低速電動(dòng)車(chē)安全布置鋰電池組 必須考慮的關(guān)鍵點(diǎn)有哪些？
對(duì)于低速電動(dòng)車(chē)行業(yè)來(lái)講，雖然最終的具體標(biāo)準(zhǔn)條款還處于激烈的爭(zhēng)議之中，但是2017年將成為低速電動(dòng)車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)元年，應(yīng)該是沒(méi)有什么疑問(wèn)的。
應(yīng)對(duì)這一事實(shí)，低速電動(dòng)車(chē)廠家除了要積極爭(zhēng)取表達(dá)意見(jiàn)立場(chǎng)之外，更重要的是要針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)可能的條款要求，組織研究，制定和調(diào)整下一步的產(chǎn)品平臺(tái)方向和技術(shù)要求，做到提前布局、有備無(wú)患。
標(biāo)準(zhǔn)草案中有兩條主線，即“符合安全要求”和“使用鋰電池”。低速電動(dòng)車(chē)采用鋰離子電池情景下的的單體和模組安全分析，參看朱玉龍的“研究周報(bào)|鋰電池如何應(yīng)用于低速電動(dòng)車(chē)？機(jī)會(huì)在哪里？”。本文主要結(jié)合純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)特點(diǎn)，分析為了達(dá)到安全要求，低速電動(dòng)車(chē)的車(chē)身及動(dòng)力電池布置需要重點(diǎn)考慮的技術(shù)問(wèn)題。
背景
純電動(dòng)汽車(chē)的安全系統(tǒng)要求涉及碰撞安全、電氣安全、功能安全以及維修安全等，安全體系組成如下圖所示：
此前的低速電動(dòng)車(chē)標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)碰撞安全的要求是：
1) 車(chē)輛以40km/h速度(汽車(chē)為48km/h)，按照 GB/T 31498進(jìn)行正面碰撞試驗(yàn)，碰撞結(jié)果滿足GB/T 31498 和GB11551的規(guī)定。
2) 車(chē)輛按照GB/T31498進(jìn)行側(cè)面?zhèn)扰?，碰撞結(jié)果滿足GBT31498和GB20071的規(guī)定。
為此，要保證動(dòng)力電池組及相關(guān)電氣件能達(dá)到碰撞后的安全要求，需要重點(diǎn)從以下三個(gè)方面進(jìn)行討論分析：
1. 承載動(dòng)力總成、動(dòng)力蓄電池組的車(chē)身總成；
2. 動(dòng)力總成、動(dòng)力蓄電池組在車(chē)身總成中的安裝部位；
3. 動(dòng)力蓄電池組自身的總成結(jié)構(gòu)形式。
另外，接觸保護(hù)以及最大程度地降低二次事故的發(fā)生也是低速電動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)必須考量的因素。
關(guān)鍵點(diǎn)一：對(duì)動(dòng)力電池組形成多重防護(hù)的車(chē)身結(jié)構(gòu)
任何種類的現(xiàn)代汽車(chē)都是由動(dòng)力總成、底盤(pán)、車(chē)身和車(chē)載網(wǎng)絡(luò)四大總成組成，其中車(chē)身總成的結(jié)構(gòu)形式，車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)輛安全性和空車(chē)品質(zhì)至關(guān)重要。
目前大部分低速電動(dòng)車(chē)廠家采用的都是傳統(tǒng)的汽車(chē)結(jié)構(gòu)，比如在市場(chǎng)上常見(jiàn)的“奔奔款”車(chē)型，就是在燃油款奔奔車(chē)身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行更改而成的。
典型的使用鉛酸電池的低速電動(dòng)車(chē)的車(chē)身結(jié)構(gòu)圖如下：
由于傳統(tǒng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的限制，在其基礎(chǔ)上改裝而成的低速電動(dòng)車(chē)的總成或整體、或被分割成多塊放在車(chē)的前倉(cāng)、座椅下、后備胎倉(cāng)等位置，對(duì)整體結(jié)構(gòu)有破壞性。
目前來(lái)講，主要的變化是低速電動(dòng)車(chē)前艙內(nèi)部布置部件的變化，相對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)身，動(dòng)力總成所占用的空間較小，造成碰撞中假人胸部傷害指標(biāo)較大。為保證碰撞安全效果，可以考慮加大變形吸能區(qū)的車(chē)輛吸能強(qiáng)度。
由于純電動(dòng)汽車(chē)的被動(dòng)安全性在很大程度上取決于對(duì)動(dòng)力蓄電池組的防護(hù)程度，因此純電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)身除了需要對(duì)乘坐人員進(jìn)行安全性保護(hù)外，更為重要的是對(duì)動(dòng)力蓄電池組進(jìn)行防護(hù)。
長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，要持續(xù)性的保證低速電動(dòng)車(chē)研發(fā)和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，很有必要進(jìn)行全新平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和整車(chē)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，用于保障整車(chē)安全性的要求。為了最大限度地防止車(chē)輛在碰撞時(shí)對(duì)動(dòng)力電池組造成損傷，在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)純電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)身時(shí)最好采用多重防護(hù)結(jié)構(gòu)。下圖為日產(chǎn)Leaf的多重車(chē)身防護(hù)結(jié)構(gòu)：
