1、概述
純電動車相比燃油車，內(nèi)燃機和變速器變成電機和減速器，而且增加了巨大的動力電池系統(tǒng)，如圖1。所以電動車在空間布置、重量分布、高壓電安全、動力電池防護(hù)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需要相應(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。還要考慮動力電池在碰撞時的安全防護(hù)。
圖1 純電動汽車的動力傳動系統(tǒng)
2、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(yán)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(hù)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(dāng)當(dāng)，有效吸能空間非常少。
圖2 雪佛蘭BOLT的前艙布置
對于油改電的車型，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。
純電動車在總布置上的一個關(guān)鍵點是動力電池，通常動力電池布置在地板下方。電池的前后和兩側(cè)都需要設(shè)計充分的防護(hù)結(jié)構(gòu)和緩沖空間。
為給電池提供布置空間，地板縱梁需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，原因是純電動車在事故中與路邊樹木和電線桿相撞的后果會更加嚴(yán)重，會造成電池包的劇烈擠壓、變形，導(dǎo)致起火爆炸。
3、質(zhì)量和質(zhì)心的變化
純電動車在地板下方布置了一塊重達(dá)數(shù)百公斤的動力電池，所以整車質(zhì)量要比同尺寸的燃油車增加20%以上，碰撞時初始動能遠(yuǎn)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)計難度增加。
此外，純電動車的動力總成比燃油車輕，整車增加的質(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(fù)擔(dān)。
純電動汽車質(zhì)量增加且質(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：
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。
純電動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。
純電動車縱梁中后段（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(rèn)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(rèn)為，如果在車體設(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，如果在車體結(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。
4、高壓電安全
電動車為保證續(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11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(hù)和電池結(jié)構(gòu)保護(hù)，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，如果判斷應(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，所以需要單獨開發(fā)后碰斷電功能，通常需要增加樣車以進(jìn)行后碰斷電標(biāo)定試驗。
此外我們還需要從總布置和結(jié)構(gòu)防護(hù)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(hù)。
5、電動車艙內(nèi)大屏幕
巨大的中控屏幕是當(dāng)前純電動車的趨勢。2013年特斯拉Model S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(dá)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Model S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。碰撞時大屏幕如果與乘員頭部發(fā)生接觸，就可能造成嚴(yán)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，需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。如果真的實現(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)匹配思路就需要有顛覆性的改變。
6、碰撞安全性能開發(fā)思路的變化
6.1. 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；此外還需要考慮控制車體結(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。
6.2 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，如果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，如果我們設(shè)計同樣的前艙吸能空間，純電動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(hù)乘員，還要保護(hù)動力電池，所以碰撞時乘員艙的變形量要求嚴(yán)于燃油車，這就相當(dāng)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，對于純電動車和燃油車，可變形壁障都吸收的能量基本相等，但純電動車的初始動能大于燃油車。也就是說，對于純電動汽車，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，我們需要提升約束系統(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，但對于純電動汽車，它應(yīng)該成為最基本的配置。
6.3 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(rèn)為純電動汽車?yán)懋?dāng)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)人員如果提議在純電動汽車上增加主動安全和智能約束系統(tǒng)，比較容易得到車企的認(rèn)可。
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、《計算機輔助工程》期刊審稿人、交通運輸部項目評審專家。專業(yè)領(lǐng)域為整車疲勞耐久/NVH/碰撞安全性能開發(fā)與仿真計算，車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化，CAE分析流程自動化等。
