1、電動汽車碰撞安全性的研究現狀及發(fā)展趨勢 學號：20104051姓名：孫 金 源 電動汽車碰撞安全性的研究現狀及發(fā)展趨勢摘要：隨著電動汽車產業(yè)的發(fā)展，電動汽車的安全性也逐漸被社會所關注。本文針對電動汽車結構特點和特性，總結和分析了國內外電動汽車正面碰撞試驗相應的電安全法規(guī)和標準，提出了電動汽車正面碰撞試驗程序和評價方法。進行了電動汽車的實車正面碰撞試驗，驗證了試驗程序和評價方法，比較和分析了原型車和電動汽車的碰撞試驗結果，揭示電動汽車在正面碰撞形式下的碰撞特性，以及現行安全標準中存在的問題。關鍵字：電動汽車 碰撞 安全性前言：隨著我國“十五”863 計劃電動汽車重大專項課題的實施，我國在純電動汽

2、車、混合動力汽車和燃料電池汽車等新能源環(huán)保汽車的開發(fā)力度正在由弱變強，我國擁有自主知識產權的新能源汽車動力系統(tǒng)技術平臺正在逐步建立，通過整車集成配套技術的研發(fā)實現與傳統(tǒng)汽車的技術對接，逐步向產業(yè)化延伸。汽車作為面向大眾的消費品，對其安全性的要求國內外汽車制造商必須面對的現實問題。而電動汽車的一個重要特點就是車內裝有高電壓的動力回路，由數十塊，甚至幾百塊儲能單元（如單體電池）串聯(lián)或者并聯(lián)組成的儲能系統(tǒng)（如動力電池組）的電壓遠遠超過安全電壓，所以相對傳統(tǒng)汽車來說，電動汽車對碰撞安全性提出了新的更高要求一汽車碰撞國內外法規(guī)最早的汽車碰撞安全性法規(guī)誕生于60年代中期的美國4，在此之前，世界上并沒有任何

3、對車輛的碰撞安全性能進行要求限制的法規(guī)，一些有關汽車碰撞安全性問題的研究主要是依賴于汽車生產廠家的自覺性及對公眾的責任感。1965年，美國汽車工業(yè)部門撥款一千萬美元給密西根大學建立公路交通安全研究所。4 1966年，設立了運輸部，并頒布了公路安全法規(guī)和國家交通與汽車安全法規(guī)，其中的汽車安全法規(guī)即著名的FMVSS系列法規(guī)5，它提出了包括關于事故防止、傷害保護、傷害后的保護及其它用以幫助提高汽車碰撞安全性的規(guī)則。安全法規(guī)在美國取得的成功給其它國家?guī)砹藛⑹?，緊隨美國之后，歐洲、日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家的政府部門也相繼采取了類似的行動，取得的效果同樣也是非常顯著。法規(guī)中比較有代表性的是美國的聯(lián)邦機動車

4、安全法規(guī)(FMVSS)和歐洲法規(guī)(ECE和EEC) 6，其他如日本、 加拿大、 澳大利亞等國家的法規(guī)基本上都是參考美國和歐洲的法規(guī)制定的。中國已于2000 年1月1日實施了“關于正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則(CMVDR294)”， 規(guī)定從1999年10月以后新申請上目錄的車輛必須滿足該法規(guī)的要求。對于該法規(guī)在實施前已經在我國銷售的達不到該法規(guī)要求的進口車輛，則取消進口許可。對于達不到法規(guī)要求的在生產車輛，要求 2002年7月1日前通過結構改造達到該法規(guī)要求，否則必須停止生產。二 國內外研究現狀電動汽車的碰撞安全性問題是世界汽車工業(yè)長期以來而臨的一大難題，國外對這一問題的研究已進行了將近一個世紀，

