电动汽车碰撞安全性的研究现状及发展趋势

1、电动汽车碰撞安全性的研究现状及发展趋势 学号：20104051姓名：孙 金 源 电动汽车碰撞安全性的研究现状及发展趋势摘要：随着电动汽车产业的发展，电动汽车的安全性也逐渐被社会所关注。本文针对电动汽车结构特点和特性，总结和分析了国内外电动汽车正面碰撞试验相应的电安全法规和标准，提出了电动汽车正面碰撞试验程序和评价方法。进行了电动汽车的实车正面碰撞试验，验证了试验程序和评价方法，比较和分析了原型车和电动汽车的碰撞试验结果，揭示电动汽车在正面碰撞形式下的碰撞特性，以及现行安全标准中存在的问题。关键字：电动汽车 碰撞 安全性前言：随着我国“十五”863 计划电动汽车重大专项课题的实施，我国在纯电动汽

2、车、混合动力汽车和燃料电池汽车等新能源环保汽车的开发力度正在由弱变强，我国拥有自主知识产权的新能源汽车动力系统技术平台正在逐步建立，通过整车集成配套技术的研发实现与传统汽车的技术对接，逐步向产业化延伸。汽车作为面向大众的消费品，对其安全性的要求国内外汽车制造商必须面对的现实问题。而电动汽车的一个重要特点就是车内装有高电压的动力回路，由数十块，甚至几百块储能单元（如单体电池）串联或者并联组成的储能系统（如动力电池组）的电压远远超过安全电压，所以相对传统汽车来说，电动汽车对碰撞安全性提出了新的更高要求一汽车碰撞国内外法规最早的汽车碰撞安全性法规诞生于60年代中期的美国4，在此之前，世界上并没有任何

3、对车辆的碰撞安全性能进行要求限制的法规，一些有关汽车碰撞安全性问题的研究主要是依赖于汽车生产厂家的自觉性及对公众的责任感。1965年，美国汽车工业部门拨款一千万美元给密西根大学建立公路交通安全研究所。4 1966年，设立了运输部，并颁布了公路安全法规和国家交通与汽车安全法规，其中的汽车安全法规即著名的FMVSS系列法规5，它提出了包括关于事故防止、伤害保护、伤害后的保护及其它用以帮助提高汽车碰撞安全性的规则。安全法规在美国取得的成功给其它国家带来了启示，紧随美国之后，欧洲、日本等汽车工业发达国家的政府部门也相继采取了类似的行动，取得的效果同样也是非常显著。法规中比较有代表性的是美国的联邦机动车

4、安全法规(FMVSS)和欧洲法规(ECE和EEC) 6，其他如日本、 加拿大、 澳大利亚等国家的法规基本上都是参考美国和欧洲的法规制定的。中国已于2000 年1月1日实施了“关于正面碰撞乘员保护的设计规则(CMVDR294)”， 规定从1999年10月以后新申请上目录的车辆必须满足该法规的要求。对于该法规在实施前已经在我国销售的达不到该法规要求的进口车辆，则取消进口许可。对于达不到法规要求的在生产车辆，要求 2002年7月1日前通过结构改造达到该法规要求，否则必须停止生产。二 国内外研究现状电动汽车的碰撞安全性问题是世界汽车工业长期以来而临的一大难题，国外对这一问题的研究已进行了将近一个世纪，

5、30年代即开始采用简单的实车碰撞试验，50年代之后发展了台车模拟碰撞试验，80年代以后发展了基于碰撞有限元理论的计算机仿真技术，目前国外在这一领域的相关研究大多采用这一技术8。1993年，英国交通研究实验室(Transportation Research Laboratory )对某一轿车的前撞进行了仿真计算，计算采用巨型机和OASYS-DYNA3D动态非线性有限元计算分析软件。整车模型由25000个变形单元组成，计算100 ms的车辆撞击响应过程，耗时30 cpu小时。计算得到了车辆撞击过程中的加速度变化曲线及车辆的撞击变形等9。1995年，美国Ford公司进行了轿车与护栏前撞的仿真计算。计

6、算采用CRAY C-90型巨型机和RADIOSS商用非线性有限元碰撞分析软件10。整车模型由31500个节点、30800个单元组成。单元类型包含有壳单元、实体单元、梁单元以及非线性弹簧单元等。计算得到了撞击时仪表板等侵入驾驶室的尺寸、车辆撞击变形及车辆中的乘员损伤情况。1989年，清华大学汽车系建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台并进行了一些探索性的车辆碰撞试验研究，取得了较好的效果，在国内汽车工业界造成了一定的影响11。随后，中国汽车技术研究中心(天津)、东风汽车工程研究院(襄樊)、交通部公路交通试验场(北京)以及湖南大学机械与汽车工程学院等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施，1997年5月，

