智能电动汽车安全技术 课件 第三章 电池碰撞保护

智能电动汽车被动安全技术

电池碰撞保护一汽车整体被动安全性二三智能约束系统安全性电池碰撞保护一电动汽车碰撞后发生起火的情况屡见不鲜，如何提高电动碰撞后的安全性，避免起火，一直是电动汽车领域的热点问题。电池碰撞保护1.电池碰撞保护的意义2.电动汽车碰撞起火的原因车辆碰撞短路产热起火造成车辆碰撞后起火的主要原因之一是：电动汽车发生碰撞后，其内部高能量密度的动力电池受到挤压而发生形变甚至破损，导致电池发生短路而出现热失控现象，最终导致电动汽车起火爆炸。车体变形电池受到挤压，出现变形、破损内部短路外部短路电池热失控，大量产热引燃绝缘体及周围易燃物质电池碰撞保护3.

电动汽车动力电池包的组成电芯电池模组电池包串联/并联对于绝大部分电动汽车而言，其动力电池通常由多个电池模组组成，并安装于汽车底部，而电池模组则由多个电芯通过串联或并联组成。电池碰撞保护当发生碰撞时，车身结构、电池箱、碰撞吸能区等往往能够吸收部分冲击能量。当碰撞强度较低时，内部的电池并不受到损伤。车身结构中设有专门的电池箱，用于固定电池，防止电池在碰撞中移位或受损。电池箱固定车身结构中的支撑部件能够为电池提供刚性支撑，防止电池在碰撞中受到挤压或变形。刚性支撑车身结构的前部和侧面设计有碰撞吸能区，能够在碰撞时吸收冲击能量，减少对电池的直接冲击。碰撞吸能区电池碰撞保护4.电动汽车车身结构对电池的保护而当遭遇极端碰撞工况时，车身和电池箱无法再为电池提供充分的保护。此时，电池自身的机械力学性能便成为了最后一道防线。因此，为了应对极端碰撞工况，在设计动力电池时往往希望电芯也具有一定的机械力学性能来抵抗冲击，以提高电池系统在碰撞中的安全性。而锂离子电芯的机械性能往往由其结构形式和组成材料的力学性能所决定。电池碰撞保护5.恶劣碰撞工况下的电池防护目前，电动汽车中常用的锂离子电芯主要有：圆柱形锂离子电芯、软包锂离子电芯和方形锂离子电芯。圆柱形锂离子电芯软包锂离子电芯方形锂离子电芯电芯碰撞性能1.锂离子电池及其结构常用锂离子电芯高能量密度可靠性高易于集成成本较低01020304圆柱形锂离子电芯采用高能量密度的材料，能够提供更长的续航里程。圆柱形结构相对稳定，不易发生变形或损坏，可靠性较高。圆柱形电芯形状一致，易于在电池组中排列和集成，提高了电池组的组装效率和稳定性。圆柱形锂离子电芯的生产工艺成熟，相对其他形状的电芯成本较低。电芯碰撞性能1.锂离子电池及其结构圆柱形锂离子电芯的特点软包锂离子电芯采用铝塑膜包装，较传统金属外壳电芯更轻便，因此具有更高的能量密度，能够提供更长的续航里程。能量密度高软包锂离子电芯采用铝塑膜包装，不易发生爆炸或起火，安全性较高。安全性好软包锂离子电芯采用薄型设计，能够实现快速充电，缩短充电时间。充电速度快软包锂离子电芯采用铝塑膜包装，可回收再利用，符合环保要求。环保电芯碰撞性能1.锂离子电池及其结构软包锂离子电芯的特点方形锂离子电芯采用先进的材料技术，具有较高的能量密度，能够提供更长的续航里程。高能量密度由于其结构特点，方形锂离子电芯在充放电过程中表现出了良好的稳定性，提高了电池系统的安全性。稳定性好方形电芯形状规整，易于在电池包中排列和集成，有利于提高电池包的能量密度和利用率。易于集成随着生产规模的扩大和技术进步，方形锂离子电芯的成本逐渐降低，为电动汽车的普及奠定了基础。成本效益电芯碰撞性能1.锂离子电池及其结构方形锂离子电芯的特点内芯内芯由正、负极材料和隔膜材料通过卷绕或叠片工艺制成，是电芯受到机械载荷时主要的吸能部分。电解液电解液是组成动力电池的核心之一，动力电池在工作时通过向正负电极不断传送阴阳离子，使得电解液内部产生电流，与外部的电极一起构成完整电路。外壳外壳是电芯的支撑骨架，对锂离子电池内部的部件进行封装，防止与外部直接接触，且当电池受到外力作用时，能够作为电池保护层保护电芯不被破坏。

