概述

純電動汽車為保證續(xù)航里程，搭載了大容量鋰離子電池，電池重達(dá)數(shù)百公斤，因此整車質(zhì)量較傳統(tǒng)燃油車有較大增加，比同級別傳統(tǒng)車增重20%以上。這也就意味著正面碰撞（包括正面100%重疊剛性壁障碰撞和正面40%重疊可變形壁障碰撞）時的整車動能增加20%以上。

動力電池受到強(qiáng)烈撞擊后易發(fā)生滲漏，甚至起火、爆燃，所以碰撞時需要保證對電池充分防護(hù)。但因電池體積較大，導(dǎo)致保護(hù)難度增加。

對于電動汽車而言，偏置碰是得分難點。所以設(shè)計正碰結(jié)構(gòu)耐撞性時，偏置碰工況最值得關(guān)注。電動汽車在偏置碰工況下將發(fā)生較大的車身變形，可能導(dǎo)致較大的駕駛員傷害值。車體耐撞性開發(fā)的重點應(yīng)該是在布置和結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化，以控制偏置碰時的前壁板侵入和乘員艙變形。

電動汽車前艙吸能空間

電動汽車動力總成為驅(qū)動電機(jī)和減速器，其體積小于傳統(tǒng)燃油車動力總成。但是高壓配電盒、逆變器、DC-DC和充電器等部件也都布置在前艙內(nèi)，幾乎占滿了前艙。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，在碰撞中相當(dāng)于剛性體，占據(jù)了碰撞吸能空間。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。

為在地板下面布置更大的動力電池，現(xiàn)在電動汽車的發(fā)展趨勢是在整車長度一定時，盡量增加軸距和縮短前后懸。前懸縮短將導(dǎo)致前艙碰撞吸能空間進(jìn)一步惡化。

要改善前艙吸能空間，需要實現(xiàn)前艙內(nèi)零部件的高度集成。例如特斯拉Model S 將電機(jī)和逆變器集成在一起，如圖1所示，這種集成方式節(jié)省了大量前艙內(nèi)空間，所以Model S在保證碰撞吸能空間的同時，前艙內(nèi)還能再布置一個行李箱。

圖1 特斯拉Model S集成逆變器的動力總成

動力總成懸置系統(tǒng)對于前艙變形吸能空間也有明顯影響，應(yīng)盡量避免將懸置支架布置在動力總成的前方和后方，懸置支架結(jié)構(gòu)尺寸也要盡量小。圖2展示了特斯拉model S的懸置布置方案，采用左前+右前+左后布置方式，而且懸置支架結(jié)構(gòu)本身也比較緊湊，減少了對吸能空間的侵占。

圖2 特斯拉model S的動力總成懸置

電動車正面碰撞傳力路徑
對于傳統(tǒng)燃油車，正面碰撞時的傳力路徑是前端吸能盒—前縱梁—地板縱梁/中通道/門檻梁。如圖3所示。來自前縱梁的碰撞力一部分傳遞到地板縱梁，另外一部分向左右兩側(cè)分散到門檻梁和中通道。

圖3 傳統(tǒng)車正碰傳力路徑

對于電動車，因為要在地板底下布置動力電池，需要為電池讓出布置空間，所以我們期望傳力路徑是前端吸能盒—前縱梁—門檻梁，如圖4所示。但這種傳力路徑真正實現(xiàn)起來難度很大，主要原因是前縱梁和門檻梁在Z向和Y向都有很大的間距。

圖4 我們期望的電動車正碰傳力路徑

如果電動車沿用傳統(tǒng)車的車身前部架構(gòu)，則前縱梁下表面和門檻梁下表面之間的Z向距離>200mm，縱梁外側(cè)面和門檻梁外側(cè)面的Y向距離>350mm，如圖5所示。這就產(chǎn)生了兩個后果，第一個是前縱梁跟門檻梁之間沒有任何的重疊量，前縱梁與門檻量連接剛度很低，正碰時無法有效阻擋前縱梁后退；第二個是過大的間距產(chǎn)生了長的力臂，正碰時的縱梁截面力使前縱梁根部承受過大的彎矩。所以正碰時前縱梁尚未來得及充分潰縮吸能，其根部就會發(fā)生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。


