比傳統燃油車更安全!威馬EX5的碰撞成績詳解

電動汽車和傳統汽車在安全方面的共性和不同,可以從電動汽車和傳統汽車在結構上的異同歸納得出。

電動汽車相比傳統汽車,在結構上最大的區別就是整個動力總成和傳動系統的變更。

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純電動汽車動力總成和傳統系統示意圖來源:afdc。energy。gov

相比傳統汽車,純電動汽車將用尺寸相對更小的電機替代了發動機,用通常佈置在乘員艙底部的電池組代替了佈置在後排座椅與後軸間油箱。與此同時,純電動汽車的傳動系統相比傳統汽車傳動系統有所簡化。尤其是對於純電動汽車來說,對於動力總成和傳動系統的的佈置也會更加靈活。

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傳統汽車動力總成和傳統系統示意圖來源:afdc。energy。gov

汽車安全評價體系:

在汽車安全分類上,我們通常將汽車安全性分為主動安全性和被動安全性。

“主動安全技術的是在事故發生前預防事故的發生。

”被動安全技術的是在事故發生後將損失降到最低。

汽車的主動安全性主要分為:行駛安全性、環境安全性、感覺安全性和操作安全性這四類。

“行駛安全性主要從車輛效能角度出發,簡而言之,透過提高車輛本身的操控效能以提高安全性。

”環境安全性是從駕駛員的駕駛環境入手,從降低駕駛員的心理壓力入手提高主動安全性。

“感覺安全性則是從主要從人機工學入手,圍繞著眼橢圓的佈置,透過提高駕駛員對車輛執行工況和道路狀況的認知能力來提高汽車安全性。

”操縱安全性同樣是從人機工學入手,主要針對手伸及介面的佈置,提高駕駛員的工作條件以提高汽車安全性。

汽車被動安全性主要分為汽車外部安全性和內部安全性。

“汽車外部安全性主要針對的是行人等汽車外部人員的保護。

”汽車內部安全性則是汽車對於車內人員的保護性。

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從對於汽車安全性的「要求」上來說,純電動汽車和電動汽車並沒有差別。但是因為結構上的不同,在「實現的途徑」上會有所不同。

安全方面的共性:

作為被動安全性的核心內容,車身結構設計是重中之重。而車身結構的設計主要實現以下功能:

“儘可能吸收車輛和乘員的運動能量,以緩解成員所受衝擊。

”確保成員的有效生存空間,並保證碰撞後乘員易於逃脫和進行車外救護。

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車身不等剛度設計

正是為了實現這兩項功能,汽車整車車身剛度採用的是不等剛度設計。

圖中陰影部分為高剛性區域,空白部分為低剛性區域。顯而易見,只有4的兩邊軟硬夾心的設計才可以兼顧吸收能量和保證生存空間。於是就誕生了安全車身設計的分割槽理論。

乘客安全區(A區)和緩衝吸能區(B區)。A區的主要結構在強度上是高於B區的。

在不等剛度和分割槽的設計上,無論是傳統汽車還是電動汽車,都保持了設計思路上的一致性。以威馬EX5為例,就在A柱、B柱和門檻等A區的主要受力結構處使用了抗拉強度1500MPa的熱成型鋼板。在門檻處使用了超高強度鋼板,在發動機艙等B區,使用了高強度鋼板,實現了合理的不等剛度和分割槽設計,在提高車輛安全性的同時,也達到了更好的輕量化的效果。

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威馬EX5車身結構示意圖

從設計角度來講,更大的車身尺寸有助於緩衝吸能區(B區,也就是我們常說的潰縮吸能區)的結構佈置,能大幅提高車輛的安全性。這也就是一些微型車在安全性上遠遠弱於Sedan或者SUV車型根本原因。即便整車成本不受到限制,微型車在結構上的先天劣勢也無法保證微型車能實現非常高的車身結構安全性。

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左圖為A、B區分割槽,右圖為理想的安全結構變形示意圖

美國的著名碰撞結構IIHS(InsuranceInstituteforHighwaySafety)在2009年做過一個非常有意思的碰撞測試。為了對比過去幾十年間車身安全設計的飛躍式的發展,IIHS用一輛2009年款的ChevyMalibu(當年的IIHS的最高得分車型)和一輛1959年款的ChevroletBelAir進行了一次偏置碰撞測試。“硬橋硬馬”的BelAir在碰撞過程中幾乎擠壓了所有的駕駛員有效生存空間。所謂的“硬”,在巧妙的結構設計面前簡直不堪一擊。

硬橋硬馬影片

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除去整體的車身結構設計,車身前端的吸能區的設計也是一個非常重要的部分。