7、清华大学汽车系裘新等人利用简化的车辆模型实现了某轻型车的前碰撞仿真模拟12。1998年10月，长春汽车研究所贾宏波等人完成了“红旗”牌轿车车身前碰撞的仿真计算。北京理工大学、同济大学、湖南大学等都相继完成了轿车车身或轿车整车的碰撞仿真研究工作。三电动汽车碰撞试验标准分析1.标准内容分析与比较电动汽车正面碰撞试验，除了应符合汽车正面碰撞乘员保护的标准要求，针对电动汽车结构特点和特性，还应符合相应的法规和标准。电动汽车国内外主要法规和标准是美国FMVSS 305、中国GB/T 18384.1-2001 和GB/T 19751-2005 以及欧洲ECE R100 等，但是欧洲ECE R100 主要是

8、对电动车辆结构和功能方面要求，对于碰撞试验方面没有详细规定和要求，所以我们主要研究分析中国和美国的标准。标准中存在的问题与解决方法可以看出，电动汽车碰撞试验在电解液泄漏和动力蓄电池保持位置等方面标准要求基本一致， 在绝缘电阻方面由于GB/T18384.1-2001 的标准制定较早，虽然没有要求，但是从碰撞安全角度看，碰撞试验后测量和评价绝缘电阻是必要的。对于防止短路和过电流断开装置方面的要求，虽然美国法规没有提及，但是对于在碰撞事故中防止乘员触电是非常有效的保护方式。然而，防止短路的要求比较简单，没有具体的评价指标。如果能测量电池电压包括单体电池电压碰撞试验前后的变化，作为评价指标，在试验中也

9、易于实施和操作。2 电动汽车碰撞试验程序和方法研究电动汽车碰撞试验不同于普通的汽车碰撞试验，在电动汽车碰撞试验中涉及各种类型的动力电池，以及动力电池在车辆中的布置位置，将直接影响动力电池在进行汽车碰撞试验过程中的危险性。如果电池箱受到撞击破坏，动力电池就有可能产生爆炸、起火，威胁试验人员和设备的安全。但是上述标准中均没有规定详细的试验程序和试验方法，为了保护人员和设备的安全，在电动汽车碰撞试验中制定详细的试验程序和方法是十分必要的。2.1 试验程序电动汽车碰撞试验要使电动汽车结构特点和特性与汽车正面碰撞试验程序相结合，构成一个完整的试验程序，主要包括下列三个方面内容。2.1.1 确定动力电池结

10、构特点和特性确定动力电池的类型和结构锂离子电池、锂聚合物电池、镍氢电池、铅酸电池、锌空气电池等、单体电池的数量和组合固定方式，动力电池在车辆上的安装位置和固定方式；确定动力总成（包括电动机、变速箱、车载充电机以及其它附属部件）在车辆中的安装位置和固定方式，测量和检查动力电池的荷电状态SOC 以及每个单体电池的电压。2.1.2 试验前车辆准备和试验设备配备排除车辆内所有液体包括制动液、洗涤液、变速箱润滑油、冷却水（水冷电动机）；混合动力电动汽车还应排除发动机润滑油和燃油箱中的燃料，并且在燃油箱中加入燃料箱注满时的燃料质量90%的水。安装车载记录仪和车身加速度传感器以及假人等碰撞试验测量装置。测量

11、绝缘电阻和电压的设备配备：电压测量器（内阻在10 M以上）、绝缘电阻计、标准电阻。红外测温仪，用于监测动力电池状态是否正常的试验设备25。安全防护用品的准备：绝缘手套和绝缘安全鞋，检验人员应至少配备一种绝缘防护用品，用于漏电防护。碰撞试验广场内，至少应配备8 只断氧型干粉灭火器瓶，防止动力电池在碰撞试验中发生着火。中和电解液的各种化学试剂的准备。2.1.3 碰撞试验后测量和异常情况处理1）碰撞试验后，立即收集试验车泄漏的液体或电解液，同时用红外测温仪监测动力电池箱的温度是否急剧上升，若温度急剧上升，则转入异常情况处理程序。2）利用电池管理系统或线排测量单体电池电压，并记录试验结果。若电压过低,

12、 则转入异常情况处理程序。3）配备了绝缘防护装备的试验人员，进行绝缘电阻的测量，记录结果。4）异常情况处理程序：由配备了绝缘防护装备的试验人员，迅速拆除关键测量仪器和设备假人和车载记录仪,试验车辆牵引出核心测试区, 其他试验人员使用灭火器随时准备灭火。2.2 试验方法对于不同类型的动力电池和在车辆上的安装位置，应采取表2（在下页）中相对应的试验方法和措施。3 电动汽车正面碰撞试验验证与分析3.1 A 型车动力电池和动力总成概述A 型车所使用的动力电池为锂离子电池，电池总电压288V。单体电池数量为80 只，单体电池容量和电压分别为50Ah、3.6V，采用独立固定整体框架结构方式固定，如图1 所