电芯碰撞性能1.锂离子电池及其结构圆柱形锂离子电芯结构软包电芯方形电芯与圆柱形锂离子电芯一样，软包电芯和方形电芯也均由：内芯、电解液和外壳三部分组成。电芯碰撞性能1.锂离子电池及其结构软包锂离子电芯、方形锂离子电芯结构内芯——电芯受到机械载荷时主要的受力和吸能部分。已有研究表明，软包锂离子电芯和圆柱锂离子电芯的机械强度主要由内芯提供。圆形卷绕内芯机械强度堆叠内芯方形卷绕内芯根据制造工艺的不同，现有锂离子的内芯主要有以下三种形式：圆形卷绕内芯方形卷绕内芯堆叠内芯三种内芯的区别不仅仅在于结构形式和制造工艺的不同，在机械强度上也存在一定的差异。电芯碰撞性能2.内芯结构不同内芯结构及其机械性能除选择合适的电芯结构外，对内芯结构进行优化设计也能够在一定程度上提高锂离子电池的安全性能。比亚迪集团所开发的刀片电池，通过增加电芯长度和降低电芯厚度，使电芯具有更大的散热面积，能够有效降低电池穿刺过程中的热量积累，避免热失控的发生，提高了电池的安全性能。电芯碰撞性能2.内芯结构内芯结构的优化提供离子通道，允许阴阳离子通过传递载荷，并且能控制锂离子的流动速度和流向。0201置于锂离子电池的正负电极间，防止二者直接接触发生短路，而导致热失控、爆炸等问题。隔膜——锂离子电池的重要组成部分，其功能主要包括以下两方面：除此之外，隔膜材料的的孔径、孔隙率、厚度等参数对电池的充放电性能、内阻、容量等有重要影响。隔膜的稳定性对电池的安全性能至关重要，需要具备优良的热稳定性、化学稳定性和机械强度。一般而言，隔膜机械强度越高、热收缩率越低，电池安全性越高。电芯碰撞性能3.电芯材料

——隔膜隔膜材料的作用正极负极正极隔膜隔膜冲头实验参数：锂离子电池：20Ah软包电池；冲头直径D：13mm；加载速度：5mm/min(低速)、4.5m/s(高速)。V实验原理图低速穿刺电芯碰撞性能3.电芯材料——隔膜隔膜材料高、低速穿刺实验力/kN电池电压/V时间/s在静态加载过程中，并未出现明显的短路现象，直到冲头反向运动时，才出现明显的短路现象（电压陡降）。冲头隔膜正极负极静态穿刺在静态载荷作用下，隔膜材料具有很高的延展率，在断口处充分延展，可以继续将正负电极阻隔开，以避免短路的发生。（1）静态穿刺（v=5mm/min）电芯碰撞性能3.电芯材料——隔膜隔膜材料高、低速穿刺实验力/kN电池电压/V时间/s而在动态加载过程中，在冲头穿透电池的瞬间，便出现了明显的短路，电压和载荷在同一时刻出现了陡降。隔膜冲头正极负极而在动态载荷作用下，隔膜展现出明显的应变率效应，即随着加载速率的提高，隔膜的韧性逐渐降低，在高速载荷作用下，隔膜无法充分延展来阻隔正负电极避免短路的发生。动态穿刺电芯碰撞性能（1）动态穿刺（v=4.5m/s）3.电芯材料——隔膜隔膜材料高、低速穿刺实验微孔聚烯烃薄膜材料由于具有优良的机械性能、化学稳定性等特性，是目前应用最广泛的锂离子电池隔膜材料。选择合适的隔膜材料对于电池的充放电性能与安全性具有十分重要的影响。目前市场上锂离子电池所使用的隔膜主要有：微孔聚烯烃薄膜、无纺布垫和无机混合物膜三种。微孔聚烯烃薄膜无纺布垫无机混合物膜电芯碰撞性能3.电芯材料——隔膜常用隔膜材料良好的机械性能聚烯烃隔膜材料具有较高的拉伸强度和撕裂强度，能够承受电池充放电过程中的压力和温度变化。良好的化学稳定性聚烯烃隔膜材料对电解液具有良好的化学稳定性，不易发生腐蚀和老化现象。良好的电气绝缘性聚烯烃隔膜材料具有较高的电气绝缘性能，能够保证电池的安全性能。良好的孔径大小和孔隙率聚烯烃隔膜的孔径大小和孔隙率对锂离子的传输性能具有重要影响，适宜的孔径大小和孔隙率可以提高电池的充放电性能。聚烯烃薄膜特性电芯碰撞性能3.电芯材料——隔膜聚烯烃薄膜的特性常用微孔聚烯烃隔膜主要包括：聚乙烯隔膜(PE)、聚丙烯隔膜(PP)、聚乙烯聚丙烯混合物隔膜(PE-PP)和高密度聚乙烯隔膜(HDPE)四种。