5、30年代即開始采用簡單的實車碰撞試驗，50年代之后發(fā)展了臺車模擬碰撞試驗，80年代以后發(fā)展了基于碰撞有限元理論的計算機仿真技術，目前國外在這一領域的相關研究大多采用這一技術8。1993年，英國交通研究實驗室(Transportation Research Laboratory )對某一轎車的前撞進行了仿真計算，計算采用巨型機和OASYS-DYNA3D動態(tài)非線性有限元計算分析軟件。整車模型由25000個變形單元組成，計算100 ms的車輛撞擊響應過程，耗時30 cpu小時。計算得到了車輛撞擊過程中的加速度變化曲線及車輛的撞擊變形等9。1995年，美國Ford公司進行了轎車與護欄前撞的仿真計算。計

6、算采用CRAY C-90型巨型機和RADIOSS商用非線性有限元碰撞分析軟件10。整車模型由31500個節(jié)點、30800個單元組成。單元類型包含有殼單元、實體單元、梁單元以及非線性彈簧單元等。計算得到了撞擊時儀表板等侵入駕駛室的尺寸、車輛撞擊變形及車輛中的乘員損傷情況。1989年，清華大學汽車系建立了國內第一個簡易的實車碰撞試驗臺并進行了一些探索性的車輛碰撞試驗研究，取得了較好的效果，在國內汽車工業(yè)界造成了一定的影響11。隨后，中國汽車技術研究中心(天津)、東風汽車工程研究院(襄樊)、交通部公路交通試驗場(北京)以及湖南大學機械與汽車工程學院等單位也先后建立了汽車碰撞試驗設施，1997年5月，

7、清華大學汽車系裘新等人利用簡化的車輛模型實現了某輕型車的前碰撞仿真模擬12。1998年10月，長春汽車研究所賈宏波等人完成了“紅旗”牌轎車車身前碰撞的仿真計算。北京理工大學、同濟大學、湖南大學等都相繼完成了轎車車身或轎車整車的碰撞仿真研究工作。三電動汽車碰撞試驗標準分析1.標準內容分析與比較電動汽車正面碰撞試驗，除了應符合汽車正面碰撞乘員保護的標準要求，針對電動汽車結構特點和特性，還應符合相應的法規(guī)和標準。電動汽車國內外主要法規(guī)和標準是美國FMVSS 305、中國GB/T 18384.1-2001 和GB/T 19751-2005 以及歐洲ECE R100 等，但是歐洲ECE R100 主要是

8、對電動車輛結構和功能方面要求，對于碰撞試驗方面沒有詳細規(guī)定和要求，所以我們主要研究分析中國和美國的標準。標準中存在的問題與解決方法可以看出，電動汽車碰撞試驗在電解液泄漏和動力蓄電池保持位置等方面標準要求基本一致， 在絕緣電阻方面由于GB/T18384.1-2001 的標準制定較早，雖然沒有要求，但是從碰撞安全角度看，碰撞試驗后測量和評價絕緣電阻是必要的。對于防止短路和過電流斷開裝置方面的要求，雖然美國法規(guī)沒有提及，但是對于在碰撞事故中防止乘員觸電是非常有效的保護方式。然而，防止短路的要求比較簡單，沒有具體的評價指標。如果能測量電池電壓包括單體電池電壓碰撞試驗前后的變化，作為評價指標，在試驗中也

9、易于實施和操作。2 電動汽車碰撞試驗程序和方法研究電動汽車碰撞試驗不同于普通的汽車碰撞試驗，在電動汽車碰撞試驗中涉及各種類型的動力電池，以及動力電池在車輛中的布置位置，將直接影響動力電池在進行汽車碰撞試驗過程中的危險性。如果電池箱受到撞擊破壞，動力電池就有可能產生爆炸、起火，威脅試驗人員和設備的安全。但是上述標準中均沒有規(guī)定詳細的試驗程序和試驗方法，為了保護人員和設備的安全，在電動汽車碰撞試驗中制定詳細的試驗程序和方法是十分必要的。2.1 試驗程序電動汽車碰撞試驗要使電動汽車結構特點和特性與汽車正面碰撞試驗程序相結合，構成一個完整的試驗程序，主要包括下列三個方面內容。2.1.1 確定動力電池結

