1、概述
傳統(tǒng)燃油車的碰撞安全，主要是關(guān)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(guān)鍵點(diǎn)，總布置設(shè)計(jì)不僅要關(guān)注乘員保護(hù)，還要考慮動力電池在碰撞時(shí)的安全防護(hù)。
純電動汽車的前艙應(yīng)采用雙層布置方案，電氣支架和懸置支架等緊湊設(shè)計(jì)，盡量騰出吸能空間，還要將高壓元件布置在非潰縮吸能區(qū)域。
動力電池的布置要保證在電池包的前后端和左右兩側(cè)都留有充足的防護(hù)空間和足夠剛強(qiáng)的車體結(jié)構(gòu)，電池的尺寸應(yīng)嚴(yán)格控制，不能過寬過長。
2、前艙吸能空間要求
因?yàn)楦鞣N原因，純電動車前艙吸能空間很難明顯優(yōu)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(jī)艙左側(cè)應(yīng)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(diǎn)的X向距離定義為L1;沿X軸正方向，移動冷卻風(fēng)扇電機(jī)，直到與動力總成等剛體件接觸，此刻在X軸方向上，冷卻風(fēng)扇電機(jī)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(jī)等剛體件最后端與轉(zhuǎn)向器前端X向距離定義為L3, 轉(zhuǎn)向器后端到前壁板的距離定義為L4。
圖1 前艙內(nèi)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(jī)艙應(yīng)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(jī)控制器、整車控制器、DC/DC、高壓電器盒、充電機(jī)等部件；下層布置電機(jī)減速器總成和不經(jīng)常維修的部件，如電動制動真空泵、真空罐、電動空調(diào)壓縮機(jī)、水泵等。上層的部件布置在圖3所示的機(jī)艙電器支架上，機(jī)艙電器支架應(yīng)盡量設(shè)計(jì)緊湊，而且應(yīng)避免布置運(yùn)轉(zhuǎn)部件。機(jī)艙電器支架只布置靜止部件，對模態(tài)和動剛度的要求就低，就不需要設(shè)計(jì)的太過強(qiáng)壯，有利于前艙潰縮吸能。
圖2 前機(jī)艙雙層布置方案
圖3 機(jī)艙電器支架
制動主缸是安裝在左側(cè)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(dǎo)致前圍板侵入量大幅增加?，F(xiàn)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(tǒng)的制動主缸，其外形更尖銳，結(jié)構(gòu)更加剛硬，受撞擊的后果更為嚴(yán)重。因此我們必須為制動主缸/電制動器預(yù)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(diǎn)為頂點(diǎn)，半徑為180mm的半圓錐面內(nèi)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(tǒng)抗扭性能要求更高，所以懸置布置傾向采用質(zhì)心布置方案，懸置支架占用的X向空間偏大，在設(shè)計(jì)時(shí)要格外注意，盡量將懸置支架設(shè)計(jì)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(tǒng)的抗扭限位能力優(yōu)秀，但這種設(shè)計(jì)浪費(fèi)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(zhuǎn)向機(jī)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(zhuǎn)向機(jī)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(shí)機(jī)艙前部潰縮，會帶動轉(zhuǎn)向機(jī)向后移動，可能導(dǎo)致方向盤后移，加大對駕駛員的傷害。另外，前置轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向拉桿占據(jù)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(zhuǎn)向機(jī)，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(zhuǎn)向機(jī)
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(xù)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(guī)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(jié)構(gòu)和空間防護(hù)。
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(cè)的車體結(jié)構(gòu)能夠很好的保護(hù)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(shí)還非常危險(xiǎn)。正面碰撞時(shí)幾十G的加速度，安裝點(diǎn)的車身鈑金可能無法承擔(dān)，鈑金撕裂后電池將撞到后排乘員。后面碰撞時(shí)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(nèi)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(dǎo)致嚴(yán)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(shí)安全性極差。將動力電池布置在左右門檻上，在側(cè)碰時(shí)電池極不安全，還嚴(yán)重影響進(jìn)出便利性。所以前艙和門檻布置方案基本沒有應(yīng)用價(jià)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(cè)和前后受到車身和底盤結(jié)構(gòu)的保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)考慮正面、側(cè)面和后面碰撞工況下的電池防護(hù)，嚴(yán)格控制動力電池的尺寸。電池包不宜過寬過長，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離車身邊緣，四周留出防護(hù)空間，如圖7。