01聚乙烯隔膜（PE）聚烯烃材料具有优良的机械性能、化学稳定性和电绝缘性，是目前应用最广泛的锂离子电池隔膜材料。02聚丙烯隔膜（PP）聚酰亚胺材料具有高温稳定性、良好的电绝缘性能和化学稳定性，主要用于高能量密度、高温环境下的锂离子电池。03聚乙烯聚丙烯混合物隔膜（PE-PP）聚酯材料具有较高的耐热性能和机械强度，适用于中高温环境下的锂离子电池。04聚乙烯聚丙烯混合物隔膜（PE-PP）聚酯材料具有较高的耐热性能和机械强度，适用于中高温环境下的锂离子电池。电芯碰撞性能3.电芯材料——隔膜常用微孔聚烯烃隔膜采用喷涂、热处理、多层隔膜等工艺也能有效提高隔膜的机械强度。如对隔膜材料进行热处理也能提高其穿刺强度，降低横向和纵向收缩率；在隔膜表面涂覆无机陶瓷层来提高隔膜材料的耐击穿和绝热特性。比亚迪、国轩高科等车企通过在隔膜表面增加功能涂层来提升电池隔膜的机械强度，降低电池内部短路风险。目前采用耐热涂层涂敷技术的隔膜在超高温150℃下仍能保持良好的尺寸结构，防止内部短路扩散。电芯碰撞性能3.电芯材料——隔膜提高隔膜材料机械强度的措施电子导通电极中的导电剂能够提供电子导通通道，使电子能够从正极经过外部电路到达负极，形成电流回路。离子导通电极中的电解质能够提供离子导通通道，使锂离子能够从正极经过电解质嵌入到负极，实现电荷的平衡。储存和释放电能电极作为电池内部储存和释放电能的关键部分，通过锂离子的嵌入和脱出来实现电能的储存和释放。电芯碰撞性能3.电芯材料——电极电极的作用集流体活性物质粘结剂添加剂作为电极的基底，集流体负责收集和传输电流，常用材料为铜箔和铝箔。粘结剂的作用是将活性物质粘附在集流体上，同时起到填充间隙和增加电极机械强度的效果。添加剂主要用于改善电极的电化学性能，如提高电极的电导率、抑制电极的膨胀或收缩等。活性物质是电极的核心部分，负责储存和释放能量，其性能直接影响到电池的能量密度和循环寿命。常用活性物质有磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰三元锂化合物和石墨。电芯碰撞性能3.电芯材料——电极电极的组成正极拉伸应力-应变曲线负极拉伸应力-应变曲线正极压缩应力-应变曲线负极压缩应力-应变曲线从上表中可以看出，在相同的实验工况下，阳极材料往往更容易屈服、失效。实验工况失效应力失效应变拉伸正极20MPa0.031~0.033负极22~25MPa0.08~0.086压缩正极//负极178MPa0.55集流体断裂集流体断裂从拉伸实验中可以看出，电极的拉伸强度主要取决于金属集流体，当集流体断裂后，应力迅速下降，电极失效。电芯碰撞性能3.电芯材料——电极正、负电极拉压实验在压缩实验中，活性多孔材料被逐渐压实，使得电极的弹性模量（斜率）不断增大，并至一定值后保持不变。但在正极的压缩过程中，并未检测到明显的失效行为，而出现了两个明显的转折点。硬度较高的电极材料在受到外力作用时不易发生形变，保持其结构稳定性，从而降低电池内部短路的风险。此外，硬度较高的电极材料具有更好的抗冲击和抗挤压性能，有助于提高电池的安全性。脆性较大的电极材料在受到外力作用时易发生断裂，导致电池内部短路的风险增加，以及在充放电过程中容易发生体积变化，导致电池容量下降和安全性降低。弹性模量较高的电极材料能够更好地吸收和分散外力作用，降低电池内部的应力集中，减少电池破裂和短路的风险。此外，电极材料的弹性模量还与其抗疲劳性能相关，有助于提高电池的循环寿命和安全性。硬度弹性模量脆性热稳定性当电芯受到外部冲击而出现内部短路，使电极材料发生剧烈的分解反应而失效，选择热稳定性好的电极材料对于电池碰撞安全性能也十分重要。电芯碰撞性能发展新型电池材料、新型材料选择方法与理论以及阳极材料电化学反应机制是未来的研究重点。同时，更加深入地理解硅或合金作为阴极材料在锂离子电池使用过程中的失效机理也是亟待解决的问题。3.