關(guān)鍵點(diǎn)二：動(dòng)力總成及動(dòng)力蓄電池的布置形式
1.動(dòng)力蓄電池布置在整車(chē)安全性最高的部位
蓄電池組安裝的最安全部位在車(chē)架的兩縱梁之間和后橋之前、前橋之后，在很大程度上可減輕或防止來(lái)自前、后、左和右方的碰撞造成的損傷。
比如FSV車(chē)的蓄電池組最初設(shè)計(jì)呈T字形，配置于后橋上在2個(gè)車(chē)輪之間和排氣管通道之間。后經(jīng)仿真碰撞試驗(yàn)證明電池組在碰撞時(shí)可能受損，于是將其改為I字形，置于排氣管通道位置。從而滿足了車(chē)架的“兩縱梁之間和后橋之前、前橋之后”的要求，如下圖所示。
日產(chǎn)Leaf車(chē)的總體布置同樣遵守了“蓄電池組安裝在車(chē)架的兩縱梁之間和后橋之前、前橋之后”這一原則，如下圖所示。
如果發(fā)生后撞，那么最先遭受撞擊的是后保險(xiǎn)杠-車(chē)架-備胎，其次是帶車(chē)輪的后橋，沖擊能量遭到很大削減后，才會(huì)傳到蓄電池組。
2. 動(dòng)力總成布置在有剛性骨架結(jié)構(gòu)保護(hù)的位置
動(dòng)力總成在車(chē)身中的安裝部位和安裝形式的最佳化，對(duì)于整車(chē)性能，特別是安全性具有要意義。比如日產(chǎn)Leaf車(chē)的E動(dòng)力總成(包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)+5CVT金屬帶式無(wú)級(jí)變速器+蓄電池組管理系統(tǒng)BMS+高壓絕緣屏蔽電力線束/電纜)就安裝在一個(gè)副車(chē)架上，帶鋁合金壓鑄件外殼的逆變器則安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上方的骨架上，因而得到可靠防護(hù)。如下圖所示：
3. 動(dòng)力電池放置位置最好與乘員艙隔離
乘客座艙最好與動(dòng)力蓄電池組以鋼板分離，這樣可以更好的確保發(fā)生碰撞時(shí)乘客座艙內(nèi)的乘員不與高壓電力系統(tǒng)(包括動(dòng)力蓄電池組)接觸。日產(chǎn)Leaf就是把所有高壓電力系統(tǒng)及系統(tǒng)中的各高壓電部件均布置于車(chē)身底板下，同時(shí)保證當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，高壓電力線束不被夾住。如下圖所示：
關(guān)鍵點(diǎn)三：動(dòng)力電池的總成形式
動(dòng)力蓄電池組就相當(dāng)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)中的燃料，燃料需要容器——燃油箱，那么動(dòng)力蓄電池組也同樣需要容器。在傳統(tǒng)汽車(chē)的總布置設(shè)計(jì)中，燃油箱在車(chē)身中的安裝是有嚴(yán)格要求的：不論遭受來(lái)自哪個(gè)方向的撞擊，只允許燃油箱旋轉(zhuǎn)，絕不允許燃油箱變形。這一要求同樣也適于純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力蓄電池組總成(含動(dòng)力蓄電池組Pack+動(dòng)力蓄電池組支架+動(dòng)力蓄電池組管理系統(tǒng)BMS+封裝動(dòng)力蓄電池組容器)。
日產(chǎn)leaf動(dòng)力蓄電池組總成容器外形及結(jié)構(gòu)如下圖所示：
Leaf車(chē)的動(dòng)力蓄電池組及電力主線束和BMS電池組管理系統(tǒng)均安裝在具有水密性的由鋼板沖壓制成的“蓄電池組容器”中，不僅能確保車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，動(dòng)力蓄電池組、電力主線束和BMS系統(tǒng)不受損傷，而且可確保雨天行駛和一定深度的淺涉水行駛的安全性。
關(guān)鍵點(diǎn)四：接觸保護(hù)及其他
1. 直接接觸保護(hù)
乘員直接觸及蓄電池組和其他高壓電力系統(tǒng)的部件(包括DC/DC升壓器、DC/AC逆變器、主線束/高壓絕緣屏蔽電力電纜以及插接件)會(huì)導(dǎo)致觸電，因此它們均需具有保護(hù)外套/障壁(包括橡膠絕緣、金屬網(wǎng)屏障及塑料封閉外殼等)防護(hù)，避免乘員直接觸及。最為重要的是上述保護(hù)裝置不得在未使用工具的情況下被打開(kāi)、拆開(kāi)或移除。下圖為聆風(fēng)的維修插頭設(shè)置：
2. 防止碰撞二次事故的建議
使用鋰電池的低速電動(dòng)車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)一樣，在碰撞后存在如下幾點(diǎn)電氣安全隱患，容易造成二次事故：電力系統(tǒng)的各部件高壓絕緣防護(hù)罩、絕緣護(hù)套損壞，引起漏電使乘員直接或間接觸電；動(dòng)力蓄電池組碰傷或損壞，造成電池組內(nèi)部短路或漏液而過(guò)熱、發(fā)煙、失火，或是由于過(guò)充電造成過(guò)熱，而發(fā)煙、著火。
從實(shí)際的碰撞試驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看，對(duì)低速電動(dòng)車(chē)可提供以下布置建議：
(1) 動(dòng)力電池箱盡可能布置在車(chē)輛碰撞的非變形吸能區(qū)域內(nèi)，特別是容易產(chǎn)生爆炸、起火的鋰離子電池，避免在碰撞中發(fā)生擠壓變形。
(2) 動(dòng)力電池箱的固定方式盡量采用與車(chē)身縱梁等穩(wěn)固件連接，單體電池可以采用獨(dú)立穩(wěn)定的整體框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。
(3) 線路的布置應(yīng)盡量與車(chē)身非變形結(jié)構(gòu)相連，同時(shí)加強(qiáng)髙壓線的絕緣保護(hù)。
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