纯电动汽车正面碰撞概念设计

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1 概述
    纯电动汽车为保证续航里程，搭载了大容量锂离子电池，电池重达数百公斤，因此整车质量较传统燃油车有较大增加，比同级别传统车增重20%以上。这也就意味着正面碰撞（包括正面100%重叠刚性壁障碰撞和正面40%重叠可变形壁障碰撞）时的整车动能增加20%以上。


     动力电池受到强烈撞击后易发生渗漏，甚至起火、爆燃，所以碰撞时需要保证对电池充分防护。但因电池体积较大，导致保护难度增加。


      对于电动汽车而言，偏置碰是得分难点。所以设计正碰结构耐撞性时，偏置碰工况最值得关注。电动汽车在偏置碰工况下将发生较大的车身变形，可能导致较大的驾驶员伤害值。车体耐撞性开发的重点应该是在布置和结构方面进行优化，以控制偏置碰时的前壁板侵入和乘员舱变形。
2  电动汽车前舱吸能空间


      电动汽车动力总成为驱动电机和减速器，其体积小于传统燃油车动力总成。但是高压配电盒、逆变器、DC-DC和充电器等部件也都布置在前舱内，几乎占满了前舱。为保护内部电子元器件和实现电磁屏蔽，这些部件通常都有刚硬的金属外壳，在碰撞中相当于刚性体，占据了碰撞吸能空间。所以在通常情况下，电动汽车的前舱碰撞吸能空间不会好于传统燃油车。


      为在地板下面布置更大的动力电池，现在电动汽车的发展趋势是在整车长度一定时，尽量增加轴距和缩短前后悬。前悬缩短将导致前舱碰撞吸能空间进一步恶化。


      要改善前舱吸能空间，需要实现前舱内零部件的高度集成。例如特斯拉Model S 将电机和逆变器集成在一起，如图1所示，这种集成方式节省了大量前舱内空间，所以Model S在保证碰撞吸能空间的同时，前舱内还能再布置一个行李箱。

图1 特斯拉Model S集成逆变器的动力总成

      动力总成悬置系统对于前舱变形吸能空间也有明显影响，应尽量避免将悬置支架布置在动力总成的前方和后方，悬置支架结构尺寸也要尽量小。图2展示了特斯拉model S的悬置布置方案，采用左前+右前+左后布置方式，而且悬置支架结构本身也比较紧凑，减少了对吸能空间的侵占。

图2 特斯拉model S的动力总成悬置

3 电动车正面碰撞传力路径


       对于传统燃油车，正面碰撞时的传力路径是前端吸能盒—前纵梁—地板纵梁/中通道/门槛梁。如图3所示。来自前纵梁的碰撞力一部分传递到地板纵梁，另外一部分向左右两侧分散到门槛梁和中通道。

图3 传统车正碰传力路径

对于电动车，因为要在地板底下布置动力电池，需要为电池让出布置空间，所以我们期望传力路径是前端吸能盒—前纵梁—门槛梁，如图4所示。但这种传力路径真正实现起来难度很大，主要原因是前纵梁和门槛梁在Z向和Y向都有很大的间距。

图4 我们期望的电动车正碰传力路径

      如果电动车沿用传统车的车身前部架构，则前纵梁下表面和门槛梁下表面之间的Z向距离>200mm，纵梁外侧面和门槛梁外侧面的Y向距离>350mm，如图5所示。这就产生了两个后果，第一个是前纵梁跟门槛梁之间没有任何的重叠量，前纵梁与门槛量连接刚度很低，正碰时无法有效阻挡前纵梁后退；第二个是过大的间距产生了长的力臂，正碰时的纵梁截面力使前纵梁根部承受过大的弯矩。所以正碰时前纵梁尚未来得及充分溃缩吸能，其根部就会发生弯折并向后顶入乘员舱内，产生非常大的前壁板侵入量。

图5 前纵梁和门槛量的Z向和Y向间距

4  电动车正碰结构概念设计


       基于以上分析，电动车正碰结构设计，至少应该在一个方向上解决前纵梁和门槛梁间距过大问题。这样就出现了两种概念方案，分别着眼于Y向间距和Z向间距。
        第一种方案以减少Y向间距为目的，如图6所示，沿用传统汽油车传力路径，保留地板纵梁，这种方案我们称之为地板纵梁方案。为布置电池包，地板纵梁向外侧移动，前纵梁根部向外弯以连接到地板纵梁。为保证碰撞力合理传递，前纵梁跟地板纵梁的Y向间距须控制在180mm以内，纵梁弯折角尽量控制在21度以内。

图6 地板纵梁方案

       地板纵梁方案的优点是在传统燃油车的基础上实现比较容易，大部分车身结构可以借用，只需做少量的更改和加强。所以国内油改电车型基本上都采用这种方案，国外像雪佛兰Bolt和日产Leaf等传统车企开发的电动车型也都采用此方案。
      地板纵梁方案最大的缺点是地板纵梁的存在导致动力电池宽度受限，电池宽度只能达到车身宽度的60%左右，必然影响整车续驶里程。
      第二种方案以减少Z向间距为目标，前纵梁尽量向下加大截面高度，这种方案我们称为前纵梁加深方案。前纵梁横截面Z向尺寸相比传统车增加50-80mm，前纵梁下表面与门槛梁下表面的Z向间距减少到170mm以内。
     截面高度向下加大后，前纵梁的吸能能力将有明显提升；前纵梁截面力合力点也同时下移，从而缩短了前纵梁根部力矩的力臂；而且前纵梁和门槛梁在Z向将产生一定重叠量。
      因为前纵梁和门槛梁只是在Z向有重叠，在Y向仍旧没有重叠，所以前壁板和地板搭接处需要布置一个刚硬的横梁，使前纵梁和门槛梁之间实现足够大的连接刚度，正碰时的碰撞力就能够从前纵梁有效的传递到两侧门槛梁。为承担碰撞力，门槛梁必须设计的非常粗壮。
      前纵梁加深方案最大的好处是无需地板纵梁，电池可以充分利用左右门槛梁之间的空间，所以电池的宽度可以达到车身宽度的75%以上，这对于提升整车续驶里程极为有利。


       一些新兴电动车企业的产品，例如特斯拉model X和蔚来ES8，都是采用前纵梁加深方案，如图7所示。这种方案导致的一个问题是加深后的前纵梁与驱动半轴干涉，需要在前纵梁上开孔或者开豁口来避让半轴的运动包络。纵梁开孔后容易发生局部应力集中，必须在开孔周围补强处理。