电动汽车和传统汽车在安全方面有哪些共性?又有哪些本质的不同?
我们花了上百年的时间终于熟知了传统汽车的安全法宝,知道通过IIHSNCAP等机构的评级,能获得比较客观的购车意见。但现在好似又回到了原点,目前还没有哪一家测试机构建立了完善的电动汽车安全性考核体系。未来的路还很长。
基于这样的大环境,了解纯电动汽车和传统汽车在安全方面有哪些共性,又有哪些本质的不同,确实如题主所问到的,很重要。
我们都在说汽车安全性,但其实都不系统。汽车安全性是指汽车在行驶中避免事故、保障行人和乘员安全的性能,一般分为主动安全、被动安全,事故后安全和生态安全。
汽车防止或减少道路交通事故的能力。包括视觉识别,驱动可操作性和刹车效率这几大块。现代理念中,还包括减轻驾驶员的疲劳,行人安全等。
减少事故伤亡的能力。包括白车身结构设计、安全保护装置等,和主动安全的区别在「碰撞预防性」上。
减轻事故后果的能力。包括快速消除事故后果的能力,同时避免新事故的发生。
发动机排气污染、汽车噪音和电磁波等,对人和环境的影响。
我们说主动安全配置,主要包括ABS(防抱死制动系统)、EBD(电子制动力分配系统)、ESP(电子稳定系统)、TCS(牵引力控制系统)、LDWS(车道偏离预警系统)、全景环视系统、BSW(盲点警示系统)、并线辅助系统、TPMS(胎压侦测系统)等。
绝大部分配置在纯电动汽车和传统汽车上没有差异,且各自的目的都是一样的。
TCS对汽车的稳定性有很大的帮助,目的是用来防滑。
不过严格来说,也有部分配置在工作机理上存在差异。比如TCS(牵引力控制系统),它在传统汽车上的控制模式包括ETCS和BTCS两种,像ETCS还要干预发动机工作。
纯电动汽车由于没有内燃机及其传动系统,自然是不会采用ETCS了。现在多采用的方案要么是BTCS,要么是控制电机输出转矩。前者因为存在执行机构系统复杂、成本高的缺点,正逐步淘汰。
所以主动安全这部分,纯电动汽车和传统汽车在主动安全配置的布局上差异不大,只是因为车型特点,一些功能的实现机理有所不同。这些机理不存在高低之分,只是适合与不适合之分。像TCS,如果不提,大家恐怕也不会觉得纯电动汽车的TCS和传统汽车有啥不同。
比如说安全气囊、安全带、头枕这些,都可以被列为被动安全配置。显然二者在这些上没有差异,区别还得在白车身结构设计上。
就一般乘用车来说,传统汽车多采用前置前驱布局,会配有标准的前舱、地板结构等等。像下图是某款传统车型的白车身图。
这类车身结构的爆炸图大家很少见到,因此我们再贴一张,方便大家了解白车身是怎样拼接的。就设计来说,我们更希望撞击能量能传递到地板上,在这里被吸收,所以能看到下图的地板结构有一些梁结构、加强板等。
再就是一些大家耳熟能闻的知识了,就传统汽车被动安全性而言,白车身讲究前后溃缩吸能,重点保护乘员舱安全性。这一点从上图的车身材料分布图就能看出,车头和车尾很难看到标红的超高强度钢。
所以有些时候,一些价格昂贵的车子前后区域被撞得很难看,我们还真不能说它的安全性不好。溃缩吸能,人身安全第一嘛。
而就结构设计来说,因为需要考虑排气系统以及四驱系统,车身地板会设计有中通道,坏处不用多说,好处还有可以增加车身刚性(特别是扭转刚度)。
相比于传统汽车,纯电动汽车的布局模式会更丰富一些,既有纯平的地板结构、也有保留传统车身结构,又或者像传统跑车才有的前储物舱出现在二十几万的纯电动车上也不稀奇。比如威马EX5就有一个行李箱大小的前储物舱。
而为什么电动汽车的布局多样,与电池和电机的布局有很大关系。
比如动力电池常见的就有板式和T型布局两种方式,板式布局要求地板做得极为平整,而T型布局则通过偷传统地板的空间来尽量保留原设计结构。如果再考虑到诸如燃料电池汽车这种车型,那还得再加上储气罐,结构自然更复杂了。
又或者纯电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转动轴传递的、电机的使用数量和布局方式也会改变前后部结构方式,等等。
了解了这些,那纯电动汽车的白车身被动安全设计和传统汽车会有所不同吗?
