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纯电动汽车碰撞安全性能开发(二):总布置设计要点

作者:王朋波 来源:模态空间 发布时间:2019-05-31 浏览:
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1、概述

传统燃油车的碰撞安全,主要是关注乘员的伤害值。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,总布置设计不仅要关注乘员保护,还要考虑动力电池在碰撞时的安全防护。

纯电动汽车的前舱应采用双层布置方案,电气支架和悬置支架等紧凑设计,尽量腾出吸能空间,还要将高压元件布置在非溃缩吸能区域。

动力电池的布置要保证在电池包的前后端和左右两侧都留有充足的防护空间和足够刚强的车体结构,电池的尺寸应严格控制,不能过宽过长。

2、前舱吸能空间要求

因为各种原因,纯电动车前舱吸能空间很难明显优于燃油车,但至少要保证与同等级燃油车处于同一水平;考虑到偏置碰工况,机舱左侧应留出更大的碰撞空间。

如图1所示,动力总成最前端到纵梁前端最外点的X向距离定义为L1;沿X轴正方向,移动冷却风扇电机,直到与动力总成等刚体件接触,此刻在X轴方向上,冷却风扇电机前端表面到动力总成刚体件最前端的X向距离定义为L2; 沿X轴方向,动力总成或压缩机等刚体件最后端与转向器前端X向距离定义为L3, 转向器后端到前壁板的距离定义为L4。

图1 前舱内碰撞吸能空间

前段溃缩距离D1和后段溃缩距离D2的定义如下式:

D1=L1-L2

D2=L3+L4

不同等级车型的吸能空间要求如下表1。

3、前舱布置

为腾出碰撞吸能空间,电动车前机舱应采用双层布置,如图2。上层布置维修更换频率高的部件,如电机控制器、整车控制器、DC/DC、高压电器盒、充电机等部件;下层布置电机减速器总成和不经常维修的部件,如电动制动真空泵、真空罐、电动空调压缩机、水泵等。上层的部件布置在图3所示的机舱电器支架上,机舱电器支架应尽量设计紧凑,而且应避免布置运转部件。机舱电器支架只布置静止部件,对模态和动刚度的要求就低,就不需要设计的太过强壮,有利于前舱溃缩吸能。

图2 前机舱双层布置方案

图3 机舱电器支架

制动主缸是安装在左侧前壁板上的凸出刚性部件,在碰撞过程中如果受到其它零部件的直接撞击,将导致前围板侵入量大幅增加。现在很多中高档电动车用集成能量回收功能的电制动器(ebooster/ibooster)代替了传统的制动主缸,其外形更尖锐,结构更加刚硬,受撞击的后果更为严重。因此我们必须为制动主缸/电制动器预留出充足空间:制动主缸/电制动器的最前端中心前移80m,以此点为顶点,半径为180mm的半圆锥面内不布置其它零部件,如图4。

图4 制动主缸/电制动器前方的空间要求

电动车对悬置系统抗扭性能要求更高,所以悬置布置倾向采用质心布置方案,悬置支架占用的X向空间偏大,在设计时要格外注意,尽量将悬置支架设计的紧凑。图5展示了一款电动车的前动力总成悬置支架,支架长,前后跨度大,整个悬置系统的抗扭限位能力优秀,但这种设计浪费了大量的吸能空间,对碰撞安全不利。

图5 某电动车的动力总成悬置支架

转向机的布置也需要格外注意。大众的MEB平台、特斯拉Model 3和一些新兴造车势力把转向机布置到动力总成的前面,这种做法可以为动力电池让出更多的布置空间,但是对碰撞安全是不利的。正面碰撞时机舱前部溃缩,会带动转向机向后移动,可能导致方向盘后移,加大对驾驶员的伤害。另外,前置转向器和转向拉杆占据了动力总成前悬置支架的布置空间,悬置支架很可能需要向前延伸跨过转向机,会占用了一部分前舱吸能空间,如图6。

