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淺談電動(dòng)汽車底部濫用防護(hù)技術(shù)

2019-11-02 23:06:47·  來(lái)源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
淺談電動(dòng)汽車底部濫用防護(hù)技術(shù)1 導(dǎo)語(yǔ)隨著電動(dòng)汽車的普及，人們對(duì)電動(dòng)汽車也越來(lái)越關(guān)注，尤其是對(duì)電動(dòng)汽車的安全問題。電動(dòng)汽車三電系統(tǒng)的特殊布置形式[1]，對(duì)電
淺談電動(dòng)汽車底部濫用防護(hù)技術(shù)
 
1 導(dǎo)語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車的普及，人們對(duì)電動(dòng)汽車也越來(lái)越關(guān)注，尤其是對(duì)電動(dòng)汽車的安全問題。電動(dòng)汽車三電系統(tǒng)的特殊布置形式[1]，對(duì)電動(dòng)汽車的安全防護(hù)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車的安全問題涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域，本文旨在淺析電動(dòng)汽車的底部濫用防護(hù)技術(shù)及安全設(shè)計(jì)。

底部濫用防護(hù)不是一個(gè)新名詞，在網(wǎng)購(gòu)平臺(tái)輸入“底盤裝甲”可以看到琳瑯滿目的商品，價(jià)格幾百至上千元不等。消費(fèi)者一擲千金，可見期望通過(guò)加裝上述裝置來(lái)提升車輛底部防護(hù)能力的需求是多么迫切。但道高一尺魔高一丈，道路千萬(wàn)條，總有一些路況是超乎大家想象的，比如下面這些。假如你駕駛著一輛電動(dòng)汽車，你又該如何應(yīng)對(duì)這些不期而遇的坡坡坎坎呢？

 
2 案例分析

車輛底部濫用不屬于常規(guī)工況，正如上述3種路況，遇到那都是“緣分”。但隨著電動(dòng)汽車保有量的與日俱增，因底部濫用發(fā)生起火事故的案例已呈上升態(tài)勢(shì)。
 
案例一：2013年10月1日，某公司一輛電動(dòng)車在西雅圖附近著火，汽車被道路上的一塊巨大金屬碎片重創(chuàng)，在動(dòng)力電池底板上撞開一個(gè)大洞，導(dǎo)致整車起火，所幸司機(jī)未受傷。
 
案例二：2019年4月20日，某公司一輛電動(dòng)車在網(wǎng)點(diǎn)維修，報(bào)修項(xiàng)目不涉及底盤，未上臺(tái)架進(jìn)行底盤檢測(cè)。21日維修完工，22日下午車輛開始出現(xiàn)火情。消防隊(duì)在接警后及時(shí)赴現(xiàn)場(chǎng)撲滅火情。事故沒有發(fā)生爆炸，也未造成人身傷亡和其它損失。通過(guò)調(diào)查得出初步結(jié)論：該車輛在送修前底盤曾經(jīng)遭受過(guò)嚴(yán)重撞擊，導(dǎo)致動(dòng)力電池包左后部外殼與冷卻板大面積變形。電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)在被擠壓的狀態(tài)下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后形成短路，最終引發(fā)火情。


淺談電動(dòng)汽車底部濫用防護(hù)技術(shù)
 
由此可見電動(dòng)汽車在遭遇嚴(yán)重的底部濫用工況后，存在熱失控起火的風(fēng)險(xiǎn)，或因?yàn)榈撞康膰?yán)重破壞瞬間起火，或因?yàn)閯?dòng)力電池?fù)p傷積累造成內(nèi)部短路后起火。
 
3 來(lái)自底部的安全挑戰(zhàn)

說(shuō)到這回頭再看開篇的幾種濫用路面，或許大家就會(huì)“三思而后行”。大家之所以談電色變，原因主要在于電火擴(kuò)展迅猛，且電動(dòng)車火災(zāi)目前缺乏有效的短時(shí)撲滅手段，因此每次電動(dòng)車起火勢(shì)必引起廣泛的輿論關(guān)注。底部濫用工況給電動(dòng)汽車帶來(lái)了巨大的安全挑戰(zhàn)，其根源要從電動(dòng)汽車的底部構(gòu)造和電動(dòng)汽車熱失控起火的原因解析。

一、電動(dòng)汽車底部構(gòu)造

現(xiàn)如今，越來(lái)越多的主機(jī)廠選擇將動(dòng)力電池包布置在車身地板下（圖6-7），其優(yōu)點(diǎn)在于降低車輛重心且不占乘員艙空間。但缺點(diǎn)也顯而易見，當(dāng)?shù)匕逑虏贾每臻g受限時(shí)，動(dòng)力電池包極易成為車輛的低點(diǎn)，極大增加了濫用路況下與路面發(fā)生“親密接觸”的概率。
基于實(shí)際道路交通事故，傳統(tǒng)燃油車歷經(jīng)百年，已建立了一套完善的正面/側(cè)面/追尾碰撞工況，其開發(fā)評(píng)價(jià)體系完善。近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車碰撞安全法規(guī)及規(guī)程的完善，上述工況也已逐步納入電動(dòng)汽車的開發(fā)測(cè)評(píng)體系。但針對(duì)底部濫用工況，由于其形態(tài)復(fù)雜，且缺乏道路交通事故數(shù)據(jù)積累，因此行業(yè)內(nèi)未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。從動(dòng)力電池包的結(jié)構(gòu)形式看（圖8），電動(dòng)汽車的底部?jī)H有電池包殼體及護(hù)板對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，其上端便是儲(chǔ)能核心元件 - 動(dòng)力電池模組及單體，相比于車體側(cè)面等完善的碰撞載荷路徑[2]，底部防護(hù)的木桶效應(yīng)顯現(xiàn)。
二、電動(dòng)汽車熱失控起火原因