其实就整体思路来说,差别不大。都是希望在撞击能量传递到乘员舱之前吸收一部分,然后通过梁结构,尽可能多地把能量传递到地板。
这是因为纯电动汽车碰撞事故的后果有别于传统燃油车。纯电动汽车在碰撞时不仅仅会造成车体变形和乘员机械伤害,碰撞还可能引起高压系统短路、挤压等问题,从而发生漏电、燃烧等。
还记得此前ES8西安自燃事件吧?当时官方给到的解释是该车在送修前底盘曾遭受过严重撞击导致动力电池包外壳与冷却板大面积变形,电池包内部在被积压的状态下形成短路,最终引发火情。
所以纯电动汽车除了人身安全外,还需要考虑保护电气件。
拿Model3来说,车身主要由四种材料组成。下图是它的侧围爆炸图,可以看到在门栏梁处多了带有镂空结构的门栏内板加强梁,这一道特殊设计能起到强化抵抗碰撞的能力,而传统车身几乎不会采用这种结构。
不过从蔚来自燃事件能看出,即便做了强化处理,纯电动汽车的碰撞安全隐患也要高一些,所以如果是纯电动汽车被撞了,万不可掉以轻心。
最后针对白车身安全问题,再给大家介绍一个知识点。关于车身结构设计,我们经常能听到扭转刚度,它是决定车身的抗扭能力的重要指标,对安全性、舒适性有明显影响。
相比于传统汽车,纯电动汽车的扭转刚度会更大(特别是一大块电池包置于地板这种布局)。我们还是拿蔚来ES8来说,它的扭转刚度高达44140N·m/deg。
不过这组数据是来自白车身和电池包的结合。如果剔除电池包并采用常用的计算方法后,白车身的表现大概在21000N·m/deg水平。像途观L是19000N·m/deg,对比之下,其数据表现也就不那么惊人。我们肯定电池包和白车身合力后的优势,但这项指标在纯电动汽车上的优势明显是被放大了。
在主动安全和被动安全上,纯电动汽车和传统汽车没有特别本质的不同,反而共性很多。如果谁说纯电动汽车在传统的碰撞安全层面不过关,其实是为黑而黑,成熟的、先进的纯电动车身结构其实一点不比传统车身结构差,这一点在特斯拉身上已经被验证多次了。
当然话说回来,在一些细节层面,纯电动汽车确实是有所不同。一些改变我们没发觉,一些改变则是被夸大了。
受影视剧影响,不少人认为燃油车碰撞后会引发燃油箱爆炸。但其实发生的几率很小,这是因为汽油的爆炸极限为1.0%~6%(V/V),正常碰撞下,油箱内的含氧量明显不足,不会起爆。
其实如果是遇到撞击导致燃油泄露,也会因为汽油蒸汽浓度上不来,同样不容易爆炸。很多消防队已经对此做过演练,相信能打消大家疑虑。
除碰撞燃烧外,这些年各家都很关注ABC立柱的强度和撞击能量优化,使得逃生空间也维护得不错。所以我们可以说,传统汽车先天底子好(化学伤害、电伤害小),车身够强(这里是指逃生空间),事故后安全性整体不差。
相比于传统汽车,纯电动汽车在逃生空间上没有明显差异,问题主要集中在化学伤害和电伤害上。纯电动汽车受碰撞时,不仅仅会造成车体变形和乘员机械伤害,还可能引起高压系统的蹿动、挤压、开裂、短路,从而发生漏电、爆炸、燃烧等,乘员就有可能受到化学伤害和电伤害等。
最为麻烦的是,这两个伤害还存在相互影响。我们知道当受到碰撞时,电池内部会因短路导致热量聚集,引发负极与电解液之间的强烈反应,然后内部气压以及温度急剧上升,最终引发起火甚至爆炸。
按理解可以使用灭火器扑灭,但对于电池这种产品,灭火器只能扑灭表面的火,电池内部仍然在发生着剧烈反应,容易导致复燃。为了解决这一问题,除了用灭火器扑灭明火外,还必须得用大量的水。
这也是为什么大家会发现电动汽车灭火现场会有大量的水积留,车子好似被水淹了的原因。如果到这一步,电伤害的风险就大了,而且基本预示着车子报废。
为预防这一系列问题,电动汽车应该对碰撞电安全要求十分严格。但下表是五大测试机构针对新能源汽车的现行测试标准,能看出还没有形成统一且独立于新能源汽车的准则。
做的比较好的反而是C-NCAP,2018版C-NCAP增加了纯电动汽车/混合动力电动汽车(带有B级电压电路)的试验程序和评价方法。
