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有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)碰撞事故特征與電池約束安全設計探討論文
0引言
隨著(zhù)我國環(huán)境問(wèn)題的日益突出，電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越受到人們的青睞，政府的政策扶持更是助推了電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)份額的擴大。但是，電動(dòng)汽車(chē)的安全性能并不十分令人滿(mǎn)意�，F有電動(dòng)汽車(chē)的交通事故都顯示其在安全性能上尚有進(jìn)一步改善的余地。我國每年交通事故的死亡人數高達數萬(wàn)人，因此有必要加強對電動(dòng)汽車(chē)交通事故形態(tài)的研究并探討相應的對策。
目前，在交通事故統計方面，電動(dòng)汽車(chē)未單獨分類(lèi)，同時(shí)，作為新興產(chǎn)品，很多電動(dòng)汽車(chē)還處于初期使用階段。但是，對于電動(dòng)汽車(chē)而言，其交通事故的形態(tài)有著(zhù)新的特點(diǎn)。由于電動(dòng)汽車(chē)采用電力驅動(dòng)，在交通事故中極易出現二次事故，包括電池組爆炸、漏電以及因此而產(chǎn)生的火災等，從而加劇事故的嚴重程度。目前，交通事故安全防范研究的重點(diǎn)主要集中在傳統的汽油車(chē)上，而電動(dòng)汽車(chē)在交通事故發(fā)生后有著(zhù)更為嚴重的二次事故特征，同時(shí)，在汽車(chē)碰撞安全檢測方面，電動(dòng)汽車(chē)也存在著(zhù)更高的難度。因此，加強電動(dòng)汽車(chē)交通安全研究有著(zhù)非常重要的意義和實(shí)用價(jià)值。
文中通過(guò)對電動(dòng)汽車(chē)碰撞事故特點(diǎn)進(jìn)行研究，提出了一種新型的電池組防護與約束結構，并通過(guò)數值仿真，驗證了其有效性，可為后續相關(guān)研究提供參考和借鑒。
1電池組安全防范
目前對于電動(dòng)汽車(chē)電池組的安全防護研究主要集中于電池組的充放電保護，側重于電學(xué)領(lǐng)域，對于電池組的機械防護研究較少。電池箱是目前絕大多數電動(dòng)汽車(chē)采用的保護手段。從國內外相關(guān)文獻來(lái)看，對于電動(dòng)汽車(chē)電池組的防碰撞保護主要集中于電池箱結構的改善，包括選用高強度材料、采用加強筋以及設置緩沖裝置等。在實(shí)際生產(chǎn)中，電池箱的結構形式多種多樣。以國外的特斯拉為例，公開(kāi)的US8286743B2號專(zhuān)利詳細描述了特斯拉電動(dòng)汽車(chē)電池箱的結構，整個(gè)箱體相當于一個(gè)底盤(pán)，呈平鋪式結構。在防碰撞保護上，一方面采用高強度的鈦合金板來(lái)加強對電池組的保護，另一方面采用橫向的隔板來(lái)抵御側面的撞擊，具體體現在箱體中部的隔板厚于其余隔板，這對于國內電動(dòng)汽車(chē)電池箱設計具有一定的借鑒意義。
在電池組的試驗規范及安全性要求上，國內外關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)安全標準和法規主要有:GB/T18384.1-2001《電動(dòng)汽車(chē)安全要求第1部分:車(chē)載儲能裝置》、GB/T19751-2005《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)安全要求》、美國的FMVSS305《電解液溢出及電機事故防護》和歐洲的ECER94-1995《在汽車(chē)正面碰撞中保護乘員的統一規定》等。根據以上標準和法規，從電池組的安裝上看，電動(dòng)汽車(chē)碰撞的安全性要求主要包括乘員保護和第三方保護。乘員保護指電池組受到碰撞后不得竄入客艙，威脅乘車(chē)人安全，第三方保護指電池組受到碰撞后不得從車(chē)上掉落或者甩出，以免對第三方造成傷害。因此所設計的電池保護裝置既要實(shí)現對電池組本身的保護，又要對其形成空間上的位移約束，防止二次事故發(fā)生。
2電池組防護裝置設計
2.1設計思路
國內的電動(dòng)汽車(chē)電池組以箱體結構為主，不同于特斯拉的底盤(pán)式結構。因此受結構尺寸的限制，普通的方形結構電池箱難以抵擋大質(zhì)量的高速沖擊。很多實(shí)際及仿真碰撞試驗表明，當車(chē)輛碰撞速度達50km/h時(shí)，電池組受到這樣的沖擊極其危險。因此對于電池組的防護裝置設計可考慮采用機械緩沖結構，通過(guò)緩沖作用來(lái)吸收部分碰撞的能量，降低電池組可能受到的沖擊力，從而達到對電池組保護的目的。
2.2設計實(shí)例
本文所設計的電池組保護機構內置電池箱。裝置呈開(kāi)放式結構，有利于散熱。