電動(dòng)汽車熱失控起火的原因主要分為機(jī)械濫用（碰撞、底部穿刺）、電濫用（過(guò)充）、熱濫用及內(nèi)部短路四種[3]。底部濫用屬于機(jī)械濫用中的一種，在外力作用下，動(dòng)力電池模組/單體發(fā)生變形，導(dǎo)致電池隔膜被撕裂并發(fā)生內(nèi)短路，易燃電解質(zhì)泄漏最終引發(fā)起火。機(jī)械濫用中，穿刺危害最為嚴(yán)重，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池布置于地板下，更容易因電底盤的濫用引發(fā)前述的起火事故。
 
 
4 如何應(yīng)對(duì)

電動(dòng)汽車底部濫用防護(hù)難點(diǎn)多，但主機(jī)廠也并未“束手就擒”。筆者分析了幾款主流電動(dòng)汽車的底部設(shè)計(jì)，為提升底部濫用防護(hù)性能，各主廠家都做了針對(duì)性的防護(hù)設(shè)計(jì)。作為一名汽車碰撞安全工程師，筆者從碰撞安全設(shè)計(jì)的角度對(duì)當(dāng)前主流的解決方案做了一些總結(jié)，希望可以幫助大家了解一二。
 
對(duì)底部濫用進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)底部濫用防護(hù)工況的定義，由于該工況為非標(biāo)工況，因此工況定義多來(lái)源于事故案例、道路交通調(diào)研、科研文獻(xiàn)及工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。基于上述調(diào)研分析，底部濫用的常見工況可歸納為底部刮擦、托底及穿刺[4]3種（圖10-12）。其中底部刮擦對(duì)應(yīng)路面凸起障礙物對(duì)車輛電底盤的刮蹭，分為前向刮蹭和后向刮蹭；底部托底類似過(guò)圖1所示的減速包后對(duì)車輛電底盤的沖擊；底部穿刺則對(duì)應(yīng)路面飛濺異物高速撞擊電底盤的情況。
工況及目標(biāo)明確后，工程開發(fā)可有的放矢，進(jìn)行針對(duì)性的防護(hù)設(shè)計(jì)?？赏ㄟ^(guò)布置防護(hù)→結(jié)構(gòu)保護(hù)→斷電及報(bào)警提醒的“三步走”戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)。
 
①布置保護(hù)：盡可能將電池包布置于非整車最低點(diǎn)，或通過(guò)電池包框架、車身門檻等的合理布局使這些結(jié)構(gòu)承受托底載荷，保護(hù)電池核心元件，有效應(yīng)對(duì)底部刮擦及托底工況。
 
②結(jié)構(gòu)保護(hù)：優(yōu)化增加防護(hù)結(jié)構(gòu)，提升底部刮擦及穿刺防護(hù)能力。特斯拉在經(jīng)歷幾起起火事故后，對(duì)底部結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，Model X通過(guò)圖13前向防護(hù)結(jié)構(gòu)，可推掃路面常見的移動(dòng)或可變形障礙物，使其遠(yuǎn)離動(dòng)力電池底部核心敏感區(qū)域。通過(guò)圖14后向防護(hù)結(jié)構(gòu)，可對(duì)倒車等低速工況進(jìn)行誤作用預(yù)警。通過(guò)上述方案，特斯拉對(duì)外界展示了如圖15-17的底部防護(hù)效果，給人的直觀感受是電底盤不再“弱不禁風(fēng)”。
 
③斷電及報(bào)警提醒：正面/側(cè)面/追尾等高速碰撞，電動(dòng)汽車都會(huì)基于傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)高壓自動(dòng)斷電，以降低電安全事故發(fā)生概率。與此同時(shí)，《電動(dòng)汽車安全要求》法規(guī)征求意見稿明確提出需在動(dòng)力電池出現(xiàn)熱失控后通過(guò)明顯的信號(hào)（例如：聲或光信號(hào)）向駕駛員進(jìn)行提示，以實(shí)現(xiàn)即時(shí)疏散的目的。電動(dòng)汽車電火的擴(kuò)展速度迅猛，基于報(bào)警提醒功能獲得的應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，將在真實(shí)事故中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
 
通過(guò)以上防護(hù)，可有效提升電動(dòng)汽車的底部濫用防護(hù)性能。但如何從根本上解決電動(dòng)汽車底部濫用防護(hù)能力弱的問題，筆者認(rèn)為行業(yè)還有很長(zhǎng)的路要走，涉及三電系統(tǒng)硬件、BMS、防護(hù)材料、整車集成等領(lǐng)域的突破。
 
5 寫在最后

汽車行業(yè)電動(dòng)化是未來(lái)的趨勢(shì)，電動(dòng)汽車安全性能必將朝著不斷升級(jí)的方向發(fā)展。上汽乘用車安全團(tuán)隊(duì)在電動(dòng)車安全開發(fā)中始終秉承全方位防護(hù)的設(shè)計(jì)理念，將上述三位一體的防護(hù)策略貫穿研發(fā)始終，不斷探索，努力應(yīng)對(duì)來(lái)自車輛底‍部的安全挑戰(zhàn)，將電安全防護(hù)做到極致。

參考文獻(xiàn)
[1] 王芳,夏軍.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M].科學(xué)出版社.
[2] 水野幸治.汽車碰撞安全[M].北京:人民交通出版社.
[3] 馮旭寧.車用鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э卣T發(fā)與擴(kuò)展機(jī)理、建模與防控[D].清華大學(xué) 2016年.
[4] Yong Xia, Tomasz Wierzbicki.Damage of cells and battery packs due toground impact[J].Journal of Power Sources 267(2014)78-97.
 
 
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