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文檔簡介

1、電動汽車正面碰撞試驗技術(shù)及評價方法的研究孫振東1;劉桂彬1;趙春明1;于秀敏2(1 中國汽車技術(shù)研究中心天津 300162 2 吉林大學汽車工程學院長春 130025 摘要:隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,電動汽車的安全性也逐漸被社會所關(guān)注。本文針對電動汽車結(jié)構(gòu)特點和特性,總結(jié)和分析了國內(nèi)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(jié)果,揭示電動汽車在正面碰撞形式下的碰撞特性,以及現(xiàn)行安全標準中存在的問題。前言:隨著我國“十五”863計劃電動汽車重大專項課題的實

2、施,我國在純電動汽車、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(chǎn)權(quán)的新能源汽車動力系統(tǒng)技術(shù)平臺正在逐步建立,通過整車集成配套技術(shù)的研發(fā)實現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車的技術(shù)對接,逐步向產(chǎn)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,是國內(nèi)外汽車制造商必須面對的現(xiàn)實問題。而電動汽車的一個重要特點就是車內(nèi)裝有高電壓的動力回路,由數(shù)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。1 電動汽車碰撞試驗標準分析1.1標準內(nèi)容分析與比較電動汽車正面碰撞試驗,除了

3、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(jié)構(gòu)特點和特性,還應符合相應的法規(guī)和標準。電動汽車國內(nèi)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主要是對電動車輛結(jié)構(gòu)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,表1列出了試驗項目和要求的比對情況。1.2標準中存在的問題與解決方法從表1的比較中可以看出,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/T 18384.1-2001的標準

4、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(chǎn)生爆炸、起

5、火,威脅試驗人員和設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)特點和特性與汽車正面碰撞試驗程序相結(jié)合,構(gòu)成一個完整的試驗程序,主要包括下列三個方面內(nèi)容。確定動力電池的類型和結(jié)構(gòu)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(shù)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注:類設(shè)備依靠基本絕緣;類設(shè)備使用雙重絕緣或加強絕緣。排除車輛內(nèi)所有液體包括制動液、洗

6、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(zhì)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。測量絕緣電阻和電壓的設(shè)備配備:電壓測量器(內(nèi)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(shè)備。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(nèi),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。1碰撞試驗后,立即收集試驗車泄漏的液體或電解液,同

7、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(zhuǎn)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(jié)果。若電壓過低, 則轉(zhuǎn)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(jié)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(guān)鍵測量儀器和設(shè)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中相對應的試驗方法和措施。表2 試驗方法列表電池類型 安裝位置試驗方法應對措施車輛正面碰撞的非吸能變形區(qū)域鉛酸電池 (酸性

8、電解液車輛正面碰撞的吸能變形區(qū)域內(nèi)使用原車電池進行試驗。對于泄漏的電解液,使用蘇打溶液進行中和(每升水含50g 碳酸鈉。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。 鎳氫電池(堿性電解液車輛正面碰撞的吸能變形區(qū)域內(nèi)安裝等質(zhì)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。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器進行滅火。鋰離子或 鋰聚合物電池車輛正面碰撞的吸能變形區(qū)域內(nèi)安裝等質(zhì)

9、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。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(shù)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(jié)構(gòu)方式固定,如圖1所示。 圖1 A 型車單體電池的數(shù)量和類型 圖2 A 型車電池箱位置及固定方式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(nèi)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(nèi)部,主要由電動機、變速箱、車載充

10、電機等及其附件構(gòu)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3.2 A型車試驗條件的建立在汽車碰撞事故中最重要的是保護人的安全,所以最客觀的是以假人的傷害指標來評價。試驗使用的Hybrid 第50百分位男性模擬人試驗裝置(ATDs分別放置在駕駛員和右側(cè)前排乘員位置,假人使用腰帶和肩帶進行約束。試驗車輛均裝備駕駛員側(cè)和乘員側(cè)正面安全氣囊,為了保證所獲得試驗數(shù)據(jù)具有可比性,在車身內(nèi)部B柱同一位置左、右側(cè)分別安裝了三軸向加速度傳感器,數(shù)據(jù)記錄在車載記錄儀中。車輛碰撞試驗速度為48.3 km/h,碰撞試

