纯电动汽车碰撞安全性能开发(一):纯电动车与燃油车的差异

2019-04-22 20:01:18·  来源:王朋波 模态空间  
 
概述纯电动车相比燃油车,内燃机和变速器变成电机和减速器,而且增加了巨大的动力电池系统,如图1。所以电动车在空间布置、重量分布、高压电安全、动力电池防护
概述
 
纯电动车相比燃油车,内燃机和变速器变成电机和减速器,而且增加了巨大的动力电池系统,如图1。所以电动车在空间布置、重量分布、高压电安全、动力电池防护等方面都与燃油车有很大差异。
 
纯电动汽车碰撞事故的后果有别于传统燃油车。纯电动车在碰撞时不仅仅会造成车体变形和乘员机械伤害,碰撞还可能引起高压系统的窜动、挤压、开裂、短路,从而发生漏电、热冲击、爆炸、燃烧等,乘员就有可能受到电伤害、化学伤害、电池爆炸伤害以及燃烧伤害等。
 
既然纯电动汽车的碰撞安全特性不同于传统燃油汽车,我们开发碰撞安全性能的思路和要点也需要相应改变。传统燃油车的碰撞安全性能围绕着乘员开发,基本思路就是通过控制车体加速和变形量来降低乘员的机械伤害。纯电动汽车的碰撞安全性能则要考虑乘员和动力电池包两个关键点,不仅要关注乘员的伤害值。还要考虑动力电池在碰撞时的安全防护。
图1 纯电动汽车的动力传动系统

空间布置的变化

电动机和减速器构成的动力总成体积比燃油车动力总成小,似乎纯电动汽车的前舱吸能空间要大于燃油车。
 
可惜的是,纯电动汽车的发展趋势是尽量将前后悬缩短和加长轴距,以便在地板下布置更大的平板电池,这就导致前舱空间被严重压缩。而且高压配电盒、逆变器、DC-DC和充电器等体积比较大的部件通常也都布置在前舱内,几乎将整个前舱占满。为保护内部电子元器件和实现电磁屏蔽,这些部件通常都有刚硬的金属外壳,在碰撞中基本无法变形,接近刚性体。
 
所以在通常情况下,电动汽车的前舱碰撞吸能空间不会好于传统燃油车。图2展示了雪佛兰BOLT的前舱布置,整个前舱满满当当,有效吸能空间非常少。
图2 雪佛兰BOLT的前舱布置
 
对于油改电的车型,前悬和前舱空间保持跟原型车一致,没有被缩减,但因为悬架和车身结构基本上是直接借用,不会根据新的动力总成做适用性的改动,导致空间利用效率较低,再加上还要布置各种高压元件和PTC等,最终的前舱吸能空间也不会高于原型燃油车。
 
纯电动车在总布置上的一个关键点是动力电池,通常动力电池布置在地板下方。电池的前后和两侧都需要设计充分的防护结构和缓冲空间。
 
为给电池提供布置空间,地板纵梁需要取消或者向外弯折,导致前舱纵梁碰撞时的载荷不易向后传递,在正面碰撞时前纵梁根部容易弯折并向后顶入乘员舱内,产生非常大的前壁板侵入量。
 
为保证动力电池的安全性,除了燃油车开发常用的正碰、偏置碰、侧碰和后碰工况,还要考虑高速追尾和柱碰等整车工况,此外还应补充刮底和托底等专门针对动力电池包的工况。其中侧面柱碰工况尤其重要,原因是纯电动车在事故中与路边树木和电线杆相撞的后果会更加严重,会造成电池包的剧烈挤压、变形,导致起火爆炸。
 
质量和质心的变化

纯电动车在地板下方布置了一块重达数百公斤的动力电池,所以整车质量要比同尺寸的燃油车增加20%以上,碰撞时初始动能远大于燃油车。但由于前部吸能空间并不大于燃油车,纵梁截面也无法显著加大,所以车体结构设计难度增加。
 