13、示。 图 1 A 型车单体电池的数量和类型动力电池箱分为前箱电池和后箱电池，分别安装在前排座椅和后排座椅的车身底部，处于正面碰撞的非吸能变形区域内并且位于车辆乘员舱的外部，如图2 所示。动力总成位于车辆前舱内部，主要由电动机、变速箱、车载充电机等及其附件构成，承载方式仍采用原型车（以下简称为B 型车）动力总成的搭载点，如图3 和图4 所示。 图 2 A 型车电池箱位置及固定方式 图 3 A 型车动力总成底部视图 图4 A 型车动力总成正面视图表2 试验方法列表电池类型安装位置试验方法应对措施铅酸电池（酸性电解液）车辆正面碰撞的非吸能变形区域使用原车电池进行试验。对于泄漏的电解液，使用苏打溶液进

14、行中和（每升水含50g 碳酸钠）。车辆正面碰撞的吸能变形区域内镍氢电池（碱性电解液）车辆正面碰撞的非吸能变形区域使用原车电池进行试验。电池荷电状态SOC 建议在50以下。对于泄漏的电解液，使用硼酸溶液进行中和（每升水含50g硼酸）。车辆正面碰撞的吸能变形区域内安装等质量的电池替代物，安装固定方式应与原车电池相同。检查替代物的变形情况，并予以记录。锂离子或锂聚合物电池车辆正面碰撞的非吸能变形区域使用原车电池进行试验。电池荷电状态SOC 建议在50以下。若发生起火，应使用断氧型干粉灭火或器进行灭火。车辆正面碰撞的吸能变形区域内安装等质量的电池替代物，安装固定方式应与原车电池相同检查替代物的变形情况

15、，并予以记录。4.计算机碰撞模拟在电动汽车开发中的应用。计算机碰撞模拟无论是在电动汽车开发初期的概念性设计阶段还是在开发中对结构和新材料碰撞性能的评价工作阶段都是十分重要的。在电动汽车开发初期, 电动汽车安全性概念设计阶段, 计算机碰撞模拟可用于研究总体布置方案和提出子系统和部件的性能要求。在电动汽车电池箱重达500-700这么大一个集中质量在车身上的布置方案, 必须引起设计者足够的重视。在概念级的整车模拟中, 可以只用一些主要结构部件建模, 对设计方案进行评价。通过模拟计算可以获得车身上各处的冲击加速度值。电池箱受到的加速度可用于电池箱结构设计的惯性载荷； 车身上的加速度可用于优化碰撞传感器

16、的位置。在电动汽车上, 要求安装惯性碰撞传感器。以用于在碰撞中切断高压系统的电路。在改装电动汽车的结构设计中, 计算机碰撞模拟可用于指导车身加强及电池箱固定等设计方案。对于专门开发的电动汽车, 为了控制整车质量, 正在研究使用轻质材料（如铝和复合材料）制造车身。这些新材料代替钢板制造的车身能减小质量, 但也使车身结构的力学性能更加复杂, 并且汽车设计中还很缺乏使用这些材料的经验。因此在开发中使用计算机碰撞模拟是很有必要的。汽车碰撞模拟技术在设计中应用的主要障碍是开发一个整车碰撞模拟模型的开销太大。一个整车有限元模型从开始建模到完成试验验证大约需要9-14个月。这么长的时间限制了它在内燃机汽车开

17、发中的实用性, 当然更不适用于电动汽车的开发。作为实用的电动汽车碰撞模拟技术, 要求初始模型能在8-12周内建成一个设计方案的修改、预测最好能在24-36h内完成7。由于电动汽车工业相对较新, 在前期开发工作中很少有试验数据能用于验证电动汽车碰撞性能的模拟模型。为了能以最快速度开发出一个精确的电动汽车碰撞模拟模型, 目前采用的方法是：A开发一个内燃机汽车的整车碰撞模拟模型.B用实车碰撞试验数据修改并验证模型.C把验证后的模型修改成电动汽车的基本设计配置.D完成电动汽车碰撞模拟参数的研究。用该模型优化电动汽车结构, 使乘员室侵人最小, 尽量缓和.冲击, 并确保碰撞中电池箱的完整性.E制造电动汽车