11、驗前電池荷電狀態(tài)SOC為43.8%。3.3 A型車碰撞安全特殊要求的試驗結(jié)果分析表3 A型車碰撞安全特殊要求試驗結(jié)果匯總表序號檢驗項目檢驗結(jié)果動力蓄電池、蓄電池包或其部件(蓄電池模塊、電解液未穿入乘客艙內(nèi)。碰撞試驗期間,無電解液溢出。1 乘員保護碰撞試驗期間和試驗后,無電解液進入乘客艙。2 第三方的保護動力蓄電池、蓄電池包或其部件(蓄電池模塊、電解液未從車上甩出。3 防止短路碰撞試驗前和試驗后,所測得的單體電池電壓未出現(xiàn)異常(見表6,動力電路未短路。4 過電流斷開裝置具有過電流斷開裝置。5 絕緣電阻見表5表6 A型車單體電池電壓檢驗結(jié)果單位:V序號試驗前電壓試驗后電壓序號試驗前電壓試驗后電壓序

12、號試驗前電壓試驗后電壓1 3.814 3.814 27 3.766 3.766 53 3.851 3.8512 3.859 3.859 28 3.802 3.803 54 3.861 3.8623 3.765 3.765 29 3.814 3.816 55 3.830 3.8304 3.793 3.793 30 3.731 3.806 56 3.789 3.7895 3.731 3.731 31 3.789 3.789 57 3.748 3.7486 3.831 3.832 32 3.803 3.803 58 3.809 3.8097 3.782 3.782 33 3.815 3.816 59

13、 3.797 3.7978 3.781 3.781 34 3.806 3.806 60 3.828 3.8299 3.819 3.819 35 3.890 3.890 61 3.807 3.80710 3.791 3.791 36 3.811 3.812 62 3.813 3.81311 3.860 3.860 37 3.824 3.824 63 3.804 3.80412 3.847 3.847 38 3.822 3.822 64 3.733 3.73313 3.760 3.760 39 3.839 3.839 65 3.856 3.85714 3.854 3.854 40 3.807 3.

14、807 66 3.807 3.80715 3.826 3.826 41 3.789 3.790 67 3.819 3.81916 3.847 3.847 42 3.766 3.767 68 3.812 3.81217 3.827 3.827 43 3.790 3.790 69 3.793 3.79318 3.814 3.814 44 3.801 3.801 70 3.819 3.81919 3.831 3.831 45 3.770 3.770 71 3.840 3.84020 3.844 3.844 46 3.862 3.863 72 3.799 3.80021 3.817 3.817 47

15、3.795 3.795 73 3.803 3.80322 3.784 3.784 48 3.863 3.864 74 3.758 3.75723 3.820 3.820 49 3.787 3.787 75 3.796 3.79624 3.769 3.769 50 3.805 3.806 76 3.794 3.79425 3.862 3.862 51 3.746 3.746 77 3.818 3.81926 3.786 3.786 52 3.794 3.795 78 3.799 3.799 79 3.805 3.806 80 3.757 3.757從實際的碰撞試驗結(jié)果分析,可獲得如下結(jié)論:動力電

16、池箱盡可能布置在車輛碰撞的非變形吸能區(qū)域內(nèi),避免動力電池在碰撞中發(fā)生擠壓變形。動力電池箱的固定方式盡量采用與車身縱梁等穩(wěn)固件連接;單體電池采用獨立穩(wěn)定的整體框架式結(jié)構(gòu)進行固定。高壓配線位置的線路布置盡量與車身非變形結(jié)構(gòu)相連,同時加強高壓線的絕緣保護。測量碰撞試驗前、后的絕緣電阻和單體電池電壓,雖然標準沒有要求,但對了解試驗中動力電池在電池箱中的變化狀態(tài)是非常必要的測量指標。3.4乘員碰撞保護試驗結(jié)果分析本試驗中的電動汽車(A型車的原型車(B型車是進行過正面碰撞試驗的,是在原型車的基礎(chǔ)上,進行動力總成和動力電池的改造。所以將A型車和B型車的碰撞試驗結(jié)果進行比較和分析,可以了解電動汽車的碰撞安全性。表6是A型車和B型車在試驗條件方面的比較,試驗車重量

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