圖5 前縱梁和門檻量的Z向和Y向間距

電動車正碰結(jié)構(gòu)概念設(shè)計
基于以上分析，電動車正碰結(jié)構(gòu)設(shè)計，至少應(yīng)該在一個方向上解決前縱梁和門檻梁間距過大問題。這樣就出現(xiàn)了兩種概念方案，分別著眼于Y向間距和Z向間距。

第一種方案以減少Y向間距為目的，如圖6所示，沿用傳統(tǒng)汽油車傳力路徑，保留地板縱梁，這種方案我們稱之為地板縱梁方案。為布置電池包，地板縱梁向外側(cè)移動，前縱梁根部向外彎以連接到地板縱梁。為保證碰撞力合理傳遞，前縱梁跟地板縱梁的Y向間距須控制在180mm以內(nèi)，縱梁彎折角盡量控制在21度以內(nèi)。

圖6 地板縱梁方案

地板縱梁方案的優(yōu)點是在傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上實現(xiàn)比較容易，大部分車身結(jié)構(gòu)可以借用，只需做少量的更改和加強(qiáng)。所以國內(nèi)油改電車型基本上都采用這種方案，國外像雪佛蘭Bolt和日產(chǎn)Leaf等傳統(tǒng)車企開發(fā)的電動車型也都采用此方案。

地板縱梁方案最大的缺點是地板縱梁的存在導(dǎo)致動力電池寬度受限，電池寬度只能達(dá)到車身寬度的60%左右，必然影響整車?yán)m(xù)駛里程。

第二種方案以減少Z向間距為目標(biāo)，前縱梁盡量向下加大截面高度，這種方案我們稱為前縱梁加深方案。前縱梁橫截面Z向尺寸相比傳統(tǒng)車增加50-80mm，前縱梁下表面與門檻梁下表面的Z向間距減少到170mm以內(nèi)。

截面高度向下加大后，前縱梁的吸能能力將有明顯提升；前縱梁截面力合力點也同時下移，從而縮短了前縱梁根部力矩的力臂；而且前縱梁和門檻梁在Z向?qū)a(chǎn)生一定重疊量。
因為前縱梁和門檻梁只是在Z向有重疊，在Y向仍舊沒有重疊，所以前壁板和地板搭接處需要布置一個剛硬的橫梁，使前縱梁和門檻梁之間實現(xiàn)足夠大的連接剛度，正碰時的碰撞力就能夠從前縱梁有效的傳遞到兩側(cè)門檻梁。為承擔(dān)碰撞力，門檻梁必須設(shè)計的非常粗壯。

前縱梁加深方案最大的好處是無需地板縱梁，電池可以充分利用左右門檻梁之間的空間，所以電池的寬度可以達(dá)到車身寬度的75%以上，這對于提升整車?yán)m(xù)駛里程極為有利。

一些新興電動車企業(yè)的產(chǎn)品，例如特斯拉model X和蔚來ES8，都是采用前縱梁加深方案，如圖7所示。這種方案導(dǎo)致的一個問題是加深后的前縱梁與驅(qū)動半軸干涉，需要在前縱梁上開孔或者開豁口來避讓半軸的運(yùn)動包絡(luò)?？v梁開孔后容易發(fā)生局部應(yīng)力集中，必須在開孔周圍補(bǔ)強(qiáng)處理。


圖7 蔚來ES8和特斯拉model X的前縱梁

幾點注意事項
對于傳統(tǒng)燃油車，我們通常將前縱梁截面的高寬比控制在1.6以內(nèi)，高寬比太大則Y向容易失穩(wěn)，導(dǎo)致前縱梁在正碰時彎折變形而不是順序均勻潰縮，從而降低吸能能力。但這個高寬比限值僅適用于鋼板沖壓成型的縱梁，并不適用于鋁材擠壓成型的縱梁。