圖7 動力電池周邊的防護(hù)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(cè)邊緣距離門檻梁外邊緣的空間在170mm以上，最好達(dá)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(fēng)險(xiǎn)
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(shí)現(xiàn)了高續(xù)航里程。這種地板下平板電池方案具有突出的優(yōu)點(diǎn)（見拙作《純電動汽車架構(gòu)設(shè)計(jì)（二）-電池布局與造型變化》），目前國際上發(fā)布的幾大電動車電動車專用架構(gòu)都采用了這種方案，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)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(jìn)的應(yīng)用了此方案，動力電池的尺寸過大，防護(hù)空間不足，碰撞安全方面存在很大風(fēng)險(xiǎn)。
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(jīng)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(jié)構(gòu)任何防護(hù)，對于后驅(qū)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(qū)或者四驅(qū)車型,在正面碰撞時(shí)，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(qiáng)壯的鑄件，如圖9，保證在正面碰撞工況下不發(fā)生變形。這種方案經(jīng)過優(yōu)化后能夠通過IIHS、NHTSA的測試，但在某些實(shí)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(fā)生起火事件與這種電池設(shè)計(jì)方案或許有一定關(guān)聯(lián)。特斯拉在Model 3電池包上已經(jīng)取消了這種前端突出的設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)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(cè)與門檻梁外側(cè)的距離不到140mm，門檻梁采用了擠壓鋁型材，橫截面內(nèi)有多條筋來增強(qiáng)。這種設(shè)計(jì)可以保證50公里側(cè)面臺車碰撞時(shí)動力電池包不被擠壓變形，但對于32公里側(cè)面柱碰則是力有未逮。
根據(jù)NHTSA公開的Model S柱碰測試報(bào)告，剛性柱的最大侵入量達(dá)到200mm，這意味著電池邊框發(fā)生比較大的變形。圖10的柱碰試驗(yàn)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(yīng)該在碰撞過程中受到過擠壓。
圖10 側(cè)柱碰后Model S的動力電池包
Model S在側(cè)面柱碰測試后并沒有發(fā)生電池起火現(xiàn)象，可能是因?yàn)樗膱A柱形電芯排列有一定間隙，所以更耐擠壓，也可能因?yàn)樗捎玫恼?fù)極材料更穩(wěn)定，或者只是因?yàn)檫\(yùn)氣特別好。但是對于國內(nèi)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(shí)只要芯體受到擠壓就有非常大的起火概率。即使碰撞當(dāng)時(shí)未起火，受過擠壓的電池包在繼續(xù)使用一段時(shí)間后仍有起火的可能。4月22西安發(fā)身的蔚來ES8自燃事故，其原因就是數(shù)日前該車動力電池包曾受到過撞擊，電池包發(fā)生了永久變形，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)在被擠壓的狀態(tài)下經(jīng)過一段時(shí)間后形成短路，最終引發(fā)火情。所以為保證動力電池的安全，應(yīng)該保證側(cè)柱碰工況下電池內(nèi)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(cè)邊框兩側(cè)保留一定的緩沖區(qū)。
特斯拉之所以采用如此大面積的動力電池，是因?yàn)樗捎玫?8650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(xù)航里程，只能盡量增加電池包的寬度和長度。而國內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)
純電動車零部件可以進(jìn)行一定程度集成，一方面節(jié)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(shè)計(jì)也有助于提升碰撞安全性能。
現(xiàn)在電機(jī)、減速器和逆變器三合一設(shè)計(jì)已經(jīng)成為主流。圖11展示的三合一總成，減速器在中間，電機(jī)和逆變器在兩側(cè)的設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shí)有車身結(jié)構(gòu)保護(hù)，刮底時(shí)有電池包殼體保護(hù)，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(jī)、DcDc和高壓配電盒集成也是當(dāng)前的趨勢。這些高壓部件的集成化設(shè)計(jì)，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(shí)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(fēng)險(xiǎn)。
7、小結(jié)
1.前艙吸能空間至少應(yīng)保持在與同等級燃油車相當(dāng)?shù)乃健?
2.前艙應(yīng)采用雙層布置；制動主缸前面應(yīng)預(yù)留出充足的碰撞空間；動力總成懸置支架應(yīng)緊湊設(shè)計(jì)；應(yīng)盡量避免轉(zhuǎn)向機(jī)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(hù)空間。
4.合理的零部件集成化設(shè)計(jì)，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(xué)力學(xué)博士，汽車結(jié)構(gòu)CAE分析專家。重慶市科協(xié)成員、《計(jì)算機(jī)輔助工程》期刊審稿人、交通運(yùn)輸部項(xiàng)目評審專家。專業(yè)領(lǐng)域?yàn)檎嚻谀途?NVH/碰撞安全性能開發(fā)與仿真計(jì)算，車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化，CAE分析流程自動化等。
