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新能源車輛碰撞安全開發(fā)策略

2019-05-22 22:26:32·  來(lái)源：車輛碰撞安全  作者：木秀于林  
　
新能源車輛越來(lái)越成為市場(chǎng)主流，尤其是純電動(dòng)車，因此新能源車輛的碰撞安全也是現(xiàn)在車輛研發(fā)的重點(diǎn)。本文從總體上來(lái)講講新能源車輛的碰撞安全與傳統(tǒng)車輛的差異及
新能源車輛越來(lái)越成為市場(chǎng)主流，尤其是純電動(dòng)車，因此新能源車輛的碰撞安全也是現(xiàn)在車輛研發(fā)的重點(diǎn)。本文從總體上來(lái)講講新能源車輛的碰撞安全與傳統(tǒng)車輛的差異及碰撞安全策略。

1、車身結(jié)構(gòu)架構(gòu)

我們都知道傳統(tǒng)的燃油車輛，動(dòng)力系統(tǒng)，即動(dòng)力總成都是布置在前艙，在碰撞中，動(dòng)力總成被視作剛體，對(duì)碰撞安全沒有什么較大的不利因素，而新能源的純電動(dòng)車就不同，動(dòng)力電池包不能放在前艙，一方面，電池包重量較大，一般在400~800kg，另一方面電池包受到巨大撞擊會(huì)起火甚至爆炸，因此在碰撞中電池包盡量布置在不受到直接撞擊，變形不能太大的地方。

國(guó)外有團(tuán)隊(duì)通過(guò)8612輛事故車輛，通過(guò)測(cè)量車輛的變形情況，進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)，得出車身變形區(qū)域概率圖。

圖一 事故中車身變形概率分布

通過(guò)統(tǒng)計(jì)，在車輛乘員艙下部遭受的碰撞變形概率最小，因此在這個(gè)區(qū)域布置電池包是最安全的，所以現(xiàn)在新能源車輛的電池包基本按照這種原理來(lái)布置。

所以車身結(jié)構(gòu)的總體布局一般有兩種，一種是基于傳統(tǒng)的車型平臺(tái)開發(fā)新能源車輛，車身結(jié)構(gòu)方面，基本沿用傳統(tǒng)車型平臺(tái)的架構(gòu)，乘員艙底部進(jìn)行必要的改動(dòng)，便于布置電池包，一般是底板縱梁進(jìn)行避讓。

圖二 傳統(tǒng)車型平臺(tái)方案

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)可以大量沿用平臺(tái)零部件，缺點(diǎn)對(duì)碰撞安全不利，原有的碰撞安全載荷傳遞路徑被破壞了。

另一種就是以特斯拉為主的新能源車型的車身結(jié)構(gòu)方案，采用全鋁車身與高強(qiáng)度硼鋼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，保證乘員艙有足夠的強(qiáng)度，既保證了乘員的安全，也保證的電池包的安全。

圖三 特斯拉車身結(jié)構(gòu)方案

這種全新的結(jié)構(gòu)形式可以最大化電池包的布置，電池包橫向占比能達(dá)到75%以上，同時(shí)也可以平衡電池包帶來(lái)車身重量的增加。

總體來(lái)看，新能源整車布置最顯著的特點(diǎn)是前艙布置重量減小了不少，而乘員艙下部增加了較大的重量—電池包，這樣導(dǎo)致整車的重心后移，前碰中對(duì)前艙結(jié)構(gòu)和乘員艙結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。側(cè)面對(duì)門檻結(jié)構(gòu)也有更高的要求。

2、整車脈沖

無(wú)論采用哪種車身架構(gòu)方案，新能源車的整車重量會(huì)有較大的增加，但新能源的重量增加并不會(huì)導(dǎo)致加速度的提高，通過(guò)實(shí)車進(jìn)行碰撞試驗(yàn)證實(shí)，同平臺(tái)的新能源車輛，整車脈沖會(huì)較低，通過(guò)對(duì)市面上以及在研的新能源車輛調(diào)查，整車脈沖都相對(duì)較低，峰值一般能低于40g，有的可以低于30g。這是為什么呢。

大家知道，車身加速度主要靠車身主要結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，比如，縱梁、Kickdown、門檻等。根據(jù)牛頓定律

