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浅谈电动汽车底部滥用防护技术
2019-11-02 23:06:47· 来源：上汽安全与CAE技术
浅谈电动汽车底部滥用防护技术1 导语随着电动汽车的普及，人们对电动汽车也越来越关注，尤其是对电动汽车的安全问题。电动汽车三电系统的特殊布置形式[1]，对电
浅谈电动汽车底部滥用防护技术
1 导语
随着电动汽车的普及，人们对电动汽车也越来越关注，尤其是对电动汽车的安全问题。电动汽车三电系统的特殊布置形式[1]，对电动汽车的安全防护设计提出了新的挑战。电动汽车的安全问题涉及众多学科领域，本文旨在浅析电动汽车的底部滥用防护技术及安全设计。
底部滥用防护不是一个新名词，在网购平台输入“底盘装甲”可以看到琳琅满目的商品，价格几百至上千元不等。消费者一掷千金，可见期望通过加装上述装置来提升车辆底部防护能力的需求是多么迫切。但道高一尺魔高一丈，道路千万条，总有一些路况是超乎大家想象的，比如下面这些。假如你驾驶着一辆电动汽车，你又该如何应对这些不期而遇的坡坡坎坎呢？
2 案例分析
车辆底部滥用不属于常规工况，正如上述3种路况，遇到那都是“缘分”。但随着电动汽车保有量的与日俱增，因底部滥用发生起火事故的案例已呈上升态势。
案例一：2013年10月1日，某公司一辆电动车在西雅图附近着火，汽车被道路上的一块巨大金属碎片重创，在动力电池底板上撞开一个大洞，导致整车起火，所幸司机未受伤。
案例二：2019年4月20日，某公司一辆电动车在网点维修，报修项目不涉及底盘，未上台架进行底盘检测。21日维修完工，22日下午车辆开始出现火情。消防队在接警后及时赴现场扑灭火情。事故没有发生爆炸，也未造成人身伤亡和其它损失。通过调查得出初步结论：该车辆在送修前底盘曾经遭受过严重撞击，导致动力电池包左后部外壳与冷却板大面积变形。电池包内部结构在被挤压的状态下经过一段时间后形成短路，最终引发火情。
由此可见电动汽车在遭遇严重的底部滥用工况后，存在热失控起火的风险，或因为底部的严重破坏瞬间起火，或因为动力电池损伤积累造成内部短路后起火。
3 来自底部的安全挑战
说到这回头再看开篇的几种滥用路面，或许大家就会“三思而后行”。大家之所以谈电色变，原因主要在于电火扩展迅猛，且电动车火灾目前缺乏有效的短时扑灭手段，因此每次电动车起火势必引起广泛的舆论关注。底部滥用工况给电动汽车带来了巨大的安全挑战，其根源要从电动汽车的底部构造和电动汽车热失控起火的原因解析。
一、电动汽车底部构造
现如今，越来越多的主机厂选择将动力电池包布置在车身地板下（图6-7），其优点在于降低车辆重心且不占乘员舱空间。但缺点也显而易见，当地板下布置空间受限时，动力电池包极易成为车辆的低点，极大增加了滥用路况下与路面发生“亲密接触”的概率。
基于实际道路交通事故，传统燃油车历经百年，已建立了一套完善的正面/侧面/追尾碰撞工况，其开发评价体系完善。近年来，随着电动汽车碰撞安全法规及规程的完善，上述工况也已逐步纳入电动汽车的开发测评体系。但针对底部滥用工况，由于其形态复杂，且缺乏道路交通事故数据积累，因此行业内未形成统一的设计标准。从动力电池包的结构形式看（图8），电动汽车的底部仅有电池包壳体及护板对其进行防护，其上端便是储能核心元件 - 动力电池模组及单体，相比于车体侧面等完善的碰撞载荷路径[2]，底部防护的木桶效应显现。
二、电动汽车热失控起火原因
电动汽车热失控起火的原因主要分为机械滥用（碰撞、底部穿刺）、电滥用（过充）、热滥用及内部短路四种[3]。底部滥用属于机械滥用中的一种，在外力作用下，动力电池模组/单体发生变形，导致电池隔膜被撕裂并发生内短路，易燃电解质泄漏最终引发起火。机械滥用中，穿刺危害最为严重，因为大多数电动汽车动力电池布置于地板下，更容易因电底盘的滥用引发前述的起火事故。
4 如何应对
电动汽车底部滥用防护难点多，但主机厂也并未“束手就擒”。笔者分析了几款主流电动汽车的底部设计，为提升底部滥用防护性能，各主厂家都做了针对性的防护设计。作为一名汽车碰撞安全工程师，笔者从碰撞安全设计的角度对当前主流的解决方案做了一些总结，希望可以帮助大家了解一二。
对底部滥用进行防护设计，关键点在于对底部滥用防护工况的定义，由于该工况为非标工况，因此工况定义多来源于事故案例、道路交通调研、科研文献及工程开发经验。基于上述调研分析，底部滥用的常见工况可归纳为底部刮擦、托底及穿刺[4]3种（图10-12）。其中底部刮擦对应路面凸起障碍物对车辆电底盘的刮蹭，分为前向刮蹭和后向刮蹭；底部托底类似过图1所示的减速包后对车辆电底盘的冲击；底部穿刺则对应路面飞溅异物高速撞击电底盘的情况。
工况及目标明确后，工程开发可有的放矢，进行针对性的防护设计。可通过布置防护→结构保护→断电及报警提醒的“三步走”战略实现。
①布置保护：尽可能将电池包布置于非整车最低点，或通过电池包框架、车身门槛等的合理布局使这些结构承受托底载荷，保护电池核心元件，有效应对底部刮擦及托底工况。
②结构保护：优化增加防护结构，提升底部刮擦及穿刺防护能力。特斯拉在经历几起起火事故后，对底部结构做了优化，Model X通过图13前向防护结构，可推扫路面常见的移动或可变形障碍物，使其远离动力电池底部核心敏感区域。通过图14后向防护结构，可对倒车等低速工况进行误作用预警。通过上述方案，特斯拉对外界展示了如图15-17的底部防护效果，给人的直观感受是电底盘不再“弱不禁风”。
③断电及报警提醒：正面/侧面/追尾等高速碰撞，电动汽车都会基于传感器信号实现高压自动断电，以降低电安全事故发生概率。与此同时，《电动汽车安全要求》法规征求意见稿明确提出需在动力电池出现热失控后通过明显的信号（例如：声或光信号）向驾驶员进行提示，以实现即时疏散的目的。电动汽车电火的扩展速度迅猛，基于报警提醒功能获得的应急响应时间，将在真实事故中发挥关键作用。
通过以上防护，可有效提升电动汽车的底部滥用防护性能。但如何从根本上解决电动汽车底部滥用防护能力弱的问题，笔者认为行业还有很长的路要走，涉及三电系统硬件、BMS、防护材料、整车集成等领域的突破。
5 写在最后
汽车行业电动化是未来的趋势，电动汽车安全性能必将朝着不断升级的方向发展。上汽乘用车安全团队在电动车安全开发中始终秉承全方位防护的设计理念，将上述三位一体的防护策略贯穿研发始终，不断探索，努力应对来自车辆底部的安全挑战，将电安全防护做到极致。
参考文献
[1] 王芳,夏军.电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M].科学出版社.
[2] 水野幸治.汽车碰撞安全[M].北京:人民交通出版社.
[3] 冯旭宁.车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D].清华大学 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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