18、样车, 通过碰撞试验修改和验证电动汽车碰撞模拟模型.F 使用验证后的模型分析各种碰撞形态下的碰撞特性, 并修改设计。.轿车的车身结构比较复杂, 现在的有限元碰撞模拟软件虽然能够真实地模拟整车的碰撞过程, 但为了使模拟模型具有实用价值, 对模型做合理的简化是必要的。要搞清楚哪些部件在碰撞中需要仔细地描述大变形, 哪些部件仅包含刚体运动。一种有效的方法是先建立一个几何精度很高的初始模型, 但把其中大部分的材料特性都设置成刚体, 而后在优化模型时按需要逐步把必要的部件由刚体变成变形体。这样开发出来的模型计算时间最短, 在大量的设计方案评价中比较实用。5.我国的电动汽车开发在内燃机轿车发展中, 我国走

19、的是引进和大批量生产的道路。现在还没有完全形成独立开发轿车整车的能力。在汽车安全方面, 由于没有实施实车碰撞试验标准, 汽车整车安全性能的评价和安全车身开发技术都还处于研究阶段。计算机碰撞模拟技术作为一项有前途的新技术, 已引起汽车行业的注视。几个著名的软件如 LS-DYNA3D,MSC-DYTRAN和MADYMO等已在国内使用。但在内燃机汽车设计中, 我国现有轿车车型多为引进国外的成熟车型,对计算机碰撞模拟技术的需求并不迫切。政府对电动汽车开发很重视。在“ 九五”期间, 电动汽车的总体目标是到2000年要研制出具有中国特色的达到国际上90年代水平的电动汽车（概念车） , 并为在21世纪产业化

20、准备条件。概念车的生命力在于技术创新。作为21 世纪的电动汽车必须注重安全性。我国电动汽车的开发, 不应该再走引进产品和大批量生产的道路。目前国外的电动汽车还都是小批量生产的试探性车型。随着电动汽车核心技术的突破, 势必要改变电动汽车的结构形式。如果不掌握关键的设计技术, 不形成独立开发的能力, 靠引进国外的电动汽车车型来生产电动汽车是行不通的。基于电动汽车开发的特点, 我国电动汽车开发研究工作应以提高自主开发能力为主, 并通过电动汽车开发带动汽车安全车身开发、轻型车身材料等技术的发展, 跟踪国外新技术, 走技术创新之路。6 解决汽车碰撞安全性问题的发展趋势车辆建模技术水平直接关系着安全性研究

21、,更贴近实际运行工况的混合建模技术是车辆建模的发展方向,优化数值模拟计算从而提高仿真运算速度是汽车碰撞仿真技术发展的核心。先进的计算机技术的不断发展,将来可以利用商品化有限元软件结合并行有限元方法和并行计算技术及多个CPU 并行处理大规模动态非线性复杂问题。发展新的人体模型技术、探索新的算法、研究降解积分新技术,将逐步成为汽车碰撞仿真研究的主题。汽车碰撞仿真研究将是汽车被动安全研究的热点之一,其中安全车身的研究将成为富有挑战性的课题。实际科研开发中成员防护系统研究有待深化。在汽车碰撞保护方面,目前很多采用可毁车身吸能缓冲技术来提高汽车碰撞保护性能,但是由于尺寸和空间有限,可毁车身吸能能力很难有

22、质的发展,即使目前正在着重利用提高单位塑性变形消耗能量的方法提高可塑性车身的吸能能力,但仍难以提升汽车碰撞防护等级,而且使人们回到纯刚性车身的老路。29 随着货车大型化、重型化和高速化及轿车微型化、轻型化和节能化的发展,汽车碰撞保护已不能靠简单的毁坏车身来简单完成,创新才是解决问题的根本。平头型汽车具有吸能缓冲能力,可抵抗更重量级的冲击,成为本世纪汽车碰撞保护发展的方向之一。7 结语当前交通安全越来越被社会关注,从事汽车安全研究的科研人员也越来越多,为了尽量避免盲目研究,本文对目前电动汽车碰撞安全性研究现状加以论述,并阐述了研究趋势。电动汽车碰撞安全性研究还有很长的路要走,但挖掘现有的技术潜力

23、是有限的,开创新的技术才是解决汽车碰撞安全性的根本。参考文献1佐藤武主编，吴关昌等译.汽车的安全M.北京:机械工业出版社，1988: 54-59.2钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法J.汽车工程.1994:13(1):24-26.3朱西产，钟荣华.薄壁直梁件碰撞性能计算机仿真方法的研究J.汽车工程2000,22(2):85-89.4刘凤梧等.微型客车针对正面碰撞法规的系统改进设计J.汽车技术2002(9)：71-75.5钟志华，李光耀.薄板冲压成型过程的计算机仿真与应用M.北京:北京理工大学出版社，1998：25-29.6凯墨尔著.陈砺志译.现代汽车结构分析M.北京:人民交通出版社.1987：7

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