电池电动车碰撞

电池布置会影响小型电动车的碰撞安全性！

电池是电动车的能量存储装置，其在碰撞过程中可能出现破损或内部短路，有发生着火甚至爆炸等极危险的事故的风险，为此国家制定了相应法规。然而，除了电池本身的安全性之外，电池的布置也会影响电动车的碰撞安全性，尤其是小型轻量化的电动车，这是为什么呢？...

来自:汽车安全与轻量化作者:张颂安
导读

电池是电动车的能量存储装置，其在碰撞过程中可能出现破损或内部短路，造成局部温度升高，从而有发生着火甚至爆炸等极危险的事故的风险（图1为Tesla Model S着火事故）。国家制定了对动力电池的各种测试标准，以保证动力电池在汽车行驶过程中能够正常安全的工作。然而，除了电池本身的安全性之外，电池的布置也会影响电动车的碰撞安全性，尤其是小型轻量化的电动车，这是为什么呢？

图1. Tesla Model S 着火

动力电池是电动车上最重的部件

对于传统的以内燃机为动力的汽车来说，发动机是整车中最重的部件，重达100~400kg。而对于电动汽车来说，用以提供动力的电机质量和体积都远远小于内燃机车中的发动机，动力电池组才是电动车上最重的部件，这是因为目前电池能量密度和功率密度较低，需要较多的电池才能满足电动车的行驶里程，例如在900kg的Smart Fortwo ED中，电池部件重达200kg，约占总重量的20%，而市场上一般的电动车上电池部件会更重，Tesla Model S 上电池组件重达550 kg，约占总重量的26%，如图2所示。

图2. Tesla Model S 电池部件（重达550kg)

动力电池布置如何影响整车的碰撞安全性大质量部件会影响整车质心位置，且在碰撞过程中具有较大的惯性力，因此像动力电池这样的大质量部件的布置方式会很大程度上影响汽车的碰撞安全性。电池在电动车中常见的布置方式包括T型布置（如图3所示Chevy Volt），底板平铺布置（Tesla Model S和如图4所示Smart Fortwo ED）以及后备箱布置（如图5所示Ford Focus Electric）。

图3. T型布置（Chevy Volt）

图4. 底板平铺布置（Smart Fortwo ED）

图5. 后备箱布置（Ford Focus Electric）

那么，具体来讲，动力电池的这些不同布置方式究竟如何能够影响整车的碰撞安全性呢？

在碰撞过程中，汽车的运动是十分复杂的，并非只是沿x轴（坐标系参考图6）平移挤压前端吸能区，而是会有绕x轴的翻转（Roll）、绕y轴的俯仰（Pitch）和绕z轴的横摆（Yaw）运动。

图6. 汽车通用坐标系

电池的不同布置方式会影响整车质心位置，对于三种常见的布置方式，底板平铺布置方式质心位置最低，而后轴布置方式质心位置最高。在正面全宽碰撞过程中，质心越高，整车的俯仰运动越大（由于惯性力作用），如图8所示。而整车的俯仰会使得质心升高，会使得部分碰撞初始动能转化为势能，从而降低前端碰撞吸能区所需要吸收的能量。从本文作者的仿真结果来看，质心越高，整车俯仰运动越大，动能转化为势能的部分就越多，整车正面全宽碰撞波形就越好。而在偏置碰撞过程中，整车会有较大的横摆运动，质心较低时后轮对地面的压力较高，从而横摆运动过程中轮胎和地面的摩擦力较大，会消耗一部分动能。从仿真结果来看，质心越低，后轮正压力越大，碰撞过程中摩擦耗能越大，偏置碰撞波形就越好。