图6 悬置支架向前跨过转向机

4、动力电池布置

动力电池是电动汽车上最核心的部件, 为保证电动汽车的续驶里程,动力电池通常重量在300Kg以上,体积庞大,对总布置提出了苛刻的要求:需要250 L以上的规整空间;需要具有能够承载电池重量的车身安装位置;电池周边需要有充分的结构和空间防护。

动力电池的可以布置在行李舱、前舱、门槛、中通道和地板下方(包括前后座椅下方和脚踏下方),这几种方案的对比如下:

动力电池布置在中通道位置对电池高度的限制最小,而且左右两侧的车体结构能够很好的保护电池,对于碰撞安全非常有利。但中通道位置空间不大,只适合混动车型,纯电动车型基本无法采用这种布置。而且还需要车辆比较宽,中大级以上的车型才能在中通道位置布置下动力电池。

动力电池布置在行李舱位置,不仅影响储物空间,在碰撞时还非常危险。正面碰撞时几十G的加速度,安装点的车身钣金可能无法承担,钣金撕裂后电池将撞到后排乘员。后面碰撞时行李舱位置的电池极易受到挤压,容易起火爆炸。此外行李舱内放置的尖锐物体,例如雨伞等,在碰撞工况下可能刺穿电池包,导致严重后果。

将动力电池布置在前舱位置,要求车辆有非常长的前舱,且在正面碰撞时安全性极差。将动力电池布置在左右门槛上,在侧碰时电池极不安全,还严重影响进出便利性。所以前舱和门槛布置方案基本没有应用价值,仅有少量特别小众的跑车使用。

将动力电池布置在地板下方,能够获得较充分的电池空间,可以布置大型电池;电池两侧和前后受到车身和底盘结构的保护,能够实现良好的安全性能。所以绝大部分纯电动车型都是选择了这种布置方式。

如果采用地板下方布置方案,应考虑正面、侧面和后面碰撞工况下的电池防护,严格控制动力电池的尺寸。电池包不宜过宽过长,应尽量远离车身边缘,四周留出防护空间,如图7。

图7 动力电池周边的防护空间

电池包布置建议如下:

动力电池包本体(去掉法兰边)外侧边缘距离门槛梁外边缘的空间在170mm以上,最好达到200mm。

动力电池包前端至防火墙最前端的距离在100mm以上。

动力电池包后缘位于后扭力梁或者后摆臂之前,推荐距离为90mm。

5、特斯拉的动力电池布置风险

特斯拉系列车型使用了平板型动力电池,将单层电芯模组平铺到地板下方,能够最大限度的获得可用面积,从而实现了高续航里程。这种地板下平板电池方案具有突出的优点(见拙作《纯电动汽车架构设计(二)-电池布局与造型变化》),目前国际上发布的几大电动车电动车专用架构都采用了这种方案,国内互联网造车势力更是在极力模仿特斯拉的动力电池布置。

但是,特斯拉Model S和Model X过于激进的应用了此方案,动力电池的尺寸过大,防护空间不足,碰撞安全方面存在很大风险。

首先是动力电池包过于向前延伸,电池包前端突出部分已经完全在前壁板之前,,如图8。

图8 特斯拉ModelX的动力电池包

这种向前延伸的动力电池前端不受车身结构任何防护,对于后驱车型,前舱没有动力总成,比较空旷,电池包的安全性尚可。但对于前驱或者四驱车型,在正面碰撞时,如果纵梁后段溃缩变形,电池包前端很容易被撞击。所以特斯拉将纵梁后段做成了一个非常强壮的铸件,如图9,保证在正面碰撞工况下不发生变形。这种方案经过优化后能够通过IIHS、NHTSA的测试,但在某些实际工况下电池包仍然有受到撞击和挤压的可能,特斯拉近几年频繁发生起火事件与这种电池设计方案或许有一定关联。特斯拉在Model 3电池包上已经取消了这种前端突出的设计,预计安全性将大幅提高。

