前艙吸能空間很難明顯優于燃油車，但至少要保證與同等級燃油車處于同一水平；考慮到偏置碰工況，機艙左側應留出更大的碰撞空間。

如圖1所示，動力總成最前端到縱梁前端最外點的X向距離定義為L1;沿X軸正方向，移動冷卻風扇電機，直到與動力總成等剛體件接觸，此刻在X軸方向上，冷卻風扇電機前端表面到動力總成剛體件最前端的X向距離定義為L2; 沿X軸方向，動力總成或壓縮機等剛體件最后端與轉向器前端X向距離定義為L3, 轉向器后端到前壁板的距離定義為L4。

圖1 前艙內碰撞吸能空間

前段潰縮距離D1和后段潰縮距離D2的定義如下式：

D1=L1-L2

D2=L3+L4

不同等級車型的吸能空間要求如下表1。

3、前艙布置

為騰出碰撞吸能空間，電動車前機艙應采用雙層布置，如圖2。上層布置維修更換頻率高的部件，如電機控制器、整車控制器、DC/DC、高壓電器盒、充電機等部件；下層布置電機減速器總成和不經常維修的部件，如電動制動真空泵、真空罐、電動空調壓縮機、水泵等。上層的部件布置在圖3所示的機艙電器支架上，機艙電器支架應盡量設計緊湊，而且應避免布置運轉部件。機艙電器支架只布置靜止部件，對模態和動剛度的要求就低，就不需要設計的太過強壯，有利于前艙潰縮吸能。

圖2 前機艙雙層布置方案

圖3 機艙電器支架

制動主缸是安裝在左側前壁板上的凸出剛性部件，在碰撞過程中如果受到其它零部件的直接撞擊，將導致前圍板侵入量大幅增加。現在很多中高檔電動車用集成能量回收功能的電制動器（ebooster/ibooster）代替了傳統的制動主缸，其外形更尖銳，結構更加剛硬，受撞擊的后果更為嚴重。因此我們必須為制動主缸/電制動器預留出充足空間：制動主缸/電制動器的最前端中心前移80m，以此點為頂點，半徑為180mm的半圓錐面內不布置其它零部件，如圖4。

圖4 制動主缸/電制動器前方的空間要求

電動車對懸置系統抗扭性能要求更高，所以懸置布置傾向采用質心布置方案，懸置支架占用的X向空間偏大，在設計時要格外注意，盡量將懸置支架設計的緊湊。圖5展示了一款電動車的前動力總成懸置支架，支架長，前后跨度大，整個懸置系統的抗扭限位能力優秀，但這種設計浪費了大量的吸能空間，對碰撞安全不利。

圖5 某電動車的動力總成懸置支架

轉向機的布置也需要格外注意。大眾的MEB平臺、特斯拉Model 3和一些新興造車勢力把轉向機布置到動力總成的前面，這種做法可以為動力電池讓出更多的布置空間，但是對碰撞安全是不利的。正面碰撞時機艙前部潰縮，會帶動轉向機向后移動，可能導致方向盤后移，加大對駕駛員的傷害。另外，前置轉向器和轉向拉桿占據了動力總成前懸置支架的布置空間，懸置支架很可能需要向前延伸跨過轉向機，會占用了一部分前艙吸能空間，如圖6。

圖6 懸置支架向前跨過轉向機

4、動力電池布置

動力電池是電動汽車上最核心的部件, 為保證電動汽車的續駛里程，動力電池通常重量在300Kg以上，體積龐大，對總布置提出了苛刻的要求：需要250 L以上的規整空間;需要具有能夠承載電池重量的車身安裝位置;電池周邊需要有充分的結構和空間防護。

動力電池的可以布置在行李艙、前艙、門檻、中通道和地板下方（包括前后座椅下方和腳踏下方），這幾種方案的對比如下：

動力電池布置在中通道位置對電池高度的限制最小，而且左右兩側的車體結構能夠很好的保護電池，對于碰撞安全非常有利。但中通道位置空間不大，只適合混動車型，純電動車型基本無法采用這種布置。而且還需要車輛比較寬，中大級以上的車型才能在中通道位置布置下動力電池。

