新能源电动汽车碰撞与自燃对策

祝艺无忧

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目前，为了降低环境污染，各国都大力发展新能源汽车，提出了禁止销售燃油汽车时间表，我国和大多数国家一样，将在十年内燃油汽车退出市场。
国内新能源汽车发展迅速，目前保有量已达到381万辆，占全球新能源汽车保有量的50%以上。由于国家新能源汽车补贴利益驱使，众多新能源汽车公司，像雨后春笋一样，迅速发展，已接近100家，良莠不齐，大浪淘沙，好的发展，差的将被淘汰。被淘汰的关键致命问题，是着火问题，哪家新能源汽车着火多，不安全，市场难接受，就将面临破产。
实际美国特斯拉新能源电动汽车也着火，从2013年以来，发生很多着火燃烧事故，已知道的就有数十起之多。
我国新能源汽车碰撞着火、自燃等事故频发，仅2018年就发生51起新能源汽车着火事故，最严重的是北京鹭岛一次烧毁80余辆新能源大巴士汽车，直接经济损失超亿元。
由于频发的新能源汽车碰撞着火、自燃事故，使人们对新能源汽车的安全问题失去信心，严重阻碍新能源汽车的发展。因此，要发展新能源汽车，必须解决新能源汽车碰撞着火和自燃问题。
1、新能源电动汽车着火原因分析
1.1 碰撞燃烧
新能源电动汽车遭受高速碰撞时，电池包遭受强力冲撞，汽车变形导致电池包挤压变形，电池组块相互挤压、叠落，损伤破裂与短路，引起着火、甚至爆炸，全车烧毁（图1.为特斯拉碰撞燃烧）。
图1. 特斯拉汽车碰撞着火
1.2 汽车行驶自燃原因
新能源汽车的电池包在汽车底部，行驶过程中若撞击障碍物或受到运动物体撞击，行驶过程中受到强力颠簸等，都会使电池接头松动、损坏短路，或漏液体导致电池短路；
若汽车行驶过程中通过深水，或电池包进水，被水浸泡等，也会造成电池短路着火。
1.3汽车充电着火原因
新能源电动汽车出厂前，电池组块间连接紧固，接触电阻很小，电池液体没有渗漏，充电没有导致着火。
新能源汽车行驶过程中，电池包遭受碰撞或强力振动、颠簸的。可能导致电池接头松动，充电时电阻过大，导致过热，造成短路自燃；
也可能行驶过程中电池包遭受碰撞或强力颠簸，导致电池液渗漏，在充电时渗出的电池液积累到可以导电了，引起短路自燃；
1.4 汽车停放着火原因
新能源汽车也屡屡发生在车库、停车场自燃事故，自燃原因可能是，新能源电动汽车在行驶过程中，电池包可能遭受碰撞或强力颠簸，导致电池接头松动，电解液缓慢渗漏，在停车以后，漏出的电解液逐渐增多，达到导电后造成短路自燃。
1.5 电池包防撞防烧的对策
根据上述碰撞着火和自燃分析结果，新能源电动汽车电池包防撞防烧对策应该如下：
1）建立电池包的高强保护伞， 一般电池包都在汽车纵梁下部，高强度纵梁是电池包的保护伞；
2）能够吸收碰撞动能的防撞梁和保险杠，可以减少或消除碰撞时对电池包的冲击，保护电池包安全；
3）能够减少或消除对电池组的碰撞力，能够减小振动、颠簸对电池组的影响的电池托盘，能够增加电池的安全性，减少或避免自燃事故的发生。
2.建立新能源汽车电池保护伞
为了抓住发展新能源汽车的机遇，以及政府补贴的利益驱动，一些企业购买将燃油汽车车身，安装电池包和电力驱动系统，就快速的发展成新能源汽车。燃油汽车主要有两种车身结构。
2.1日韩系车身结构
日韩系车身结构如图2所示，纵梁上粉色部分为低强度结构，时速15Km/h以上碰撞时，低强度部分弯曲变形，导致引擎部分（图3）车身变形，吸收撞击动能，以利保护车厢内乘员。

图2.日韩系纵梁结构

图3. 日韩系车碰撞后
采用日韩系车身结构的新能源汽车碰撞时，纵梁毁坏，对纵梁下面的电池包不起保护作用，电池包必然撞毁，电池组块跌压在一起，造成短路，甚至爆炸。
2.2 欧美系车身结构
欧美系车身的纵梁上没有低强度结构，都采用高强度纵梁和立柱（图4），在碰撞时，在电池包上部起到支撑保护作用，减少电池包内电池组块叠压、短路的可能性。
图4.欧美系车身结构
2.3理想的新能源汽车车身结构
欧美系车身结构的汽车高速碰撞时也车毁，人受伤害。新能源汽车高速碰撞时电池包也着火、爆炸，因为这种结构汽车没有较强的释放碰撞动能的能力。
理想的新能源汽车应该采用高强度车身，还要有吸收和释放撞击动能的能力，才能在遭受碰撞时保护电池包。
泡沫铝防撞梁具有高吸能性，可以全部释放碰撞动能，消除反作用力，保护电池包，保护汽车，保护人安全。
3、泡沫铝防撞梁
3.1目前汽车的防撞能力
目前汽车的防撞梁与吸能盒如图5所示，在发生低速碰撞时(一般为15km/h以下)，防撞梁可以避免撞击力对车身前后纵梁的损害。而对于时速为15km/h以上，以致50km/h以上碰撞时不起防护作用。原因是，低速吸能盒的吸能能力仅为1.2KJ～17KJ，而 50km/h时速碰撞时产生的动能为200KJ左右，无能为力。