此外,纯电动车的动力总成比燃油车轻,整车增加的质量分布在前壁板后方,即动力总成之后。车辆在正面碰撞时,动力总成撞击到壁障后动能降为0,整车总动能迅速降低,因纯电动车在动力总成之后的质量大于燃油车较多,剩余动能较大,对车身结构造成较大负担。
 
纯电动汽车质量增加且质心后移,使车体碰撞吸能特性与燃油车有较大差异,设计车身结构时要考虑以下几点:
  1. 纯电动汽车应加强纵梁前段的吸能效率,使动力总成接触壁障停止时的速度不大于传统车。
  2. 纯电动车动力总成与前壁板之间的溃缩空间应大于燃油车,必要时宁可牺牲一点动力总成前方的吸能空间。
  3. 纯电动车纵梁中后段(电动机与前壁板间)的强度必须明显大于燃油车原型,还要能够充分变形,防止能量集中在纵梁根部与车身。
因为动力电池通常放在地板下方,使整车的质心降低,整车质心Z向高度更接近前纵梁中线。整车质心降低是否对碰撞性能有利并无定论。有研究者认为质心低能够得到更好的碰撞加速度波形;也有研究者用数值模拟得到了质心低有利于100%正碰但不利于40%偏置碰的结论。本人则认为,如果在车体设计时考虑了整车质心低的特点,可以提升前纵梁的吸能效率。
 
燃油车的整车质心一般比前纵梁中线要高出100mm以上,所以正面碰撞时(包括正碰和偏置碰)形成俯仰力矩,整车有明显的点头动作,这就导致前纵梁很难形成完美的溃缩模式,一般都是先溃缩再弯折。而纯电动汽车的整车质心在Z方向上接近甚至低于前纵梁中线,如果在车体结构设计时充分利用这个特点,理论上可以实现更好的纵梁溃缩变形,在同样的吸能空间内具有吸收更多动能的可能性。
 
高压电安全
 
电动车为保证续航里程,搭载了大容量锂离子电池,因锂离子的活性,电池受到强烈撞击后易发生渗漏,甚至起火爆燃。纯电动汽车采用了高压电机和电驱动控制系统,还采用了大量的高压附件设备,如电动空调、PTC 电加热器及 DC/DC 等。这些高压部件在碰撞中也可能会起火爆炸。各种高压部件和线束在碰撞后有发生短路、漏电的风险,可能会与乘员发生直接或间接接触从而引发电击伤害。
 
图3 展示了特斯拉ModelS的一次事故,2013年11月在高速公路上碰撞拖车车钩导致高压电系统发生火灾,整辆车被烧的惨不忍睹。所以纯电动汽车的碰撞安全设计,除了乘员保护和电池结构保护,还必须考虑高压电安全问题。
图3 特斯拉碰撞起火事故
 
纯电动车的高压电系统要有合理的绝缘设计。例如从设计上要保证动力电池二次绝缘,即电池组与箱体绝缘、电池箱体再次与车体绝缘;高压电器外壳应接地,确保人体可触及的部位与人体是同一电位;车辆应具备快慢充电口高压隔离功能,实现充电时充电口不带电。
 
电动车的高压系统要具备碰撞断电功能,在车辆发生碰撞事故时,能够自动将危险电压隔离。目前纯电动车的碰撞断电功能都是用气囊ECU实现。碰撞发生时,气囊ECU接收到碰撞传感器的加速度信号,如果判断应点爆气囊,同时发出气囊点爆指令和断电指令。但是因为气囊点爆不涉及后碰工况,所以需要单独开发后碰断电功能,通常需要增加样车以进行后碰断电标定试验。
 
此外我们还需要从总布置和结构防护两个维度来考虑高压电安全。高压部件和高压线缆尽量布置在碰撞吸能区域之外;高压部件的冲击、跌落、针刺、挤压等性能要符合相关法规要求;高压部件的外壳和支架要具备足够的刚强度;整车结构在碰撞时也应实现对高压部件的有效防护。
 