動力電池布置在行李艙位置，不僅影響儲物空間，在碰撞時還非常危險。正面碰撞時幾十G的加速度，安裝點的車身鈑金可能無法承擔，鈑金撕裂后電池將撞到后排乘員。后面碰撞時行李艙位置的電池極易受到擠壓，容易起火爆炸。此外行李艙內放置的尖銳物體，例如雨傘等，在碰撞工況下可能刺穿電池包，導致嚴重后果。

將動力電池布置在前艙位置，要求車輛有非常長的前艙，且在正面碰撞時安全性極差。將動力電池布置在左右門檻上，在側碰時電池極不安全，還嚴重影響進出便利性。所以前艙和門檻布置方案基本沒有應用價值，僅有少量特別小眾的跑車使用。

將動力電池布置在地板下方，能夠獲得較充分的電池空間，可以布置大型電池；電池兩側和前后受到車身和底盤結構的保護，能夠實現良好的安全性能。所以絕大部分純電動車型都是選擇了這種布置方式。

如果采用地板下方布置方案，應考慮正面、側面和后面碰撞工況下的電池防護，嚴格控制動力電池的尺寸。電池包不宜過寬過長，應盡量遠離車身邊緣，四周留出防護空間，如圖7。

圖7 動力電池周邊的防護空間

電池包布置建議如下：

動力電池包本體(去掉法蘭邊)外側邊緣距離門檻梁外邊緣的空間在170mm以上，最好達到200mm。

動力電池包前端至防火墻最前端的距離在100mm以上。

動力電池包后緣位于后扭力梁或者后擺臂之前，推薦距離為90mm。

5、特斯拉的動力電池布置風險

特斯拉系列車型使用了平板型動力電池,將單層電芯模組平鋪到地板下方，能夠最大限度的獲得可用面積，從而實現了高續航里程。這種地板下平板電池方案具有突出的優點（見拙作《純電動汽車架構設計（二）-電池布局與造型變化》），目前國際上發布的幾大電動車電動車專用架構都采用了這種方案，國內互聯網造車勢力更是在極力模仿特斯拉的動力電池布置。

但是，特斯拉Model S和Model X過于激進的應用了此方案，動力電池的尺寸過大，防護空間不足，碰撞安全方面存在很大風險。

首先是動力電池包過于向前延伸，電池包前端突出部分已經完全在前壁板之前，，如圖8。

圖8 特斯拉ModelX的動力電池包

這種向前延伸的動力電池前端不受車身結構任何防護，對于后驅車型,前艙沒有動力總成，比較空曠,電池包的安全性尚可。但對于前驅或者四驅車型,在正面碰撞時，如果縱梁后段潰縮變形，電池包前端很容易被撞擊。所以特斯拉將縱梁后段做成了一個非常強壯的鑄件，如圖9，保證在正面碰撞工況下不發生變形。這種方案經過優化后能夠通過IIHS、NHTSA的測試，但在某些實際工況下電池包仍然有受到撞擊和擠壓的可能，特斯拉近幾年頻繁發生起火事件與這種電池設計方案或許有一定關聯。特斯拉在Model 3電池包上已經取消了這種前端突出的設計，預計安全性將大幅提高。

圖9 特斯拉ModelX的縱梁后段鑄件

其次是電池寬度也過大。電池包本體外側與門檻梁外側的距離不到140mm，門檻梁采用了擠壓鋁型材，橫截面內有多條筋來增強。這種設計可以保證50公里側面臺車碰撞時動力電池包不被擠壓變形，但對于32公里側面柱碰則是力有未逮。

根據NHTSA公開的Model S柱碰測試報告，剛性柱的最大侵入量達到200mm，這意味著電池邊框發生比較大的變形。圖10的柱碰試驗照片也顯示碰撞后電池包邊框有永久變形，電池包上殼有明顯的褶皺，電池模組應該在碰撞過程中受到過擠壓。

