新能源電動(dòng)汽車被動(dòng)安全性能措施探討

摘 要：新能源電動(dòng)汽車的被動(dòng)安全性能面臨車身輕量化與高強(qiáng)度需求矛盾、高壓系統(tǒng)防護(hù)復(fù)雜性及新型碰撞工況適配性三大挑戰(zhàn)。文章通過(guò)分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、碰撞能量分配及乘員約束系統(tǒng)升級(jí)等應(yīng)對(duì)措施，結(jié)合某車型的創(chuàng)新實(shí)踐，揭示了其在高強(qiáng)度材料應(yīng)用、多級(jí)吸能結(jié)構(gòu)及智能安全配置方面的技術(shù)突破。該車型在碰撞測(cè)試中展現(xiàn)的乘員保護(hù)效果，驗(yàn)證了綜合安全設(shè)計(jì)在平衡輕量化與防護(hù)效能方面的可行性，為行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：新能源 電動(dòng)汽車 被動(dòng)安全 安全性能

隨著新能源電動(dòng)汽車市場(chǎng)快速發(fā)展，其被動(dòng)安全性能面臨傳統(tǒng)燃油車未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。車身結(jié)構(gòu)輕量化需求與碰撞防護(hù)強(qiáng)度間的矛盾、高壓電氣系統(tǒng)的安全隔離難題，以及新型質(zhì)量分布引發(fā)的碰撞動(dòng)力學(xué)變化，均對(duì)安全設(shè)計(jì)提出更高要求。文章系統(tǒng)梳理新能源電動(dòng)汽車被動(dòng)安全的核心挑戰(zhàn)，并以某車型為例，探討其在車身結(jié)構(gòu)、能量吸收及乘員保護(hù)方面的創(chuàng)新方案，旨在為行業(yè)技術(shù)迭代提供理論支持與實(shí)踐啟示。

1 新能源電動(dòng)汽車被動(dòng)安全性能面臨的挑戰(zhàn)

1.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕量化之間的矛盾

新能源電動(dòng)汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在被動(dòng)安全性能上面臨著輕量化與高強(qiáng)度需求之間的深層次矛盾。

1.1.1 電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊需求

與傳統(tǒng)燃油車相比，電動(dòng)汽車由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的根本性改變，需要在有限的車身空間內(nèi)重新規(guī)劃力學(xué)傳遞路徑。動(dòng)力系統(tǒng)的集成化布局導(dǎo)致前艙吸能區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，傳統(tǒng)縱梁的潰縮吸能機(jī)制需要針對(duì)電機(jī)和電控單元的位置進(jìn)行適應(yīng)性重構(gòu)。這種重構(gòu)既要滿足碰撞過(guò)程中能量的有效吸收，又要確保動(dòng)力總成的穩(wěn)固性，這對(duì)材料的屈服強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化提出了更高要求。

1.1.2 輕量化材料帶來(lái)的挑戰(zhàn)

輕量化作為提升續(xù)航里程的重要手段，促使車企廣泛采用鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等新型材料。然而這些材料的塑性變形特性與鋼材存在本質(zhì)差異，在碰撞過(guò)程中可能表現(xiàn)出非線性的失效模式。例如，鋁合金的比強(qiáng)度雖高，但其延展性相對(duì)較低，在劇烈碰撞時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致吸能效率下降；復(fù)合材料的各向異性特征則對(duì)碰撞力的傳遞方向更為敏感，需要突破傳統(tǒng)均質(zhì)材料的設(shè)計(jì)思維定式。

1.1.3 關(guān)鍵區(qū)域設(shè)計(jì)矛盾突出

如何在減輕重量的同時(shí)保證關(guān)鍵區(qū)域的剛性，成為車身工程師面臨的核心難題。這種矛盾在側(cè)面碰撞防護(hù)中尤為突出，薄壁化的輕量化設(shè)計(jì)要求與B柱抗侵入強(qiáng)度需求形成直接沖突，迫使設(shè)計(jì)者必須在材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)工程之間尋找微妙的平衡點(diǎn)。

1.2 高壓系統(tǒng)碰撞防護(hù)的復(fù)雜性

新能源電動(dòng)汽車特有的高壓電氣系統(tǒng)為被動(dòng)安全帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。