10、構特點和特性確定動力電池的類型和結構鋰離子電池、鋰聚合物電池、鎳氫電池、鉛酸電池、鋅空氣電池等、單體電池的數量和組合固定方式，動力電池在車輛上的安裝位置和固定方式；確定動力總成（包括電動機、變速箱、車載充電機以及其它附屬部件）在車輛中的安裝位置和固定方式，測量和檢查動力電池的荷電狀態(tài)SOC 以及每個單體電池的電壓。2.1.2 試驗前車輛準備和試驗設備配備排除車輛內所有液體包括制動液、洗滌液、變速箱潤滑油、冷卻水（水冷電動機）；混合動力電動汽車還應排除發(fā)動機潤滑油和燃油箱中的燃料，并且在燃油箱中加入燃料箱注滿時的燃料質量90%的水。安裝車載記錄儀和車身加速度傳感器以及假人等碰撞試驗測量裝置。測量

11、絕緣電阻和電壓的設備配備：電壓測量器（內阻在10 M以上）、絕緣電阻計、標準電阻。紅外測溫儀，用于監(jiān)測動力電池狀態(tài)是否正常的試驗設備25。安全防護用品的準備：絕緣手套和絕緣安全鞋，檢驗人員應至少配備一種絕緣防護用品，用于漏電防護。碰撞試驗廣場內，至少應配備8 只斷氧型干粉滅火器瓶，防止動力電池在碰撞試驗中發(fā)生著火。中和電解液的各種化學試劑的準備。2.1.3 碰撞試驗后測量和異常情況處理1）碰撞試驗后，立即收集試驗車泄漏的液體或電解液，同時用紅外測溫儀監(jiān)測動力電池箱的溫度是否急劇上升，若溫度急劇上升，則轉入異常情況處理程序。2）利用電池管理系統(tǒng)或線排測量單體電池電壓，并記錄試驗結果。若電壓過低,

12、 則轉入異常情況處理程序。3）配備了絕緣防護裝備的試驗人員，進行絕緣電阻的測量，記錄結果。4）異常情況處理程序：由配備了絕緣防護裝備的試驗人員，迅速拆除關鍵測量儀器和設備假人和車載記錄儀,試驗車輛牽引出核心測試區(qū), 其他試驗人員使用滅火器隨時準備滅火。2.2 試驗方法對于不同類型的動力電池和在車輛上的安裝位置，應采取表2（在下頁）中相對應的試驗方法和措施。3 電動汽車正面碰撞試驗驗證與分析3.1 A 型車動力電池和動力總成概述A 型車所使用的動力電池為鋰離子電池，電池總電壓288V。單體電池數量為80 只，單體電池容量和電壓分別為50Ah、3.6V，采用獨立固定整體框架結構方式固定，如圖1 所

13、示。 圖 1 A 型車單體電池的數量和類型動力電池箱分為前箱電池和后箱電池，分別安裝在前排座椅和后排座椅的車身底部，處于正面碰撞的非吸能變形區(qū)域內并且位于車輛乘員艙的外部，如圖2 所示。動力總成位于車輛前艙內部，主要由電動機、變速箱、車載充電機等及其附件構成，承載方式仍采用原型車（以下簡稱為B 型車）動力總成的搭載點，如圖3 和圖4 所示。 圖 2 A 型車電池箱位置及固定方式 圖 3 A 型車動力總成底部視圖 圖4 A 型車動力總成正面視圖表2 試驗方法列表電池類型安裝位置試驗方法應對措施鉛酸電池（酸性電解液）車輛正面碰撞的非吸能變形區(qū)域使用原車電池進行試驗。對于泄漏的電解液，使用蘇打溶液進