圖10 側柱碰后Model S的動力電池包

Model S在側面柱碰測試后并沒有發生電池起火現象，可能是因為它的圓柱形電芯排列有一定間隙，所以更耐擠壓，也可能因為所采用的正負極材料更穩定，或者只是因為運氣特別好。但是對于國內的三元鋰電芯，無論是方形電芯、圓柱形電芯還是軟包電芯，較高速度碰撞時只要芯體受到擠壓就有非常大的起火概率。即使碰撞當時未起火，受過擠壓的電池包在繼續使用一段時間后仍有起火的可能。4月22西安發身的蔚來ES8自燃事故，其原因就是數日前該車動力電池包曾受到過撞擊，電池包發生了永久變形，電池內部結構在被擠壓的狀態下經過一段時間后形成短路，最終引發火情。所以為保證動力電池的安全，應該保證側柱碰工況下電池內部模組不受擠壓，這就需要將門檻梁加寬到160mm以上，并在在電池側邊框兩側保留一定的緩沖區。

特斯拉之所以采用如此大面積的動力電池，是因為所采用的18650和2170芯體高度只有65mm和70mm，這么低的芯體高度，要想保證足夠的續航里程，只能盡量增加電池包的寬度和長度。而國內采用的方形或者軟包電芯，高度大概在90-100mm，所以平板電池整包的長度和寬度可以比特斯拉少10%-20%，實現本文上一章所建議的周邊布置空間是完全可能的。

6、零部件集成化設計

純電動車零部件可以進行一定程度集成，一方面節約布置空間，提高整車模塊化，另一方面可以起到減重降本的作用，合理的集成化設計也有助于提升碰撞安全性能。

現在電機、減速器和逆變器三合一設計已經成為主流。圖11展示的三合一總成，減速器在中間，電機和逆變器在兩側的設計，布局緊湊，X向占用空間少，對碰撞安全性能有利。圖12所示的另一種三合一動力總成，結構也很緊湊，但在X方向占用了較多的空間，反而不利于碰撞吸能。

圖11 減速器在中間的三和一動力總成

圖12 另一種三合一動力總成

將高壓電器件與動力電池集成是很好的思路。特斯拉model 3將一些高壓器件從前艙移出，集成到電池包后部上方，如圖13所示，這種集成化設計充分利用了后排座椅下部空間，騰出了前艙吸能空間。高壓器件放置在此位置，碰撞時有車身結構保護，刮底時有電池包殼體保護，安全性明顯提升。

圖13 特斯拉Model3將部分高壓器件集成到電池包后部

充電機、DcDc和高壓配電盒集成也是當前的趨勢。這些高壓部件的集成化設計，不僅減少了體積和重量，而且大幅減少了高壓線束、接插件和管路的使用量。碰撞時高壓線束的破損和斷裂、接插件的連接失效都有可能造成起火或者電擊傷害，所以管線和接插件的減少會有效降低安全風險。

7、小結

1.前艙吸能空間至少應保持在與同等級燃油車相當的水平。

2.前艙應采用雙層布置；制動主缸前面應預留出充足的碰撞空間；動力總成懸置支架應緊湊設計；應盡量避免轉向機在動力總成前面的布置方案。

3.建議將動力電池布置在地板下方，控制其長度和寬度，四周留出防護空間。

4.合理的零部件集成化設計，能夠提升吸能空間，也能夠提升電安全性能。

5.不要輕易模仿特斯拉Model S/Model X的動力電池布置。

作者簡介

王朋波，清華大學力學博士，汽車結構CAE分析專家。重慶市科協成員、《計算機輔助工程》期刊審稿人、交通運輸部項目評審專家。專業領域為整車疲勞耐久/NVH/碰撞安全性能開發與仿真計算，車體結構優化與輕量化，CAE分析流程自動化等。