英超曼城对卡迪夫城:純電動車與燃油車有什么差異

來源:鉅大LARGE    2019-05-31    點擊量:101

卡迪夫城球场 www.wlvaik.com.cn 概述


純電動車相比燃油車,內燃機和變速器變成電機和減速器,而且增加了巨大的動力電池系統,所以電動車在空間布置、重量分布、高壓電安全、動力電池防護等方面都與燃油車有很大差異。


純電動汽車碰撞事故的后果有別于傳統燃油車。純電動車在碰撞時不僅僅會造成車體變形和乘員機械傷害,碰撞還可能引起高壓系統的竄動、擠壓、開裂、短路,從而發生漏電、熱沖擊、爆炸、燃燒等,乘員就有可能受到電傷害、化學傷害、電池爆炸傷害以及燃燒傷害等。


既然純電動汽車的碰撞安全特性不同于傳統燃油汽車,我們開發碰撞安全性能的思路和要點也需要相應改變。傳統燃油車的碰撞安全性能圍繞著乘員開發,基本思路就是通過控制車體加速和變形量來降低乘員的機械傷害。純電動汽車的碰撞安全性能則要考慮乘員和動力電池包兩個關鍵點,不僅要關注乘員的傷害值?;掛悸嵌Φ緋卦諗鱟彩鋇陌踩闌?。


空間布置的變化


電動機和減速器構成的動力總成體積比燃油車動力總成小,似乎純電動汽車的前艙吸能空間要大于燃油車。


可惜的是,純電動汽車的發展趨勢是盡量將前后懸縮短和加長軸距,以便在地板下布置更大的平板電池,這就導致前艙空間被嚴重壓縮。而且高壓配電盒、逆變器、DC-DC和充電器等體積比較大的部件通常也都布置在前艙內,幾乎將整個前艙占滿。為?;つ誆康繾釉骷褪迪值绱牌簾?,這些部件通常都有剛硬的金屬外殼,在碰撞中基本無法變形,接近剛性體。


所以在通常情況下,電動汽車的前艙碰撞吸能空間不會好于傳統燃油車。圖2展示了雪佛蘭BOLT的前艙布置,整個前艙滿滿當當,有效吸能空間非常少。


對于油改電的車型,前懸和前艙空間保持跟原型車一致,沒有被縮減,但因為懸架和車身結構基本上是直接借用,不會根據新的動力總成做適用性的改動,導致空間利用效率較低,再加上還要布置各種高壓元件和PTC等,最終的前艙吸能空間也不會高于原型燃油車。


純電動車在總布置上的一個關鍵點是動力電池,通常動力電池布置在地板下方。電池的前后和兩側都需要設計充分的防護結構和緩沖空間。


為給電池提供布置空間,地板縱梁需要取消或者向外彎折,導致前艙縱梁碰撞時的載荷不易向后傳遞,在正面碰撞時前縱梁根部容易彎折并向后頂入乘員艙內,產生非常大的前壁板侵入量。


為保證動力電池的安全性,除了燃油車開發常用的正碰、偏置碰、側碰和后碰工況,還要考慮高速追尾和柱碰等整車工況,此外還應補充刮底和托底等專門針對動力電池包的工況。其中側面柱碰工況尤其重要,原因是純電動車在事故中與路邊樹木和電線桿相撞的后果會更加嚴重,會造成電池包的劇烈擠壓、變形,導致起火爆炸。


質量和質心的變化


純電動車在地板下方布置了一塊重達數百公斤的動力電池,所以整車質量要比同尺寸的燃油車增加20%以上,碰撞時初始動能遠大于燃油車。但由于前部吸能空間并不大于燃油車,縱梁截面也無法顯著加大,所以車體結構設計難度增加。


此外,純電動車的動力總成比燃油車輕,整車增加的質量分布在前壁板后方,即動力總成之后。車輛在正面碰撞時,動力總成撞擊到壁障后動能降為0,整車總動能迅速降低,因純電動車在動力總成之后的質量大于燃油車較多,剩余動能較大,對車身結構造成較大負擔。


純電動汽車質量增加且質心后移,使車體碰撞吸能特性與燃油車有較大差異,設計車身結構時要考慮以下幾點:


1、純電動汽車應加強縱梁前段的吸能效率,使動力總成接觸壁障停止時的速度不大于傳統車。


2、純電動車動力總成與前壁板之間的潰縮空間應大于燃油車,必要時寧可犧牲一點動力總成前方的吸能空間。


3、純電動車縱梁中后段(電動機與前壁板間)的強度必須明顯大于燃油車原型,還要能夠充分變形,防止能量集中在縱梁根部與車身。


因為動力電池通常放在地板下方,使整車的質心降低,整車質心Z向高度更接近前縱梁中線。整車質心降低是否對碰撞性能有利并無定論。有研究者認為質心低能夠得到更好的碰撞加速度波形;也有研究者用數值模擬得到了質心低有利于100%正碰但不利于40%偏置碰的結論。本人則認為,如果在車體設計時考慮了整車質心低的特點,可以提升前縱梁的吸能效率。


燃油車的整車質心一般比前縱梁中線要高出100mm以上,所以正面碰撞時(包括正碰和偏置碰)形成俯仰力矩,整車有明顯的點頭動作,這就導致前縱梁很難形成完美的潰縮模式,一般都是先潰縮再彎折。而純電動汽車的整車質心在Z方向上接近甚至低于前縱梁中線,如果在車體結構設計時充分利用這個特點,理論上可以實現更好的縱梁潰縮變形,在同樣的吸能空間內具有吸收更多動能的可能性。


