低速電動車安全布置鋰電池組 必須考慮的關(guān)鍵點(diǎn)有哪些？
對于低速電動車行業(yè)來講，雖然最終的具體標(biāo)準(zhǔn)條款還處于激烈的爭議之中，但是2017年將成為低速電動車的標(biāo)準(zhǔn)元年，應(yīng)該是沒有什么疑問的。
應(yīng)對這一事實(shí)，低速電動車廠家除了要積極爭取表達(dá)意見立場之外，更重要的是要針對標(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)品平臺方向和技術(shù)要求，做到提前布局、有備無患。
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”。低速電動車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|鋰電池如何應(yīng)用于低速電動車？機(jī)會在哪里？”。本文主要結(jié)合純電動汽車的技術(shù)特點(diǎn)，分析為了達(dá)到安全要求，低速電動車的車身及動力電池布置需要重點(diǎn)考慮的技術(shù)問題。
背景
純電動汽車的安全系統(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：
此前的低速電動車標(biāo)準(zhǔn)草案中對碰撞安全的要求是：
1) 車輛以40km/h速度(汽車為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) 車輛按照GB/T31498進(jìn)行側(cè)面?zhèn)扰觯鲎步Y(jié)果滿足GBT31498和GB20071的規(guī)定。
為此，要保證動力電池組及相關(guān)電氣件能達(dá)到碰撞后的安全要求，需要重點(diǎn)從以下三個方面進(jìn)行討論分析：
1. 承載動力總成、動力蓄電池組的車身總成；
2. 動力總成、動力蓄電池組在車身總成中的安裝部位；
3. 動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)生也是低速電動車安全標(biāo)準(zhǔn)必須考量的因素。
關(guān)鍵點(diǎn)一：對動力電池組形成多重防護(hù)的車身結(jié)構(gòu)
任何種類的現(xiàn)代汽車都是由動力總成、底盤、車身和車載網(wǎng)絡(luò)四大總成組成，其中車身總成的結(jié)構(gòu)形式，車身結(jié)構(gòu)對車輛安全性和空車品質(zhì)至關(guān)重要。
目前大部分低速電動車廠家采用的都是傳統(tǒng)的汽車結(jié)構(gòu)，比如在市場上常見的“奔奔款”車型，就是在燃油款奔奔車身結(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車的車身結(jié)構(gòu)圖如下：
由于傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)的限制，在其基礎(chǔ)上改裝而成的低速電動車的總成或整體、或被分割成多塊放在車的前倉、座椅下、后備胎倉等位置，對整體結(jié)構(gòu)有破壞性。
目前來講，主要的變化是低速電動車前艙內(nèi)部布置部件的變化，相對于傳統(tǒng)車身，動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)的車輛吸能強(qiáng)度。
由于純電動汽車的被動安全性在很大程度上取決于對動力蓄電池組的防護(hù)程度，因此純電動汽車的車身除了需要對乘坐人員進(jìn)行安全性保護(hù)外，更為重要的是對動力蓄電池組進(jìn)行防護(hù)。
長遠(yuǎn)來講，要持續(xù)性的保證低速電動車研發(fā)和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，很有必要進(jìn)行全新平臺的開發(fā)和整車結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，用于保障整車安全性的要求。為了最大限度地防止車輛在碰撞時對動力電池組造成損傷，在設(shè)計、開發(fā)純電動汽車的車身時最好采用多重防護(hù)結(jié)構(gòu)。下圖為日產(chǎn)Leaf的多重車身防護(hù)結(jié)構(gòu)：
關(guān)鍵點(diǎn)二：動力總成及動力蓄電池的布置形式
1.動力蓄電池布置在整車安全性最高的部位
蓄電池組安裝的最安全部位在車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自前、后、左和右方的碰撞造成的損傷。
比如FSV車的蓄電池組最初設(shè)計呈T字形，配置于后橋上在2個車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車的總體布置同樣遵守了“蓄電池組安裝在車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杠-車架-備胎，其次是帶車輪的后橋，沖擊能量遭到很大削減后，才會傳到蓄電池組。
2. 動力總成布置在有剛性骨架結(jié)構(gòu)保護(hù)的位置
動力總成在車身中的安裝部位和安裝形式的最佳化，對于整車性能，特別是安全性具有要意義。比如日產(chǎn)Leaf車的E動力總成(包括驅(qū)動電機(jī)+5CVT金屬帶式無級變速器+蓄電池組管理系統(tǒng)BMS+高壓絕緣屏蔽電力線束/電纜)就安裝在一個副車架上，帶鋁合金壓鑄件外殼的逆變器則安裝在驅(qū)動電機(jī)上方的骨架上，因而得到可靠防護(hù)。如下圖所示：
3. 動力電池放置位置最好與乘員艙隔離
乘客座艙最好與動力蓄電池組以鋼板分離，這樣可以更好的確保發(fā)生碰撞時乘客座艙內(nèi)的乘員不與高壓電力系統(tǒng)(包括動力蓄電池組)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身底板下，同時保證當(dāng)發(fā)生碰撞時，高壓電力線束不被夾住。如下圖所示：
關(guān)鍵點(diǎn)三：動力電池的總成形式
動力蓄電池組就相當(dāng)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車中的燃料，燃料需要容器——燃油箱，那么動力蓄電池組也同樣需要容器。在傳統(tǒng)汽車的總布置設(shè)計中，燃油箱在車身中的安裝是有嚴(yán)格要求的：不論遭受來自哪個方向的撞擊，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汽車的動力蓄電池組總成(含動力蓄電池組Pack+動力蓄電池組支架+動力蓄電池組管理系統(tǒng)BMS+封裝動力蓄電池組容器)。
日產(chǎn)leaf動力蓄電池組總成容器外形及結(jié)構(gòu)如下圖所示：
Leaf車的動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，不僅能確保車輛發(fā)生碰撞時，動力蓄電池組、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、拆開或移除。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車和純電動汽車一樣，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)部短路或漏液而過熱、發(fā)煙、失火，或是由于過充電造成過熱，而發(fā)煙、著火。
從實(shí)際的碰撞試驗(yàn)結(jié)果分析來看，對低速電動車可提供以下布置建議：
(1) 動力電池箱盡可能布置在車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) 動力電池箱的固定方式盡量采用與車身縱梁等穩(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)盡量與車身非變形結(jié)構(gòu)相連，同時加強(qiáng)髙壓線的絕緣保護(hù)。
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