1.2.1 高壓系統(tǒng)安全隔離難題

當(dāng)車輛發(fā)生劇烈碰撞時(shí)，如何確保高達(dá)數(shù)百伏的電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的安全隔離，是傳統(tǒng)燃油車未曾涉及的技術(shù)領(lǐng)域。

1.2.2 高壓線束布置與防護(hù)矛盾

高壓線束的走向布置需要規(guī)避碰撞變形區(qū)，但受限于底盤空間的緊湊布局，往往不得不穿越潛在的潰縮區(qū)域。這種矛盾要求線束防護(hù)裝置既要具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度，又要保持柔韌性以避免斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 絕緣材料性能考驗(yàn)

絕緣材料的耐高溫性和抗沖擊性能在此過(guò)程中經(jīng)受著雙重考驗(yàn)，任何細(xì)微的破損都可能導(dǎo)致高壓電弧或短路事故。

1.2.4 電磁兼容性新隱患

動(dòng)力系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)題在碰撞場(chǎng)景下呈現(xiàn)出新的安全隱患。劇烈沖擊可能引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的異常位移，造成永磁體退磁或繞組絕緣失效。電控單元的瞬間過(guò)載保護(hù)機(jī)制需要與物理碰撞事件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)協(xié)同，這對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和冗余設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)苛要求。

1.2.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)安全問(wèn)題

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的固定支架在碰撞載荷下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性直接影響著動(dòng)力總成的位移軌跡，不當(dāng)?shù)奈灰瓶赡軘D壓乘員艙空間或破壞高壓部件的密封性。這種機(jī)電耦合的安全問(wèn)題需要建立跨學(xué)科的防護(hù)體系，將機(jī)械結(jié)構(gòu)安全與電氣系統(tǒng)安全納入統(tǒng)一的設(shè)計(jì)框架。

1.3 新型碰撞工況下的乘員保護(hù)適配性

電動(dòng)汽車特有的質(zhì)量分布特征改變了傳統(tǒng)碰撞動(dòng)力學(xué)規(guī)律，這對(duì)被動(dòng)安全系統(tǒng)的適配性提出了新要求。

1.3.1 質(zhì)量分布對(duì)碰撞動(dòng)力學(xué)的影響

（1）重心與動(dòng)能變化：由于底盤集中布置的儲(chǔ)能系統(tǒng)顯著降低了車輛重心，在正面碰撞中雖然減少了俯仰運(yùn)動(dòng)，但更高的整備質(zhì)量導(dǎo)致碰撞動(dòng)能同比增加，這種能量級(jí)的躍升使得傳統(tǒng)吸能結(jié)構(gòu)的效率面臨瓶頸，前縱梁的壓潰變形需要更精確的漸進(jìn)式折疊控制。（2）碰撞力傳遞與結(jié)構(gòu)變形：質(zhì)量分布的改變影響著碰撞力的傳遞路徑，可能導(dǎo)致車身骨架出現(xiàn)非對(duì)稱變形模式，這對(duì)碰撞傳感器的布局策略和約束系統(tǒng)的觸發(fā)邏輯提出了革新需求。

1.3.2 新型事故形態(tài)帶來(lái)的挑戰(zhàn)

側(cè)面柱碰和底部刮擦等新型事故形態(tài)的出現(xiàn)，暴露出傳統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的盲區(qū)。底部防護(hù)板在應(yīng)對(duì)路緣石沖擊時(shí)，既要保證足夠的抗穿透性，又要避免過(guò)度剛性導(dǎo)致沖擊能量向乘員艙傳遞。

1.3.3 附加設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響

車頂強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)雖然已經(jīng)提升，但電動(dòng)車頂部的太陽(yáng)能板或激光雷達(dá)等附加設(shè)備，可能形成局部應(yīng)力集中點(diǎn)，影響整體結(jié)構(gòu)的完整性。