14、行中和（每升水含50g 碳酸鈉）。車輛正面碰撞的吸能變形區(qū)域內鎳氫電池（堿性電解液）車輛正面碰撞的非吸能變形區(qū)域使用原車電池進行試驗。電池荷電狀態(tài)SOC 建議在50以下。對于泄漏的電解液，使用硼酸溶液進行中和（每升水含50g硼酸）。車輛正面碰撞的吸能變形區(qū)域內安裝等質量的電池替代物，安裝固定方式應與原車電池相同。檢查替代物的變形情況，并予以記錄。鋰離子或鋰聚合物電池車輛正面碰撞的非吸能變形區(qū)域使用原車電池進行試驗。電池荷電狀態(tài)SOC 建議在50以下。若發(fā)生起火，應使用斷氧型干粉滅火或器進行滅火。車輛正面碰撞的吸能變形區(qū)域內安裝等質量的電池替代物，安裝固定方式應與原車電池相同檢查替代物的變形情況

15、，并予以記錄。4.計算機碰撞模擬在電動汽車開發(fā)中的應用。計算機碰撞模擬無論是在電動汽車開發(fā)初期的概念性設計階段還是在開發(fā)中對結構和新材料碰撞性能的評價工作階段都是十分重要的。在電動汽車開發(fā)初期, 電動汽車安全性概念設計階段, 計算機碰撞模擬可用于研究總體布置方案和提出子系統(tǒng)和部件的性能要求。在電動汽車電池箱重達500-700這么大一個集中質量在車身上的布置方案, 必須引起設計者足夠的重視。在概念級的整車模擬中, 可以只用一些主要結構部件建模, 對設計方案進行評價。通過模擬計算可以獲得車身上各處的沖擊加速度值。電池箱受到的加速度可用于電池箱結構設計的慣性載荷； 車身上的加速度可用于優(yōu)化碰撞傳感器

16、的位置。在電動汽車上, 要求安裝慣性碰撞傳感器。以用于在碰撞中切斷高壓系統(tǒng)的電路。在改裝電動汽車的結構設計中, 計算機碰撞模擬可用于指導車身加強及電池箱固定等設計方案。對于專門開發(fā)的電動汽車, 為了控制整車質量, 正在研究使用輕質材料（如鋁和復合材料）制造車身。這些新材料代替鋼板制造的車身能減小質量, 但也使車身結構的力學性能更加復雜, 并且汽車設計中還很缺乏使用這些材料的經驗。因此在開發(fā)中使用計算機碰撞模擬是很有必要的。汽車碰撞模擬技術在設計中應用的主要障礙是開發(fā)一個整車碰撞模擬模型的開銷太大。一個整車有限元模型從開始建模到完成試驗驗證大約需要9-14個月。這么長的時間限制了它在內燃機汽車開

17、發(fā)中的實用性, 當然更不適用于電動汽車的開發(fā)。作為實用的電動汽車碰撞模擬技術, 要求初始模型能在8-12周內建成一個設計方案的修改、預測最好能在24-36h內完成7。由于電動汽車工業(yè)相對較新, 在前期開發(fā)工作中很少有試驗數據能用于驗證電動汽車碰撞性能的模擬模型。為了能以最快速度開發(fā)出一個精確的電動汽車碰撞模擬模型, 目前采用的方法是：A開發(fā)一個內燃機汽車的整車碰撞模擬模型.B用實車碰撞試驗數據修改并驗證模型.C把驗證后的模型修改成電動汽車的基本設計配置.D完成電動汽車碰撞模擬參數的研究。用該模型優(yōu)化電動汽車結構, 使乘員室侵人最小, 盡量緩和.沖擊, 并確保碰撞中電池箱的完整性.E制造電動汽車