F = m*a

F可以看著結(jié)構(gòu)的截面力合力

m可以看著整車質(zhì)量

a為整車加速度

對(duì)于特定的車身結(jié)構(gòu)，截面力基本不變，但由于是新能源車輛，因此整車重量m增加了不少，通過(guò)牛頓公式，整車加速度a將會(huì)降低。

因此一般來(lái)說(shuō)，在前碰工況中，新能源的整車脈沖相對(duì)較低。

3、碰撞侵入量

前碰中，新能源車輛整車脈沖對(duì)乘員傷害相對(duì)較低，而乘員艙侵入可能加大對(duì)乘員傷害。對(duì)于傳統(tǒng)燃油車輛，動(dòng)力總成布置在乘員艙之前，而新能源重心后移，電池包布置在乘員艙下面，附在乘員艙上，與乘員艙形成一體。

可以舉個(gè)形象的例子，一個(gè)人抱著一個(gè)質(zhì)量塊撞向一堵墻，與他背著同樣質(zhì)量塊同樣速度撞向一堵墻，哪種情況下人受到傷害大呢？很明顯是后者。乘員艙就像上面例子中的人一樣，當(dāng)前艙重量后移至乘員艙時(shí)，碰撞中，巨大的乘員艙慣性力施加在前面的結(jié)構(gòu)上，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨頭變形和對(duì)乘員艙的侵入。

所以新能源車輛在碰撞中關(guān)鍵是保持乘員艙的結(jié)構(gòu)完整性。從NHTSA官方的碰撞照片和視頻看，無(wú)論是特斯拉還是Leaf，在碰撞后，乘員艙都能保持很好的完整性。

4、電池包防護(hù)

對(duì)于新能源車輛碰撞安全另一個(gè)最重要的因素是電池包的防護(hù)。特斯拉的Model S曾經(jīng)因?yàn)榕鲎财鸹?，市值蒸發(fā)23億美元。電池包的安全越來(lái)越引起重視。

在NCAP碰撞工況中，電池包會(huì)被撞擊，發(fā)生變形，例如側(cè)面柱碰，還有電池包承受巨大加速度沖擊，例如前碰，有時(shí)加速度達(dá)到60g以上，外部看電池包沒有損壞，但內(nèi)部有時(shí)會(huì)遭受損壞，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)起火爆炸。

為了應(yīng)對(duì)NCAP工況，要加強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)，對(duì)于前碰，重點(diǎn)加強(qiáng)縱梁后段，Kickdown，防火墻的強(qiáng)度，疏導(dǎo)碰撞載荷的傳遞，確保碰撞中前底板不變形或只有輕微變形。

對(duì)于側(cè)碰，增加門檻的強(qiáng)度，盡量布置底板縱梁，加強(qiáng)門檻梁到底板縱梁間的橫向載荷傳遞。例如BMW i3的門檻蜂窩吸能結(jié)構(gòu)。

圖四 BMW i3門檻蜂窩吸能結(jié)構(gòu)

而在實(shí)際使用中，電池包起火很多原因是電池包遭受碎石或突出物沖擊。特斯拉在遭受著火事件后，除了增加底盤的防火同時(shí)，也在電池包前面增加防護(hù)橫梁，用于碾壓路面碎石或突出物，在實(shí)際使用中獲得很好的效果。

圖五 特斯拉電池包防護(hù)橫梁

5、碰撞安全策略

綜上所述，新能源車基于其結(jié)構(gòu)的特殊性，碰撞安全策略重點(diǎn)在以下兩個(gè)方面：

一方面，要加強(qiáng)乘員艙的防護(hù)，試想一下，如果一個(gè)人穿了堅(jiān)硬的鎧甲，無(wú)論他抱著質(zhì)量塊還是背著質(zhì)量塊撞向一堵墻，對(duì)人的傷害基本是一樣的，所以新能源車輛只要做好乘員艙的防護(hù)，加強(qiáng)和優(yōu)化乘員艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在整車脈沖一般較低的情況下一般會(huì)獲得較好的乘員保護(hù)性能。

另一方面，重點(diǎn)加強(qiáng)電池包的防護(hù)，既要考慮NCAP工況，也要考慮實(shí)際使用工況，可以參考特斯拉的縱向和橫向電池包防護(hù)技術(shù)。
 
  掃描以下二維碼，從這里學(xué)碰撞安全、乘員保護(hù)、約束系統(tǒng)、試驗(yàn)分析 

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