图5. 普通防撞梁与低速吸能盒
3.2泡沫铝防撞梁的作用
泡沫铝防撞梁的作用就像大棉花包一样，具有很强的吸能功能，给汽车安装泡沫铝防撞梁，就好像汽车带个大棉花包再与墙体碰撞时（图5），棉花包吸收全部碰撞动能，消除反作用力，汽车安全，人安全。

图5. 汽车带棉花包碰撞
有泡沫铝防撞梁，车身纵梁不变形，电池包不短路着火，减少人员死伤率；
没有泡沫铝防撞梁汽车以50Km/h速度碰撞墙壁时，人首先遭受从50Km/h减到零时的减加速度，汽车撞墙后在反作用力驱动下反向加速运动，人再遭受一个加速度，人遭受两个加速度之和。
有泡沫铝防撞梁消除了反作用力，汽车不再反向运动，人只遭受一个从50Km/h减到零时的减加速度。
3.3 轿车泡沫铝防撞梁结构
轿车泡沫铝防撞梁[1]结构如图6所示，背板为3mm厚度锰钢板，垂直高度130mm，水平厚度150mm。表面或层间复合玻纤织布。压缩强度5～10Mpa；抗撕裂强度> 300Mpa。吸能量为400KJ左右，是50Km/h速度撞击动能的2倍。
泡沫铝防撞梁与普通防撞梁的性价比见表1。

图6.泡沫铝/玻纤复合防撞梁结构
表1. 泡沫铝防撞梁与普通防撞梁的性价比见

3.4  校车、巴士、商务车用泡沫铝防撞梁
由于校车、面包车、商务车等质量较大，撞击动能大，采用泡沫铝充填铝管吸能柱制作，直接安装在槽钢式纵梁端部。这种防撞梁结构如图7所示[2]，将泡沫铝圆棒充填￠100mm铝管中，然后切割成长度为150mm的圆柱体，将圆柱黏贴在锰钢背板上，外罩0.5mm厚度的铝板。长度为1.1m～1.3m，水平厚度为150mm，垂直高度为185mm作用，另一面焊接法兰盘，以供与纵梁连接。

图7. 校车等用泡沫铝防撞梁结构
4.泡沫铝电池包托盘
4.1电池包托盘现状
目前电动汽车一般采用铸钢、铸铝、塑料电池包托盘，如图8。这样的电池包托盘没有吸能防撞功能，没有减震功能，没有抑制颠簸性能。频发的事故表明，使用这样的电池包托盘的电池包不安全。理想的安全电池包托盘应该具有吸能防撞、减震抑制颠簸、阻尼振动的功能。
图8. 铸钢电池包托盘
4.2 德国泡沫铝电池包箱
德国弗朗霍夫研究所开发了泡沫铝电池包箱 ，采用粉末冶金法制造，耐压强度为4Mpa～8Mpa。特斯拉新能源汽车和奥迪新能源汽车等已经开始使用德国泡沫铝电池包箱。

图9. 德国泡沫铝电池包箱托盘
德国进行了泡沫铝电池包箱与普通电池包箱对比试验。
a、对特斯拉新能源电动车底部碰撞试验，一个拖挂球头重量：1.368Kg，球头球头+悬挂装置重量：2.060Kg，以70Km/h速度撞击特斯拉汽车底部导致起火燃烧，见图10。
b、对泡沫铝电池包箱碰撞试验
用与上述试验同样重量的球头，1.368Kg，球头球头+悬挂装置重量：2.060Kg，以70Km/h速度撞击泡沫铝电池包箱，电池包安全。
用1.368Kg球头从10m高度，自由落体撞击泡沫铝电池包箱，电池包也安全。
图10. 被撞特斯拉汽车着火
4.3 中国泡沫铝电池包托盘（箱）
采用泡沫铝板/铝板夹芯板制作泡沫铝电池包托盘[3]（图11），泡沫铝孔气均匀，强度高，吸能防撞和减震效果好，造价低，为德国造价的50%左右。泡沫铝电池包托盘与铸钢（铝）托盘性价比见表2。
表2. 泡沫铝电池包托盘与铸钢（铝）托盘性价比

由表2中数据可知，泡沫铝托盘与钢托盘相比，可以使撞击力减少86%，振动振幅降低66%，比铸钢、铸铝托盘自燃率降低80%以上，也有可能降低100%。而成本并不高于铸铝或者焊接铝托盘。

图11. 国产泡沫铝电池包托盘
5. 结论
1）新能源电动汽车不适宜采用可溃缩的日韩系车身结构，这种结构不能为电池包形成有力的保护伞。
2）目前汽车的钢（铝）防撞梁和低速吸能盒只能对15Km/h速度以下的碰撞起防护作用，对更高速度碰撞无能为力。同样，对新能源电动汽车也一样。
3）泡沫铝防撞梁吸能量为400KJ左右，是轿车50Km/h速度碰撞动能的2倍，可以完全吸收碰撞动能，消除反作用力，保护电池包安全。由于不使用气囊了，造车成本每台降低4000元～5000元。
4）目前铸钢、铸铝电池包不具有吸能防撞功能，也不具有抑制振动能力，不能起到保护电池组的作用。
5）泡沫铝电池包托盘与铸钢、铸铝托盘相比，可以使撞击力对内部电池组作用力减少85%以上，使电池组遭受的振动振幅降低65%以上，自燃率降低80%以上。而成本并不高于铸铝或焊铝托盘。











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