1.3.4 安全系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的變化

安全帶預(yù)緊裝置與氣囊展開時(shí)序的協(xié)調(diào)控制也需要重新標(biāo)定，以適配電動(dòng)車更快的碰撞減速曲線。這些變化要求被動(dòng)安全系統(tǒng)從單一事故防護(hù)向多場(chǎng)景自適應(yīng)保護(hù)方向演進(jìn)，形成動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)的安全防護(hù)體系。

2 新能源電動(dòng)汽車被動(dòng)安全性能措施——以某車型為例

2.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新能源電動(dòng)汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保障被動(dòng)安全性能的核心基礎(chǔ)，其與傳統(tǒng)燃油車不同，電動(dòng)汽車因動(dòng)力電池布置在底盤區(qū)域，需在輕量化與高強(qiáng)度之間取得平衡，同時(shí)確保碰撞時(shí)乘員艙的完整性。

案例：某車型車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全體現(xiàn)。

車身整體設(shè)計(jì)：該車型作為新能源領(lǐng)域的代表車型，其車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便充分體現(xiàn)了這理念。通過(guò)高強(qiáng)度材料應(yīng)用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功實(shí)現(xiàn)了全球五星安全標(biāo)準(zhǔn)。其中，該車型主要采用的是“籠式車身”設(shè)計(jì)理念，這個(gè)理念使其整車高強(qiáng)度鋼占比以及熱成型鋼占比達(dá)都大幅度的提高。其中，A柱、B柱、門檻梁等關(guān)鍵部位使用1500MPa熱成型鋼，其可承受超過(guò)10噸的靜態(tài)壓力，確保在側(cè)面碰撞或翻滾事故中乘員艙不變形[3]。例如，在奇瑞進(jìn)行的“7車疊壓”極限測(cè)試中，位于底部的該車型承受了相當(dāng)于4頭成年大象的重量（約10噸），車身結(jié)構(gòu)仍無(wú)明顯變形，驗(yàn)證了其抗壓能力。

電池安全設(shè)計(jì)：針對(duì)電池安全，該車型的底盤區(qū)域采用雙層高強(qiáng)度鋼板包裹電池包，形成“鎧甲電池包”結(jié)構(gòu)，其中電池包外殼厚度達(dá)2.8mm，內(nèi)部采用目字形防撞梁設(shè)計(jì)，吸能盒寬度達(dá)170mm，可吸收碰撞能量的60%以上；同時(shí)，通過(guò)IP68級(jí)防水防塵設(shè)計(jì)，確保電池在涉水或泥濘路況下的安全性；除此以外，車身縱梁采用多路徑傳力設(shè)計(jì)，在正面碰撞時(shí)能將沖擊力分散至車頂和地板，減少對(duì)電池包的直接沖擊。

最終通過(guò)上述設(shè)計(jì)，該車型在C-NCAP碰撞測(cè)試中得分五星，正面碰撞得分率高達(dá)95%，側(cè)面碰撞得分率92%，遠(yuǎn)超同級(jí)車型平均水平。

2.2 碰撞能量吸收設(shè)計(jì)

新能源電動(dòng)汽車的碰撞能量吸收設(shè)計(jì)需兼顧車身潰縮與電池防護(hù)的雙重需求，其中該車型通過(guò)前艙吸能結(jié)構(gòu)、電池包緩沖層及多級(jí)潰縮機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了碰撞能量的高效吸收與分配。

（1）前艙吸能設(shè)計(jì)：該車型的前防撞梁采用鋁合金材質(zhì)，厚度為2.8mm，后方連接140mm寬的目字形吸能盒，其在64km/h的正面碰撞中，前艙可潰縮長(zhǎng)度達(dá)400mm，吸收約70%的碰撞能量，剩余能量通過(guò)縱梁傳遞至車身底部和A柱，避免直接沖擊乘員艙[4]。例如，在奇瑞官方進(jìn)行的50km/h剛性壁障碰撞測(cè)試中，前艙變形可控，電池包未發(fā)生位移，高壓線路完好無(wú)損。

（2）電池包緩沖層設(shè)計(jì)：該車型的電池包與車身之間設(shè)置了蜂窩狀鋁制緩沖層，厚度為15mm，可吸收側(cè)向碰撞能量的30%。與此同時(shí)電池包內(nèi)部電芯還采用獨(dú)立防火隔艙設(shè)計(jì)，每個(gè)電芯周圍填充陶瓷纖維隔熱材料，即便單個(gè)電芯短路，也能阻隔熱失控?cái)U(kuò)散。