从新增的测试项目中,提到了触电保护、电压安全、电能安全、绝缘性能、电解液泄漏以及车载可充电储能系统(REESS)的测试要求。对于不符合电气安全要求的车辆,不进行星级的评定。
为了提升安全,优秀的电动汽车安全设计需要有碰撞断电装置。当车辆发生碰撞,动力电池管理器检测到碰撞信号大于一定阑值时,会切断高压系统主回路的电气连接,同时通知驱动电机控制器激活主动泄放,从而阻断短路危险。
我们拿长城Pi4平台设计来说,通过PSS点爆开关的设计,在碰撞发生后,HCU能在30ms内将高压主继电器断开,保证高压安全。除此之外,就不同的碰撞方式,Pi4还提供了不同的智能处理方式。
当然了,以上我们只是从碰撞安全角度讨论。如果我们把范围再扩大,它们的差别也就更多了。比如纯电动汽车的防尘防水要求更加严格,IEC(国际电工委员会)对纯电动汽车电池防尘防水的性能要求是需达到IP67等级。
进一步的,一些城市会出台自己的关于涉水试验标准,将此作为纯电动汽车准入政策的强制性标准。这其中以上海最为出名,他们出台了DB31T634-2012标准,并且是直接针对整车进行检查。
生态安全指的是发动机排气污染、电磁辐射和汽车噪音等,对人和环境的影响。
纯电动汽车不存在排气污染,但电池污染一直是老大难问题。关于宏观层面的电池污染处理我们今天不做多介绍,这方面已经有过大量报道。我们重点说说ELV,该标准已于2006年7月1日开始正式实施。
所谓ELV,是指由欧盟立法制定的一项强制性标准,全称是《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》。主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准,使之更加有利于人体健康及环境保护。纯电动汽车因为电子电器产品众多,ELV控制起来更麻烦。
ELV的全称是EndofLifeVehicle,是一项汽车报废指令
至于电池辐射,它最直接的伤害就是人体皮肤和黏膜组织,轻微的症状表现为眼睑肿胀、眼睛充血、鼻塞流涕、咽喉不适;严重的甚至会导致全身皮肤出现反复荨麻疹、湿疹、瘙痒等疾病。
因此,世界卫生组织对于电磁辐射的安全限额要求是100μT,中国也采用了这个标准。在电池辐射方面,可以说行业已经趋于成熟。像比亚迪在EMC电磁实验室就做过关于纯电动出租车的电磁辐射测试,纯电动出租车在工作情况下,电磁强度最高值仅为1.316μT。
此前也有机构测试过雷克萨斯CT200h混动,发现发动机全力为电池组充电时测到了最高辐射值1.4μT。对于电动汽车来说,在电池组充电时会释放比较大的电磁辐射,说明雷克萨斯CR200h混动控制得很不错。
最后就是汽车噪音问题了。电动车的加速模式通常被解释为坐电动汽车犯恶心胸闷的原因,但其实和电动汽车高转速啸叫也有关系。
传统燃油发动机的工作噪音主要处于中低频范围,集中在30~200Hz范围。而电动汽车的主要噪声为电磁力和齿轮啮合所导致高频啸叫声,因为其运转时转速很高,噪音上到1000Hz也不奇怪。
医学研究发现,人对高频的噪音的耐受度比较差。像我们常说听见金属刮玻璃的声音就头皮发麻,浑身起鸡皮疙瘩,就是因为高频噪音的影响。
这些理论说起来可能比较不易懂,但大家肯定体会过,在加速过程中,低速30-70km/h工况下电机啸叫「蝈蝈」声会比较明显,且加速过程中电机高频音显著,高速段尤为突出。电动汽车由于没有内燃机工作噪声的掩蔽,这些高频单调噪声在许多工况下会很显著。
总结来说,我们发现纯电动汽车和传统汽车在汽车安全上的异同点还挺多。在主/被动安全上,纯电动汽车有很多延续,只是在结构安全设计细节上有所不同。
而来到事故后安全和生态安全,我们发现二者有很大不同。传统汽车在此方面的维护已经成熟,安全性更强,纯电动汽车则因为技术发展原因和「基因」原因,不占优。这也警示我们,在购车时,要改变传统的购车思维,除关注我们常听说的主/被动安全能力,也要多关注下后两者的水平。
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