高壓電安全


電動車為保證續航里程,搭載了大容量鋰離子電池,因鋰離子的活性,電池受到強烈撞擊后易發生滲漏,甚至起火爆燃。純電動汽車采用了高壓電機和電驅動控制系統,還采用了大量的高壓附件設備,如電動空調、PTC電加熱器及DC/DC等。這些高壓部件在碰撞中也可能會起火爆炸。各種高壓部件和線束在碰撞后有發生短路、漏電的風險,可能會與乘員發生直接或間接接觸從而引發電擊傷害。


2013年11月特斯拉ModelS在高速公路上碰撞拖車車鉤導致高壓電系統發生火災,整輛車被燒的慘不忍睹。所以純電動汽車的碰撞安全設計,除了乘員?;ず偷緋亟峁貢;?,還必須考慮高壓電安全問題。


純電動車的高壓電系統要有合理的絕緣設計。例如從設計上要保證動力電池二次絕緣,即電池組與箱體絕緣、電池箱體再次與車體絕緣;高壓電器外殼應接地,確保人體可觸及的部位與人體是同一電位;車輛應具備快慢充電口高壓隔離功能,實現充電時充電口不帶電。


電動車的高壓系統要具備碰撞斷電功能,在車輛發生碰撞事故時,能夠自動將危險電壓隔離。目前純電動車的碰撞斷電功能都是用氣囊ECU實現。碰撞發生時,氣囊ECU接收到碰撞傳感器的加速度信號,如果判斷應點爆氣囊,同時發出氣囊點爆指令和斷電指令。但是因為氣囊點爆不涉及后碰工況,所以需要單獨開發后碰斷電功能,通常需要增加樣車以進行后碰斷電標定試驗。


此外我們還需要從總布置和結構防護兩個維度來考慮高壓電安全。高壓部件和高壓線纜盡量布置在碰撞吸能區域之外;高壓部件的沖擊、跌落、針刺、擠壓等性能要符合相關法規要求;高壓部件的外殼和支架要具備足夠的剛強度;整車結構在碰撞時也應實現對高壓部件的有效防護。


電動車艙內大屏幕


巨大的中控屏幕是當前純電動車的趨勢。2013年特斯拉ModelS使用了17英寸大屏。從此大屏開始成為一種流行時尚,很多電動車新興勢力也正不斷將其發揚光大。例如拜騰汽車首款SUV采用了長達1.25的屏幕,幾乎占據了整個儀表臺,甚至在方向盤中心還放了一塊屏幕,如圖5。


純電動汽車的大屏雖然酷炫,但也是碰撞時的安全隱患。為保證剛強度和耐久性能,這些大屏都采用了堅固的金屬后殼和金屬支架,比手持的iPad要剛硬的多。碰撞時大屏幕如果與乘員頭部發生接觸,就可能造成嚴重傷害。這些大屏通常很難通過GB11522《轎車內部內凸物》中的規定的靜態測試,只能考慮動態豁免,需要通過氣囊和安全帶的合理匹配,保證在各種碰撞工況下乘員的頭部不會與大屏發生撞擊。


拜騰的方向盤中心屏幕方案并沒有體現在量產車內,但這種設計有可能是未來的趨勢。如果真的實現了方向盤屏幕,則主駕氣囊只能布置非常規位置,傳統的約束系統匹配思路就需要有顛覆性的改變。


碰撞安全性能開發思路的變化


1.整車結構應偏向于剛硬


如前述,純電動汽車的前艙吸能空間并不高于燃油車,但整車質量又高于燃油車,所以前縱梁必須設計的比燃油車剛硬;為了在碰撞時有效支撐前縱梁,前艙之后的結構也要足夠剛硬;此外還需要考慮控制車體結構變形,保證不擠壓到高壓器件。所以與燃油車相比,純電動汽車的整車結構應該是明顯偏向剛硬的。


2.約束系統配置要求更高


理論上碰撞加速度的均值只與潰縮距離有關。也就是說,如果純電動汽車的吸能空間與燃油車一致,即使純電動汽車的質量明顯大約燃油車,在同樣的碰撞初速度下兩者的平均加速度應該也是一致的。


但實際上,如果我們設計同樣的前艙吸能空間,純電動車的碰撞加速度會明顯高于燃油車。原因是純電動汽車的結構不僅要?;こ嗽?,還要?;ざΦ緋?,所以碰撞時乘員艙的變形量要求嚴于燃油車,這就相當于減少了整體的吸能距離,導致加速度偏高。另外在偏置碰工況下,對于純電動車和燃油車,可變形壁障都吸收的能量基本相等,但純電動車的初始動能大于燃油車。也就是說,對于純電動汽車,可變形壁障吸收動能的比例偏低,車體結構吸收動能的比例高于燃油車,也會導致加速度偏高。


一般說來,我們允許純電動汽車的碰撞加速度OLC比同等級的燃油車高3.0-5.0g。在偏高的碰撞加速度下,我們需要提升約束系統的配置,以控制乘員的傷害值。例如預緊式安全帶,很多低端燃油車并未采用,但對于純電動汽車,它應該成為最基本的配置。


3.使用更多的主動安全技術和智能化安全配置


主動安全和智能化技術與純電動汽車并無必然的聯系,燃油車一樣可以應用。但是,特斯拉用大量智能化的黑科技吸引了眼球,國內互聯網造車勢力也在推波助瀾,使消費者的心理預期發生了變化。大部分消費者認為純電動汽車理當應用更多的主動安全和智能化技術,這種形勢下,碰撞安全開發人員如果提議在純電動汽車上增加主動安全和智能約束系統,比較容易得到車企的認可。


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