（3）多級(jí)潰縮機(jī)制：在側(cè)面柱碰測(cè)試中，車身B柱內(nèi)側(cè)增設(shè)了高韌性復(fù)合材料襯板，與外部熱成型鋼形成“剛?cè)峤Y(jié)合”結(jié)構(gòu)，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，襯板首先發(fā)生形變吸收能量，外部鋼架則維持結(jié)構(gòu)完整性，最終侵入量控制在150mm以內(nèi)，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的200mm。

最終實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，該車型在50km/h

側(cè)面柱碰中，電池包電壓在碰撞后2毫秒內(nèi)切斷，未發(fā)生電解液泄漏或冒煙現(xiàn)象，驗(yàn)證了其能量吸收設(shè)計(jì)的有效性。

2.3 乘員約束系統(tǒng)

乘員約束系統(tǒng)是減少碰撞中二次傷害的關(guān)鍵。該車型通過(guò)多氣囊聯(lián)動(dòng)、預(yù)緊式安全帶及智能座椅設(shè)計(jì)，成功構(gòu)建出全方位的乘員保護(hù)體系。

（1）在氣囊系統(tǒng)方面，該車型配備同級(jí)獨(dú)有的9個(gè)氣囊系統(tǒng)，包括主副駕駛氣囊、側(cè)氣囊、貫穿式側(cè)氣簾、二排側(cè)氣囊及主駕駛膝部氣囊。側(cè)氣簾展開長(zhǎng)度達(dá)2.5m，覆蓋前后三排座椅，保壓時(shí)間6秒，內(nèi)壓維持65%，防止乘員頭部與車窗玻璃直接接觸[5]。例如，在64km/h偏置碰撞中，氣囊在20毫秒內(nèi)完全展開，配合安全帶限力器將駕駛員胸部受力控制在4kN以內(nèi)（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為6kN）。

（2）在安全帶與座椅設(shè)計(jì)方面，其全系標(biāo)配預(yù)緊限力式安全帶，預(yù)緊量達(dá)80mm，可在碰撞初期消除安全帶松弛；限力值設(shè)定為4kN，避免勒傷乘員胸腔。副駕駛座椅配備主動(dòng)潰縮支架，碰撞時(shí)可向后移動(dòng)50mm，擴(kuò)大生存空間。除此以外，二排座椅內(nèi)置鋼制加強(qiáng)骨架，在追尾事故中可減少30%的頸部沖擊力68。

（3）最后在兒童保護(hù)設(shè)計(jì)方面，其ISOFIX兒童座椅接口采用的是高強(qiáng)度合金材質(zhì)，抗拉強(qiáng)度達(dá)1500MPa，并搭配二排座椅的兒童遺忘提醒功能，若鎖扣未正確安裝，系統(tǒng)將通過(guò)中控屏發(fā)出警報(bào)。

最終在C-NCAP測(cè)試中該車型得分五星且乘員保護(hù)得分率達(dá)94%，其中兒童座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試滿分，二排假人頭部傷害值（HIC）僅為650，遠(yuǎn)低于限值1000。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，新能源電動(dòng)汽車被動(dòng)安全性能的提升需兼顧材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)工程與電氣防護(hù)的多維度協(xié)同。某車型通過(guò)籠式車身設(shè)計(jì)、多級(jí)潰縮機(jī)制及智能約束系統(tǒng)，有效應(yīng)對(duì)了輕量化與安全性、高壓防護(hù)及新型碰撞場(chǎng)景的挑戰(zhàn)。其成功實(shí)踐表明，被動(dòng)安全設(shè)計(jì)需從全局視角整合跨學(xué)科技術(shù)，未來(lái)應(yīng)持續(xù)探索動(dòng)態(tài)自適應(yīng)防護(hù)體系，推動(dòng)電動(dòng)汽車安全性能向更高層級(jí)演進(jìn)。

基金項(xiàng)目：安徽省重大專項(xiàng)（202203f0

7020008）。

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