图9 特斯拉ModelX的纵梁后段铸件

其次是电池宽度也过大。电池包本体外侧与门槛梁外侧的距离不到140mm,门槛梁采用了挤压铝型材,横截面内有多条筋来增强。这种设计可以保证50公里侧面台车碰撞时动力电池包不被挤压变形,但对于32公里侧面柱碰则是力有未逮。

根据NHTSA公开的Model S柱碰测试报告,刚性柱的最大侵入量达到200mm,这意味着电池边框发生比较大的变形。图10的柱碰试验照片也显示碰撞后电池包边框有永久变形,电池包上壳有明显的褶皱,电池模组应该在碰撞过程中受到过挤压。

图10 侧柱碰后Model S的动力电池包

Model S在侧面柱碰测试后并没有发生电池起火现象,可能是因为它的圆柱形电芯排列有一定间隙,所以更耐挤压,也可能因为所采用的正负极材料更稳定,或者只是因为运气特别好。但是对于国内的三元锂电芯,无论是方形电芯、圆柱形电芯还是软包电芯,较高速度碰撞时只要芯体受到挤压就有非常大的起火概率。即使碰撞当时未起火,受过挤压的电池包在继续使用一段时间后仍有起火的可能。4月22西安发身的蔚来ES8自燃事故,其原因就是数日前该车动力电池包曾受到过撞击,电池包发生了永久变形,电池内部结构在被挤压的状态下经过一段时间后形成短路,最终引发火情。所以为保证动力电池的安全,应该保证侧柱碰工况下电池内部模组不受挤压,这就需要将门槛梁加宽到160mm以上,并在在电池侧边框两侧保留一定的缓冲区。

特斯拉之所以采用如此大面积的动力电池,是因为所采用的18650和2170芯体高度只有65mm和70mm,这么低的芯体高度,要想保证足够的续航里程,只能尽量增加电池包的宽度和长度。而国内采用的方形或者软包电芯,高度大概在90-100mm,所以平板电池整包的长度和宽度可以比特斯拉少10%-20%,实现本文上一章所建议的周边布置空间是完全可能的。

6、零部件集成化设计

纯电动车零部件可以进行一定程度集成,一方面节约布置空间,提高整车模块化,另一方面可以起到减重降本的作用,合理的集成化设计也有助于提升碰撞安全性能。

现在电机、减速器和逆变器三合一设计已经成为主流。图11展示的三合一总成,减速器在中间,电机和逆变器在两侧的设计,布局紧凑,X向占用空间少,对碰撞安全性能有利。图12所示的另一种三合一动力总成,结构也很紧凑,但在X方向占用了较多的空间,反而不利于碰撞吸能。

图11 减速器在中间的三和一动力总成

图12 另一种三合一动力总成

将高压电器件与动力电池集成是很好的思路。特斯拉model 3将一些高压器件从前舱移出,集成到电池包后部上方,如图13所示,这种集成化设计充分利用了后排座椅下部空间,腾出了前舱吸能空间。高压器件放置在此位置,碰撞时有车身结构保护,刮底时有电池包壳体保护,安全性明显提升。

图13 特斯拉Model3将部分高压器件集成到电池包后部

充电机、DcDc和高压配电盒集成也是当前的趋势。这些高压部件的集成化设计,不仅减少了体积和重量,而且大幅减少了高压线束、接插件和管路的使用量。碰撞时高压线束的破损和断裂、接插件的连接失效都有可能造成起火或者电击伤害,所以管线和接插件的减少会有效降低安全风险。

7、小结

1.前舱吸能空间至少应保持在与同等级燃油车相当的水平。

2.前舱应采用双层布置;制动主缸前面应预留出充足的碰撞空间;动力总成悬置支架应紧凑设计;应尽量避免转向机在动力总成前面的布置方案。

3.建议将动力电池布置在地板下方,控制其长度和宽度,四周留出防护空间。

4.合理的零部件集成化设计,能够提升吸能空间,也能够提升电安全性能。

5.不要轻易模仿特斯拉Model S/Model X的动力电池布置。

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。

关键字:新能源汽车

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