电动车舱内大屏幕
 
巨大的中控屏幕是当前纯电动车的趋势。2013年特斯拉Model S使用了17英寸大屏,如图4。从此大屏开始成为一种流行时尚,很多电动车新兴势力也正不断将其发扬光大。例如拜腾汽车首款SUV采用了长达1.25的屏幕,几乎占据了整个仪表台,甚至在方向盘中心还放了一块屏幕,如图5。
图4 特斯拉Model S的中控大屏
图5 拜腾的仪表板大屏和方向盘屏幕
 
纯电动汽车的大屏虽然酷炫,但也是碰撞时的安全隐患。为保证刚强度和耐久性能,这些大屏都采用了坚固的金属后壳和金属支架,比手持的iPad要刚硬的多。碰撞时大屏幕如果与乘员头部发生接触,就可能造成严重伤害。这些大屏通常很难通过GB11522《轿车内部内凸物》中的规定的静态测试,只能考虑动态豁免,需要通过气囊和安全带的合理匹配,保证在各种碰撞工况下乘员的头部不会与大屏发生撞击。
 
拜腾的方向盘中心屏幕方案并没有体现在量产车内,但这种设计有可能是未来的趋势。如果真的实现了方向盘屏幕,则主驾气囊只能布置非常规位置,传统的约束系统匹配思路就需要有颠覆性的改变。

碰撞安全性能开发思路的变化
 
6.1. 整车结构应偏向于刚硬
 
如前述,纯电动汽车的前舱吸能空间并不高于燃油车,但整车质量又高于燃油车,所以前纵梁必须设计的比燃油车刚硬;为了在碰撞时有效支撑前纵梁,前舱之后的结构也要足够刚硬;此外还需要考虑控制车体结构变形,保证不挤压到高压器件。所以与燃油车相比,纯电动汽车的整车结构应该是明显偏向刚硬的。

6.2 约束系统配置要求更高
 
理论上碰撞加速度的均值只与溃缩距离有关。也就是说,如果纯电动汽车的吸能空间与燃油车一致,即使纯电动汽车的质量明显大约燃油车,在同样的碰撞初速度下两者的平均加速度应该也是一致的。
 
但实际上,如果我们设计同样的前舱吸能空间,纯电动车的碰撞加速度会明显高于燃油车。原因是纯电动汽车的结构不仅要保护乘员,还要保护动力电池,所以碰撞时乘员舱的变形量要求严于燃油车,这就相当于减少了整体的吸能距离,导致加速度偏高。另外在偏置碰工况下,对于纯电动车和燃油车,可变形壁障都吸收的能量基本相等,但纯电动车的初始动能大于燃油车。也就是说,对于纯电动汽车,可变形壁障吸收动能的比例偏低,车体结构吸收动能的比例高于燃油车,也会导致加速度偏高。
 
一般说来,我们允许纯电动汽车的碰撞加速度OLC比同等级的燃油车高3.0-5.0g。在偏高的碰撞加速度下,我们需要提升约束系统的配置,以控制乘员的伤害值。例如预紧式安全带,很多低端燃油车并未采用,但对于纯电动汽车,它应该成为最基本的配置。
 
6.3 使用更多的主动安全技术和智能化安全配置
 
主动安全和智能化技术与纯电动汽车并无必然的联系,燃油车一样可以应用。但是,特斯拉用大量智能化的黑科技吸引了眼球,国内互联网造车势力也在推波助澜,使消费者的心理预期发生了变化。大部分消费者认为纯电动汽车理当应用更多的主动安全和智能化技术,这种形势下,碰撞安全开发人员如果提议在纯电动汽车上增加主动安全和智能约束系统,比较容易得到车企的认可。
 
作者简介
王朋波,清华大学力学博士,汽车结构CAE分析专家。重庆市科协成员、《计算机辅助工程》期刊审稿人、交通运输部项目评审专家。专业领域为整车疲劳耐久/NVH/碰撞安全性能开发与仿真计算,车体结构优化与轻量化,CAE分析流程自动化等。王朋波私人微信:poplewang。 
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