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纯电动汽车碰撞安全性能开发（一）：纯电动车与燃油车的差异
纯电动汽车碰撞安全性能开发（二）：总布置设计要点
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概述
在纯电动汽车的碰撞事故中，动力电池受到撞击和挤压引起变形，电池芯体有可能发生热失控起火；电池包内部其它部件在碰撞中也可能会受到挤压和冲击，有发生短路甚至起火爆炸
的危险；电池包内部高压线缆和高压器件在碰撞时容易被刮破或者扯断，有可能短路起火，也有可能造成电击伤害。
为提升续驶里程，当前的纯电动车大都将动力电池布置在地板下方，电池面积很大，几乎覆盖整个地板，其周边到车身边缘的距离通常不会很大，在碰撞或托底时容易被挤压；近年来电池单体的能量密度突飞猛进，高能量密度伴随着电芯稳定性的降低，在机械载荷下发生热失控的风险加大。因为补贴政策有动力电池系统能量密度的要求，为提升整包能量密度，国内的纯电动汽车倾向于将电池包壳体结构做的尽量轻巧，导致对内部模组和高压器件的防护不足。
最近几年发生过多起电动车起火事故，相当大一部分是碰撞导致的动力电池包起火，其中特斯拉就已经发生了数十起电池包起火事故，如图1。动力电池的碰撞安全防护已经成为亟待解决的问题。
图1 特斯拉Model S 撞树后起火
对于布置在地板下的动力电池，其四周或多或少都会受到车身和底盘结构的保护，唯独底面缺少防护，所以电池底部是最薄弱的环节。我们在设计电池包碰撞安全防护策略时，不仅要考虑传统车的正碰、偏置碰、侧碰、追尾等工况，还应考虑整车托底工况。关于托底工况下的电池包防护，后续将专文介绍。
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动力电池防护策略
碰撞时的加速度理论上会造成电池芯体冲击过载，在电池芯体不发生明显变形的情况下也有热失控的可能。但实际上绝大多数动力电池碰撞起火事故都不是由碰撞加速度峰值导致，而是因为碰撞导致电池包结构变形，使内部电芯或者高压器件受到挤压或穿刺，造成短路和破裂，最后引起着火。
所以动力电池碰撞防护的关键在于控制碰撞时电池包壳体结构的变形，尽量避免内部元件受到撞击和挤压，另外电池芯体和高压元器件自身也应具备一定的耐挤压耐穿刺能力。近年来有一些研究者在研究一些缓冲结构，在碰撞时能够吸收部分撞击能量，以缓和电池包所受的加速度冲击。这样做对于电池包的耐久性或许有积极作用，但对于电池包碰撞防护的意义并不大。
对于动力电池包的碰撞安全防护，我们应该从三个层级来考虑。
第一个层级是整车结构防护。要求车体结构本身对电池包形成良好的防护。能够保证在一
般的碰撞工况和刮底工况下，碰撞载荷几乎全部由整车结构承担。电池包壳体结构无可见变形，内部无任何损伤，功能正常，可以继续使用。
第二个层级是电池包壳体结构防护。电池包的壳体和支架要形成完整的框架结构能力，侧边和底部都要具有一定的承载能力。在高速碰撞和恶劣的托底工况下，车体结构无法承担全部碰撞载荷，一部分载荷需要由电池包壳体承担。此时电池包壳体允许发生一定量永久变形，但变形量必须控制在安全范围，保证内部电池芯体不受到挤压，高压线缆和元器件不发生断裂和短路。
第三个层级是电池单体和其他内部高压器件本身的结构性能。它们应该具有一定的抗挤压、冲击和穿刺能力。某些极端恶劣的工况下，即使车体结构和电池包壳体无法提供充分防护，电池单体和高压元件在承受一定程度的机械载荷后也不应发生起火和爆炸。
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整车结构对动力电池的防护
纯电动汽车应利用动力电池周边的结构和空间来实施防护。整车对电池包的结构防护要考
虑多个碰撞工况，如图2所示。新gl8
图2 动力电池碰撞防护考察工况
这些碰撞工况，我们均采用统一的评价标准，即：一汽大众全新捷达
∙动力电池包框架不出现较大变形，保证整个碰撞过程中内部模组不受到撞击和挤压。
∙碰撞过程中和碰撞后电池内外部接插件连接不失效，高压器件不发生短路。
宝马x5最低报价∙碰撞过程中动力电池包与车身的连接不失效，连接螺栓不断裂，碰撞后电池与车身不脱离。
有人建议将电池框架结构作为重要传力路径，在发生碰撞时为车身分担部分碰撞载荷。我本人坚决反对这种思路。我的观点是，电池框架应该有一定的刚强度而且还应加强与车身
的连接，这样可以有效保护动力电池，也能提升车身整体刚强度；但同时我们应尽量减少碰撞工况下电池包框架承受的载荷，应该通过结构和空间的优化设计使绝大部分碰撞载荷由整车结构承担，以保证动力电池安全。
3.1 C-NCAP整车碰撞工况
C-NCAP规定的三个整车碰撞工况（正面100%重叠刚性壁障碰撞、正面40%重叠可变形壁障碰撞、侧面碰撞）下，电池包壳体结构变形必须控制在很小的范围，不能挤压到电池单体。
为保护车内乘员，车身乘员舱框架一般都比较刚硬，正撞和偏置碰时乘员舱变形不大，能够有效保护地板下的动力电池。只要做好前舱内部件的布置，并且控制好前舱的溃缩模式，保证碰撞时动力电池包前端不被撞击，基本就能通过正碰和偏置碰考察。侧碰工况下，只要门槛梁的结构不明显弱于传统燃油车，门槛梁的侵入量不会很大，动力电池的侧边不会产生明显的变形，所以通过侧碰工况考察的难度也不大。
昌河海象3.2 国标后碰和美标高速追尾工况
虽然目前国标50公里后碰测试（GB20072-2006）只对燃油车有要求，尚未要求电动车实施。但是为保证电池包的安全，我们仍然需要用国标后碰工况考察。国标后碰工况较易通过，只要电池包后缘与后悬架部件之间留有40mm以上缓冲空间，电池包通常就不会受到挤压。
另外建议增加图3所示的美标80公里追尾考察工况（FMVSS301）。美标追尾工况通过的难度要大得多，需要对车身后部结构进行优化设计，保证完整的后碰传力途径。后纵梁前端与门槛梁后端应良好搭接，保证后碰载荷能够传递到门槛梁；门槛梁截面要足够强壮，后碰时不能溃缩变形。
图3 美标80公里追尾
3.3 Euro-Ncap侧柱碰工况
思域五周年纪念版海马 欢动当车辆出现不可控的旋转时，车辆侧面可能与树木或电线杆等柱状物碰撞，对于乘员和动力电池都极其危险，图4所示的32公里侧柱碰工况（GB/T37337-2019）模拟的就是这种场景。
图4 32公里侧柱碰工况
侧柱碰工况是动力电池碰撞防护的难点。侧柱碰的碰撞接触面积小，虽然 时速不高，但单位面积内碰撞载荷更大，碰撞力不易往两侧分散，对车辆产生类似切割的效果，将造成非常大的门槛梁侵入。
为在侧柱碰工况下保护电池包，门槛梁应有足够的截面宽度。对于保留地板纵梁的车型，门槛梁宽度应大于140mm，地板纵梁宽度应大于60mm。地板纵梁和门槛梁之间建议再保留一定缓冲空间。
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