电动汽车正面碰撞试验技术及评价方法的研究

1、电动汽车正面碰撞试验技术及评价方法的研究孙振东1;刘桂彬1;赵春明1;于秀敏2(1 中国汽车技术研究中心天津 300162 2 吉林大学汽车工程学院长春 130025 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。前言:随着我国“十五”863计划电动汽车重大专项课题的实

2、施,我国在纯电动汽车、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,是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。1 电动汽车碰撞试验标准分析1.1标准内容分析与比较电动汽车正面碰撞试验,除了

3、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,表1列出了试验项目和要求的比对情况。1.2标准中存在的问题与解决方法从表1的比较中可以看出,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/T 18384.1-2001的标准

4、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

5、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。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注:类设备依靠基本绝缘;类设备使用双重绝缘或加强绝缘。排除车辆内所有液体包括制动液、洗

6、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。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。1碰撞试验后,立即收集试验车泄漏的液体或电解液,同

7、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, 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中相对应的试验方法和措施。表2 试验方法列表电池类型 安装位置试验方法应对措施车辆正面碰撞的非吸能变形区域铅酸电池 (酸性

8、电解液车辆正面碰撞的吸能变形区域内使用原车电池进行试验。对于泄漏的电解液,使用苏打溶液进行中和(每升水含50g 碳酸钠。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。 镍氢电池(碱性电解液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。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器进行灭火。锂离子或 锂聚合物电池车辆正面碰撞的吸能变形区域内安装等质

9、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。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所示。 图1 A 型车单体电池的数量和类型 图2 A 型车电池箱位置及固定方式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

10、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3.2 A型车试验条件的建立在汽车碰撞事故中最重要的是保护人的安全,所以最客观的是以假人的伤害指标来评价。试验使用的Hybrid 第50百分位男性模拟人试验装置(ATDs分别放置在驾驶员和右侧前排乘员位置,假人使用腰带和肩带进行约束。试验车辆均装备驾驶员侧和乘员侧正面安全气囊,为了保证所获得试验数据具有可比性,在车身内部B柱同一位置左、右侧分别安装了三轴向加速度传感器,数据记录在车载记录仪中。车辆碰撞试验速度为48.3 km/h,碰撞试

11、验前电池荷电状态SOC为43.8%。3.3 A型车碰撞安全特殊要求的试验结果分析表3 A型车碰撞安全特殊要求试验结果汇总表序号检验项目检验结果动力蓄电池、蓄电池包或其部件(蓄电池模块、电解液未穿入乘客舱内。碰撞试验期间,无电解液溢出。1 乘员保护碰撞试验期间和试验后,无电解液进入乘客舱。2 第三方的保护动力蓄电池、蓄电池包或其部件(蓄电池模块、电解液未从车上甩出。3 防止短路碰撞试验前和试验后,所测得的单体电池电压未出现异常(见表6,动力电路未短路。4 过电流断开装置具有过电流断开装置。5 绝缘电阻见表5表6 A型车单体电池电压检验结果单位:V序号试验前电压试验后电压序号试验前电压试验后电压序

12、号试验前电压试验后电压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从实际的碰撞试验结果分析,可获得如下结论:动力电

16、池箱尽可能布置在车辆碰撞的非变形吸能区域内,避免动力电池在碰撞中发生挤压变形。动力电池箱的固定方式尽量采用与车身纵梁等稳固件连接;单体电池采用独立稳定的整体框架式结构进行固定。高压配线位置的线路布置尽量与车身非变形结构相连,同时加强高压线的绝缘保护。测量碰撞试验前、后的绝缘电阻和单体电池电压,虽然标准没有要求,但对了解试验中动力电池在电池箱中的变化状态是非常必要的测量指标。3.4乘员碰撞保护试验结果分析本试验中的电动汽车(A型车的原型车(B型车是进行过正面碰撞试验的,是在原型车的基础上,进行动力总成和动力电池的改造。所以将A型车和B型车的碰撞试验结果进行比较和分析,可以了解电动汽车的碰撞安全性。表6是A型车和B型车在试验条件方面的比较,试验车重量