擠壓鋁前縱梁的壁厚可以根據(jù)需要自由設(shè)計，而且截面內(nèi)部可以設(shè)計多條加強(qiáng)筋，即使采用很大的高寬比，也有辦法保證Y向的穩(wěn)定性。例如特斯拉Model X的前縱梁截面，如圖8所示，其高寬比已經(jīng)超過3.0，但它通過合理設(shè)計內(nèi)部加強(qiáng)筋，保證了正碰時的穩(wěn)定性，無論是100%正碰還是40%偏置碰，都能實現(xiàn)良好的潰縮。

圖8 特斯拉model X的前縱梁橫截面

無論是地板縱梁方案還是前縱梁加深方案，前縱梁根部都是設(shè)計成向外彎曲，區(qū)別只是前者連接到地板縱梁，后者連接到門檻梁。所以前縱梁根部是薄弱環(huán)節(jié)，需要做多重補(bǔ)強(qiáng)。為保證正碰時的前縱梁能夠穩(wěn)定潰縮變形，縱梁根部內(nèi)側(cè)應(yīng)增加斜向支撐，如圖9所示。斜向支撐件的根部必須穩(wěn)固支撐到前壁板底部的橫梁上。

圖9 縱梁根部的斜向支撐件

除上述傳力路徑外，副車架-前縱梁根部-門檻梁為第二條正碰傳力路徑。如果副車架向前延伸出300mm左右的可潰縮小縱梁，如圖10，發(fā)生正面碰撞后，延伸梁能夠分擔(dān)一部分截面力，跟前縱梁一起潰縮，使碰撞初期的整車加速度有所提升，因此同樣的變形距離下能夠吸收更多的能量。

圖10 副車架前延伸梁

需要注意的是，第二傳力路徑吸收的能量有限，通常不超過總動能的10%，所以只能作為第一傳力路徑的輔助。

如果副車架跟車身是采用軟連接，則在正碰時，副車架跟車身之間可能發(fā)生較大的相對運(yùn)動，導(dǎo)致副車架延伸梁無法穩(wěn)定潰縮。所以采用延伸梁吸能方案時，副車架跟車身之間只能采用硬連接，這對整車NVH性能將有一定影響。

副車架與車身之間的連接螺栓要有足夠高的強(qiáng)度，保證在延伸梁完全潰縮之前連接螺栓不發(fā)生破壞。

另外，前縱梁前端吸能盒和副車架延伸梁的變形次序必須嚴(yán)格控制，副車架延伸梁的變形應(yīng)滯后于吸能盒。這樣在低速碰撞時僅有吸能盒變形，副車架延伸梁不發(fā)生變形，從而保證了低速碰時車輛的可維修性。

小結(jié)
通常情況下，電動汽車的前艙吸能空間并不優(yōu)于傳統(tǒng)燃油車。為改善前艙吸能空間，電動汽車前艙內(nèi)的零部件應(yīng)進(jìn)行集成，動力總成懸置應(yīng)緊湊布置。

純電動車正碰車體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，可選擇地板縱梁方案或者前縱梁加深方案，后者能夠給動力電池提供更大的空間，所以應(yīng)該是未來的趨勢。

無論是地板縱梁方案還是前縱梁加深方案，前縱梁根部都是最值得關(guān)注的部位，應(yīng)進(jìn)行多重強(qiáng)化設(shè)計，并增加斜向支撐和前壁板底部橫梁。

如果在第二傳力路徑前端增加延伸梁，在正碰時能夠潰縮吸能，從而改善整體耐撞性，但第二傳力路徑吸收的動能極為有限，只能作為第一傳力路徑的輔助。

特別致謝

本文所用的大部分圖片來自盧元甲的大作《純電動汽車平臺與架構(gòu)》。

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(jī)輔助工程》期刊審稿人、交通運(yùn)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。 

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