18、樣車, 通過碰撞試驗修改和驗證電動汽車碰撞模擬模型.F 使用驗證后的模型分析各種碰撞形態(tài)下的碰撞特性, 并修改設計。.轎車的車身結構比較復雜, 現在的有限元碰撞模擬軟件雖然能夠真實地模擬整車的碰撞過程, 但為了使模擬模型具有實用價值, 對模型做合理的簡化是必要的。要搞清楚哪些部件在碰撞中需要仔細地描述大變形, 哪些部件僅包含剛體運動。一種有效的方法是先建立一個幾何精度很高的初始模型, 但把其中大部分的材料特性都設置成剛體, 而后在優(yōu)化模型時按需要逐步把必要的部件由剛體變成變形體。這樣開發(fā)出來的模型計算時間最短, 在大量的設計方案評價中比較實用。5.我國的電動汽車開發(fā)在內燃機轎車發(fā)展中, 我國走

19、的是引進和大批量生產的道路?，F在還沒有完全形成獨立開發(fā)轎車整車的能力。在汽車安全方面, 由于沒有實施實車碰撞試驗標準, 汽車整車安全性能的評價和安全車身開發(fā)技術都還處于研究階段。計算機碰撞模擬技術作為一項有前途的新技術, 已引起汽車行業(yè)的注視。幾個著名的軟件如 LS-DYNA3D,MSC-DYTRAN和MADYMO等已在國內使用。但在內燃機汽車設計中, 我國現有轎車車型多為引進國外的成熟車型,對計算機碰撞模擬技術的需求并不迫切。政府對電動汽車開發(fā)很重視。在“ 九五”期間, 電動汽車的總體目標是到2000年要研制出具有中國特色的達到國際上90年代水平的電動汽車（概念車） , 并為在21世紀產業(yè)化

20、準備條件。概念車的生命力在于技術創(chuàng)新。作為21 世紀的電動汽車必須注重安全性。我國電動汽車的開發(fā), 不應該再走引進產品和大批量生產的道路。目前國外的電動汽車還都是小批量生產的試探性車型。隨著電動汽車核心技術的突破, 勢必要改變電動汽車的結構形式。如果不掌握關鍵的設計技術, 不形成獨立開發(fā)的能力, 靠引進國外的電動汽車車型來生產電動汽車是行不通的?；陔妱悠囬_發(fā)的特點, 我國電動汽車開發(fā)研究工作應以提高自主開發(fā)能力為主, 并通過電動汽車開發(fā)帶動汽車安全車身開發(fā)、輕型車身材料等技術的發(fā)展, 跟蹤國外新技術, 走技術創(chuàng)新之路。6 解決汽車碰撞安全性問題的發(fā)展趨勢車輛建模技術水平直接關系著安全性研究

21、,更貼近實際運行工況的混合建模技術是車輛建模的發(fā)展方向,優(yōu)化數值模擬計算從而提高仿真運算速度是汽車碰撞仿真技術發(fā)展的核心。先進的計算機技術的不斷發(fā)展,將來可以利用商品化有限元軟件結合并行有限元方法和并行計算技術及多個CPU 并行處理大規(guī)模動態(tài)非線性復雜問題。發(fā)展新的人體模型技術、探索新的算法、研究降解積分新技術,將逐步成為汽車碰撞仿真研究的主題。汽車碰撞仿真研究將是汽車被動安全研究的熱點之一,其中安全車身的研究將成為富有挑戰(zhàn)性的課題。實際科研開發(fā)中成員防護系統(tǒng)研究有待深化。在汽車碰撞保護方面,目前很多采用可毀車身吸能緩沖技術來提高汽車碰撞保護性能,但是由于尺寸和空間有限,可毀車身吸能能力很難有

22、質的發(fā)展,即使目前正在著重利用提高單位塑性變形消耗能量的方法提高可塑性車身的吸能能力,但仍難以提升汽車碰撞防護等級,而且使人們回到純剛性車身的老路。29 隨著貨車大型化、重型化和高速化及轎車微型化、輕型化和節(jié)能化的發(fā)展,汽車碰撞保護已不能靠簡單的毀壞車身來簡單完成,創(chuàng)新才是解決問題的根本。平頭型汽車具有吸能緩沖能力,可抵抗更重量級的沖擊,成為本世紀汽車碰撞保護發(fā)展的方向之一。7 結語當前交通安全越來越被社會關注,從事汽車安全研究的科研人員也越來越多,為了盡量避免盲目研究,本文對目前電動汽車碰撞安全性研究現狀加以論述,并闡述了研究趨勢。電動汽車碰撞安全性研究還有很長的路要走,但挖掘現有的技術潛力