不同的電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)制造廠(chǎng)家所采用的電池組尺寸各不相同，參照中華人民共和國汽車(chē)行業(yè)標準QC/T840-2010中關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)用蓄電池產(chǎn)品規格尺寸的相關(guān)規定，確定本文設計裝置所能容納的電池組尺寸為500×280×752(單位:mm)。電池組在水平方向上與支架上的螺孔相連接，豎直方向上由車(chē)體支撐，以減輕電池組保護機構的載荷，同時(shí)也便于后續的分析。
其基本原理是:首先將橫向的沖擊力通過(guò)連桿機構轉換為縱向的沖擊力，然后通過(guò)彈簧3來(lái)緩沖縱向的沖擊力。同時(shí)由于受到連桿的推動(dòng)，電池約束框1分別向上下兩側運動(dòng)，逐步釋放約束框內的電池箱，一旦沖擊力過(guò)大，電池箱將被釋放，可在裝置內部自由移動(dòng)，避免剛性碰撞。其中的主要吸能裝置為彈簧，彈簧與滑塊固連，滑塊與約束框固連。設約束框與電池箱在縱向的單側接觸長(cháng)度為δ，菱形連桿機構中連桿8的長(cháng)度為L(cháng)。為了保證大沖擊力下電池組能夠被成功釋放，設計中兩者關(guān)系應當滿(mǎn)足:
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該裝置為純機械結構，可靠性高。值得注意的是上述結構并不代表實(shí)際生產(chǎn)中的設計結構，只是提供一種防護裝置的設計理念，具體方案根據實(shí)際需求而定。例如為了保證電池不竄入客艙，約束框1的頂部可設計為封閉式結構;為了保證有效抵御沖擊力防護桿1可增擴展為板型或者網(wǎng)狀結構。
2.3數值仿真及結構改進(jìn)
為驗證所設計保護裝置的有效性，對上述模型進(jìn)行了數值仿真對比試驗。首先從直觀(guān)上觀(guān)察可知防護桿6的結構顯然不利于抵擋來(lái)自側向的撞擊，因此將其改為結構強度更好的管狀結構。鑒于模型的對稱(chēng)性，取其一半進(jìn)行分析。通過(guò)CAD軟件UG建立機構三維模型，然后導入ANSYS軟件中建立有限元分析模型。
在仿真實(shí)驗中所有部件材料取為Q235。鑒于大多數電池組外層都有一層金屬保護殼，本文作為探究性實(shí)驗，旨在定性地考察所設計裝置對于電池組的保護效果，因此將對被保護對象作合理的簡(jiǎn)化。在仿真計算中，保護機構中間的電池組用一立方殼體代表，這樣就可以根據殼體的變形情況來(lái)評估保護機構對于電池組的保護效果。
右側的立方體為簡(jiǎn)化的碰撞物，參照SAEJ2464-2009沖擊試驗等級和要求，利用ANSYS中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊，在本文中取初速度為10m/s，計算時(shí)間5ms。為了驗證防護效果，對沒(méi)有防護裝置的電池箱進(jìn)行碰撞模擬仿真，得到電池箱的最大應力隨時(shí)間變化關(guān)系。
在對比試驗中，對添加防護裝置的模型進(jìn)行仿真，計算結果，由圖可知應力主要集中于防護桿及固定裝置部分，且應力超過(guò)了材料的許用應力，因此需要對結構做出相應的改進(jìn)。電池組防護套在碰撞過(guò)程中沒(méi)有明顯的位移，原因是彈簧剛度過(guò)大所致，沒(méi)有起到緩沖的效果。觀(guān)察電池箱的受力情況，可以發(fā)現電池組的主要受力點(diǎn)集中在中部附近，繪制碰撞過(guò)程中電池箱的最大應力隨時(shí)間變化的關(guān)系�？梢钥吹教砑臃雷o裝置后最大應力降低了近90%，效果十分明顯。
針對上述計算結果，對結構做出如下改進(jìn):適當降低彈簧剛度，電池組最大受力點(diǎn)處增加一層緩沖材料，優(yōu)化固定裝置和防護桿連接處的結構。
保持初始碰撞條件不變，重新計算得到電池箱的最大應力隨時(shí)間變化的關(guān)系�？梢钥吹阶畲髴档土私�66%，改進(jìn)后的防護效果良好。上述仿真結果顯示碰撞過(guò)程中電池組保護殼的最大應力在其許用范圍內，對于殼體內部的電池組能起到良好的防護作用。其中緩沖物質(zhì)對于降低關(guān)鍵點(diǎn)的應力起到了顯著(zhù)作用，圖8顯示了緩沖物質(zhì)在碰撞過(guò)程中的變化。
3結語(yǔ)
本文對電動(dòng)汽車(chē)交通事故的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，電池組作為其核心部件在碰撞事故中有著(zhù)較大的潛在威脅，應當重點(diǎn)防護，避免發(fā)生二次事故。為此，提出了一種針對電池箱的外層機械防護結構，可靠性高，同時(shí)還在數值仿真的基礎上對結構進(jìn)行了適當改進(jìn)，計算結果表明改進(jìn)后的結構具有更好的防護效果。
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