研究周报 | 低速电动车安全布置锂电池组 必须考虑的关键点有哪些?

冰封之城
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特约研究员 冰封之城对于低速电动车行业来讲,虽然最终的具体标准条款还处于激烈的争议之中,但是2017年将成为低速电动车的标准元年,应该是没有什么疑问的。

应对这一事实,低速电动车厂家除了要积极争取表达意见立场之外,更重要的是要针对标准可能的条款要求,组织研究,制定和调整下一步的产品平台方向和技术要求,做到提前布局、有备无患。

标准草案中有两条主线,即“符合安全要求”和“使用锂电池”。低速电动车采用锂离子电池情景下的的单体和模组安全分析,参看朱玉龙的“研究周报|锂电池如何应用于低速电动车?机会在哪里?”。本文主要结合纯电动汽车的技术特点,分析为了达到安全要求,低速电动车的车身及动力电池布置需要重点考虑的技术问题。

背景

纯电动汽车的安全系统要求涉及碰撞安全、电气安全、功能安全以及维修安全等,安全体系组成如下图所示:

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此前的低速电动车标准草案中对碰撞安全的要求是:

1) 车辆以40km/h速度(汽车为48km/h),按照 GB/T 31498进行正面碰撞试验,碰撞结果满足GB/T 31498 和GB11551的规定。

2) 车辆按照GB/T31498进行侧面侧碰,碰撞结果满足GBT31498和GB20071的规定。

碰撞安全标准及要求对比简述

标准名称

规定内容(“动力蓄电池或蓄电池包”以下简称“REESS”)

GB/T 31498-2015

电动汽车碰撞后安全要求

1.碰撞前后的电安全,防触电保护等:规定安全电压、电能、物理防护绝缘电阻等。

2.电解液泄露要求:碰撞试验后30分钟内溢出乘客舱外部的电解液不能超过5L

3.乘客舱外部,不得穿人乘客舱内;乘客舱内部REESS,应保持安全位置。

4.碰撞30分钟内,REESS不爆炸起火。

GB11551汽车正面碰撞的乘员保护

1.规定正碰和侧碰之后,假人头部、颈部、盆骨等部位的受伤害指标范围。

2.相关方便乘员撤离的规定,比如碰撞中车门不得开启,前门的锁止系统不得发生锁止等等。

GB20071汽车侧面碰撞的乘员保护

为此,要保证动力电池组及相关电气件能达到碰撞后的安全要求,需要重点从以下三个方面进行讨论分析:

1. 承载动力总成、动力蓄电池组的车身总成;

2. 动力总成、动力蓄电池组在车身总成中的安装部位;

3. 动力蓄电池组自身的总成结构形式。

另外,接触保护以及最大程度地降低二次事故的发生也是低速电动车安全标准必须考量的因素。

关键点一:对动力电池组形成多重防护的车身结构

任何种类的现代汽车都是由动力总成、底盘、车身和车载网络四大总成组成,其中车身总成的结构形式,车身结构对车辆安全性和空车品质至关重要。

目前大部分低速电动车厂家采用的都是传统的汽车结构,比如在市场上常见的“奔奔款”车型,就是在燃油款奔奔车身结构上进行更改而成的。

典型的使用铅酸电池的低速电动车的车身结构图如下:

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由于传统汽车结构的限制,在其基础上改装而成的低速电动车的总成或整体、或被分割成多块放在车的前仓、座椅下、后备胎仓等位置,对整体结构有破坏性。

表1低速电动车车身结构特点(整车)

项目

低速电动车

影响

车身结构

传统车身结构+几百公斤的动力电池

车体加上电池后,整体强度变差

车身尺寸

车身尺寸小,前舱等部位吸能空间小

碰撞吸能区强度不足

前仓布置

前驱前仓布置电机和传动系统,不少厂家前仓布置动力电池

动力电池布置在前仓有一定的危险

座椅下

部布置

座椅底下一般布置动力电池或者其管理系统等

整体结构强度减弱,座椅安全受到威胁

后备胎仓

此处用来布置车载充电器或者动力电池

减低了此处整体结构强度

碰撞安全

碰撞时要照顾动力电池和电气件安全

要考虑碰撞后的安全问题

目前来讲,主要的变化是低速电动车前舱内部布置部件的变化,相对于传统车身,动力总成所占用的空间较小,造成碰撞中假人胸部伤害指标较大。为保证碰撞安全效果,可以考虑加大变形吸能区的车辆吸能强度。

由于纯电动汽车的被动安全性在很大程度上取决于对动力蓄电池组的防护程度,因此纯电动汽车的车身除了需要对乘坐人员进行安全性保护外,更为重要的是对动力蓄电池组进行防护。

长远来讲,要持续性的保证低速电动车研发和技术产业化,很有必要进行全新平台的开发和整车结构的重新设计,用于保障整车安全性的要求。为了最大限度地防止车辆在碰撞时对动力电池组造成损伤,在设计、开发纯电动汽车的车身时最好采用多重防护结构。下图为日产Leaf的多重车身防护结构:

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关键点二:动力总成及动力蓄电池的布置形式

1.动力蓄电池布置在整车安全性最高的部位

蓄电池组安装的最安全部位在车架的两纵梁之间和后桥之前、前桥之后,在很大程度上可减轻或防止来自前、后、左和右方的碰撞造成的损伤。

比如FSV车的蓄电池组最初设计呈T字形,配置于后桥上在2个车轮之间和排气管通道之间。后经仿真碰撞试验证明电池组在碰撞时可能受损,于是将其改为I字形,置于排气管通道位置。从而满足了车架的“两纵梁之间和后桥之前、前桥之后”的要求,如下图所示。

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日产Leaf车的总体布置同样遵守了“蓄电池组安装在车架的两纵梁之间和后桥之前、前桥之后”这一原则,如下图所示。

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如果发生后撞,那么最先遭受撞击的是后保险杠-车架-备胎,其次是带车轮的后桥,冲击能量遭到很大削减后,才会传到蓄电池组。

2. 动力总成布置在有刚性骨架结构保护的位置

动力总成在车身中的安装部位和安装形式的最佳化,对于整车性能,特别是安全性具有要意义。比如日产Leaf车的E动力总成(包括驱动电机+5CVT金属带式无级变速器+蓄电池组管理系统BMS+高压绝缘屏蔽电力线束/电缆)就安装在一个副车架上,带铝合金压铸件外壳的逆变器则安装在驱动电机上方的骨架上,因而得到可靠防护。如下图所示:

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3. 动力电池放置位置最好与乘员舱隔离

乘客座舱最好与动力蓄电池组以钢板分离,这样可以更好的确保发生碰撞时乘客座舱内的乘员不与高压电力系统(包括动力蓄电池组)接触。日产Leaf就是把所有高压电力系统及系统中的各高压电部件均布置于车身底板下,同时保证当发生碰撞时,高压电力线束不被夹住。如下图所示:

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关键点三:动力电池的总成形式

动力蓄电池组就相当于传统内燃机汽车中的燃料,燃料需要容器——燃油箱,那么动力蓄电池组也同样需要容器。在传统汽车的总布置设计中,燃油箱在车身中的安装是有严格要求的:不论遭受来自哪个方向的撞击,只允许燃油箱旋转,绝不允许燃油箱变形。这一要求同样也适于纯电动汽车的动力蓄电池组总成(含动力蓄电池组Pack+动力蓄电池组支架+动力蓄电池组管理系统BMS+封装动力蓄电池组容器)。

日产leaf动力蓄电池组总成容器外形及结构如下图所示:

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Leaf车的动力蓄电池组及电力主线束和BMS电池组管理系统均安装在具有水密性的由钢板冲压制成的“蓄电池组容器”中,不仅能确保车辆发生碰撞时,动力蓄电池组、电力主线束和BMS系统不受损伤,而且可确保雨天行驶和一定深度的浅涉水行驶的安全性。

关键点四:接触保护及其他

1. 直接接触保护

乘员直接触及蓄电池组和其他高压电力系统的部件(包括DC/DC升压器、DC/AC逆变器、主线束/高压绝缘屏蔽电力电缆以及插接件)会导致触电,因此它们均需具有保护外套/障壁(包括橡胶绝缘、金属网屏障及塑料封闭外壳等)防护,避免乘员直接触及。最为重要的是上述保护装置不得在未使用工具的情况下被打开、拆开或移除。下图为聆风的维修插头设置:

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2. 防止碰撞二次事故的建议

使用锂电池的低速电动车和纯电动汽车一样,在碰撞后存在如下几点电气安全隐患,容易造成二次事故:电力系统的各部件高压绝缘防护罩、绝缘护套损坏,引起漏电使乘员直接或间接触电;动力蓄电池组碰伤或损坏,造成电池组内部短路或漏液而过热、发烟、失火,或是由于过充电造成过热,而发烟、着火。

从实际的碰撞试验结果分析来看,对低速电动车可提供以下布置建议:

(1) 动力电池箱尽可能布置在车辆碰撞的非变形吸能区域内,特别是容易产生爆炸、起火的锂离子电池,避免在碰撞中发生挤压变形。

(2) 动力电池箱的固定方式尽量采用与车身纵梁等稳固件连接,单体电池可以采用独立稳定的整体框架式结构进行固定。

(3) 线路的布置应尽量与车身非变形结构相连,同时加强髙压线的绝缘保护。

编者按:为凝聚新能源汽车行业的研究力量,发挥协作效应,第一电动网建立特约研究员机制,邀请行业知名专家、大牛作者作为特约研究员,集中多方智慧,深入探索新能源汽车政策、资本、技术、市场等领域,并定期推出【研究周报】,解析行业热点问题。

作者:冰封之城

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