23、是有限的,開創(chuàng)新的技術才是解決汽車碰撞安全性的根本。參考文獻1佐藤武主編，吳關昌等譯.汽車的安全M.北京:機械工業(yè)出版社，1988: 54-59.2鐘志華.汽車耐撞性分析的有限元法J.汽車工程.1994:13(1):24-26.3朱西產，鐘榮華.薄壁直梁件碰撞性能計算機仿真方法的研究J.汽車工程2000,22(2):85-89.4劉鳳梧等.微型客車針對正面碰撞法規(guī)的系統(tǒng)改進設計J.汽車技術2002(9)：71-75.5鐘志華，李光耀.薄板沖壓成型過程的計算機仿真與應用M.北京:北京理工大學出版社，1998：25-29.6凱墨爾著.陳礪志譯.現代汽車結構分析M.北京:人民交通出版社.1987：7

24、4-79.7朱西產.應用計算機模擬技術研究汽車碰撞安全性M.世界汽車，1997: 12-16.8張金換，顧光.某輕型客車安全帶的動態(tài)特性分析及改進J.公路交通科技,2004,21(6):53-56.9龔劍.利用數值模擬改進某微型客車的碰撞安全性D.北京：清華大學，2002:121-135.10土大志.某輕型客車正面碰撞安全性改進設計Z.中國汽車工程學會第七屆汽車安全技術會議論文集.2002:65-72.11劉鳳梧，張金換，龔劍，等.微型客車的耐撞性分析和改進設計研究Z.中國汽車工程學會第六屆汽車安全技術學術會議論文集.2001:19-24.12黃世霖,張金換,土曉冬.汽車碰撞與安全M.北京:清

25、華大學出版社,2000：98-103.13張維剛，鐘志華.非線性動態(tài)有限元碰撞仿真技術的工程應用研究J.計算機仿真.2002,19(2)：85-88.14曹銀鋒，鐘志華，盧遠志.仿真材料彈性參數的反求J.湖南大學學報.2002, 9(1):74-79.15孫紹麟.美日超級計算機新進展J.計算機世界.1997：51-56.16鐘志華，楊濟匡.汽車安全氣囊技術及其應用J.中國機械工程.2000:234-237.17賈宏波.汽車車身結構碰撞性能的計算機模擬、評價與改進J.吉林工業(yè)大學學報.1998, 28 (2):60-64.18雷正保,龍建強.汽車碰撞CAE 技術中幾個尚未解決的問題J.長沙交通學

26、院學,2003,19(3) :9-12.19何文,鐘志華.顯式有限元技術在車身薄壁梁結構件數值模擬中的應用J.湖南大學學報(自然科學版),2005,32(1):20-25.20張維剛,何文,鐘志華.車輛乘員碰撞安全保護技術M.長沙:湖南大學出版社,2007:49-53.21喬維高，朱西產.行人與汽車碰撞中頭部傷害與保護的研究J.農業(yè)機械學報,2006,37(9):29-32.22 Masashi TAKAHASHI, Yohsuke TAMURA, Jinji SUZUKI, et al. Investigation of the allowable amount of hydrogen le

27、akage upon collision R. SAE 2005-01-1885. 23 Yasumasa MAEDA, Masashi TAKAHASHI, Yohsuke TAMURA, et al. Test of vehicle ignition due to hydrogen gas leakage R. SAE 2006-01-0126. 24 Yasumasa MAEDA, Hirohiko ITOI, Yohsuke TAMURA, et al. Diffusion and ignition behavior on the assumption of hydrogen leakage from a hydrogen-fueled vehicle R. SAE 2007-01-0428.25 National Highwa