車身前端結構簡化圖

在這張圖中,1區是保險槓骨架總成(其中包括前保險槓和吸能盒子)、2區是發動機前端縱梁、3區是發動機後端縱梁。

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車身前端整體結構的設計中有兩個關鍵問題。

“碰撞的能量分配。

”能量的傳遞。

工程師通常會首先制定碰撞能力吸收的分配比例,之後跟具體量對1、2、3區的區域性進行設計。在低速碰撞時,主要起吸收能量作用的1區裡的吸能盒。而前保險槓的主要作用將碰撞能量傳遞到吸能盒子。在高速碰撞時,主要起吸收能量作用的是2、3區防撞縱梁的壓潰變形。工程師為了保證防撞縱梁的壓潰變形,而非彎曲變形等其他變形方式。通常會在誘導槽上下足功夫。

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誘導槽的多種形式

安全方面的不同:

電動汽車和傳統汽車安全性的不同,主要是針對「電池」這個活躍因素進行的。

其目的按照汽車安全體系的分類,歸屬於對車內人員的保護。

電池安全性通常從機械安全、電氣安全、受熱安全、涉水安全四個方面進行保障。

“在機械安全設計上,需要進行多方向擠壓、震動、機械衝擊、模擬碰撞等機械實驗。電池艙結構的設計就是機械安全上一個重要的部分。以威馬EX5為例,就在側圍使用了雙門檻設計來保證側碰時保證車身有足夠的強度,抵禦側面的衝擊力,保證電池包的機械安全。在發動機艙縱梁的後部結構,使用了雙叉式樣的傳力結構,在碰撞發生時能量向地板中通道下部和兩側門檻傳遞,保證電池艙的”生存空間“。

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威馬EX5電池艙設計

”電氣安全則主要考慮電動車相比傳統汽車,使用了更多的高電壓部件。這些高電壓部件涉及絕緣問題,當絕緣下降、漏電電流達到一定值時,就可能產生危險。

“受熱安全指的是電池過熱時會引起的內部冒煙、起火,在受熱狀況下,電池包在火燒之後的內部氣壓會升高,此時Pack洩壓閥會開啟,防止膨脹。與此同時,電池外部有防火塗層及時帶走熱量,降低外部高溫對電池內部的影響。

”涉水安全指電動車對於電池防水效能的安全性要求。電池的防水效能通常用IP安全防護等級IPxx來表示,第一個x代表防塵(固態)等級,第二個x代表防水(液態)等級。

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電動車防水效能等級

電池熱失控是最近非常熱門的一個話題。從特斯拉到蔚來,電池熱失控的案例屢見不鮮。從安全性角度來說,電池的熱失控是從從電芯-電池包-系統三個層面進行安全性的設計

“從電芯角度來講,包括正負極材料的包裹、電解液中阻燃劑的新增、安全性隔膜的設計,都會影響到電池的安全性和穩定性。

”從電池包的角度來說,電池的封裝工藝、箱體設計會影響到電池的安全性和穩定性。電池封裝分為硬殼封裝和軟包封裝。硬殼封裝又分為圓柱形封裝(特斯拉)和方形封裝。從底部對電池包進行保護亦是非常重要的,很多電池熱失控事件都有由於底部衝擊引起的,各大廠家也會針對底部進行充分處理。比如威馬EX5在電池包底部覆蓋高分子塗層,防底部碎石和剮蹭衝擊,與此同時,電池模組採用鋁製中空外保護的設計,使電池包在受到衝擊後外殼潰縮,留下足夠的衝擊“緩衝區”。

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威馬EX5電池箱結構

從系統角度來說,電池的熱管理是保證電池的安全性和穩定性的重要因素

“由於電池的工作特性十分”挑剔“,熱管理需要透過散熱和加熱手段保證電池處於合適的溫度區間。溫度過高,增大熱失控機率,溫度過低時充電又會增加內部熱失控風險。

”電池系統的效能是一個木桶效應,取決於最弱的一個電芯。熱管理系統的優劣將影響電池的溫度一致性,從而影響電池的效能。針對電池的冷卻,通常採用風冷和液冷兩種方式。液冷在溫度一致性和冷卻速度上都優於風冷。冷卻管路的內部結構設計是一個難點,不光是流道的設計。由於,電池包的溫度變化和動力系統的溫度變化不一致,變化速率不同,冷卻效果依然會產生差異。所以,不同的電動車廠家會在這方面下一番功夫。以威馬EX5為例,就將電池包和動力系統冷卻分開,採用獨立的液冷迴路。並且在每個電芯模組內採用雙溫度感測器,檢測電芯溫度。來更好的實現對溫度的管控。

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威馬EX5並聯水冷散熱示意圖

“多層級監控對於系統層面來說同樣重要。電池的監控必須實現”從點到線到面“的同步監控。比如對電芯單體電壓和電池包總壓進行實時取樣監控,同時電芯模組採用全串聯,在單體電芯故障發生後可以迅速切斷整個通路,防止因模組並聯導致正常電芯對故障電芯持續放電發熱發生危險。

總的來說,無論是主動安全性還是被動安全性,電動汽車和傳統汽車的要求並無不同。只是在被動安全的車內乘員保護上,由於結構的不同,電動車對於區域性安全設計的標準和實現途徑有不同之處。