电芯材料——电极电极材料力学性能对电芯机械强度与安全性的影响外壳是锂离子电芯的支撑骨架，其主要起到密封和和保护作用：对锂离子电芯的内部部件进行封装，防止与外部直接接触；当电芯受到外力时，作为电池保护层保护电芯不受破坏。外壳力学强度越高，在碰撞时发生大变形的风险越小。钢制外壳铝制外壳铝塑膜外壳常用外壳材料主要有：钢、铝和铝塑膜三种。三者中，钢制外壳具有更高的力学强度，铝制外壳次之。但铝塑膜外壳具有更好的延展性和散热性能，当发生热失控时通常仅会发生鼓包，钢制和铝制外壳更容易发生爆炸。电芯碰撞性能3.电芯材料——外壳外壳材料的作用与常用外壳材料F方形电芯平面挤压实验根据曲率变化的不同，整个过程可以分为以下三个阶段：阶段1：外壳承载阶段阶段2：内芯压实阶段阶段3：塑性硬化阶段外壳为电池所受外载荷的主要承受结构；应力随位移的增加而不断增加，并在阶段末达到27kN左右的峰值载荷。内芯高度致密化并出现塑性硬化现象，电池的整体受力以接近线性的形式快速增长；该阶段，外壳对电池的整体力学特性基本没有影响，主要取决于电池内芯。外壳开始发生较大的塑性变形，内芯开始逐渐受力；内芯由多孔颗粒状的火星物质组成，内部存在一定的空隙。因此在阶段2的前期，呈现出，随着电池变形的增加，电池的整体受力基本保持不变；阶段2后期，随着内芯致密化程度的增大，电池的整体受力缓慢上升。电芯碰撞性能3.电芯材料方形电芯平面挤压实验电池包一般由电池箱体、电池托盘、电池模组、电池罩盖以及电池热管理系统等部分组成。电池托盘电池包底盖电池包顶盖电池罩盖电池模组横梁典型电池包结构其中，电池箱体处在电池包的最外侧。当发生碰撞时，电池箱首先承受冲击，是电动汽车动力电池的重要载体和防护结构。通常希望电池箱在碰撞过程中不要发生过大的变形，避免对内部的电池造成挤压，所以要求电池箱具有一定的力学强度。电池箱体机械碰撞防护1.典型电池包结构上箱体(顶盖)确保箱体的整体密封以及防尘防水，不作为电池模组的主要承载部件；通常可采用钢板材料冲压成型、铝合金冲压成型、复合材料注塑成型等工艺进行加工，并在顶盖上布置一定的加强筋以提高顶盖的刚度。下箱体(底盖)电池组的主要保护和承载部件，需要保证电动汽车在多种复杂工况下电池模组及其内部电子元件的牢固稳定，避免由于电池模组在运行过程中出现松动而导致的电动汽车安全事故。目前常规的底盖可以采用高强钢冲压拼接、铸造铝合金、挤压铝合金焊接以及碳纤维材料等进行设计。加强横梁用于支撑电池罩盖和维持电池包底盖的刚强度性能，减小电池箱在碰撞过程中的变形。上箱体下箱体加强横梁加强筋电池箱体机械碰撞防护2.电池箱体结构及作用通过高强度材料制作电池箱、设计高强度结构和增加箱体厚度等方式能有效提高电池箱的力学强度，但可能会导致箱体质量较大。通过对电池箱进行优化设计，可以在一定程度上提高电池箱的耐撞性，并降低电池箱的质量。对于电池箱的优化主要包括尺寸优化、形貌优化以及拓扑优化。电池箱体机械碰撞防护3.电池箱体优化方法电池箱实物上箱体形貌优化加强横梁拓扑优化电池箱结构尺寸优化设计变量迭代曲线图电池箱体机械碰撞防护4.电池箱体优化实例从云图可以看出，电池组的在碰撞过程中的最大应力主要出现在与结构接触的边缘，其大小不足100Mpa，远低于金属材料的屈服强度。并且由于优化后的电池包整体质量减轻，使得电动汽车在发生碰撞时内部电池组应力有所降低。电动汽车侧面碰撞仿真模型优化前优化后电池箱体机械碰撞防护4.电池箱体优化实例除了对于电池箱整体结构与材料等进行优化设计，也可以根据电池包的摆放位置，分析主要的受力面，对电池箱局部进行加强。目前的新能源汽车的电池包主要有前舱、底板以及行李舱三种安装位置。不同的电池布置形式对于整车和电池包的碰撞性能存在较大影响。前舱安装底部安装行李舱安装电池箱体机械碰撞防护5.电池箱体的局部防护电池包在整车中的常见安装位置底部安装是目前主流的安装方式，尤其对小型汽车而言。将动力电池布置在汽车底部，能够降低汽车重心、改善整车的碰撞性能，且将电池包安装在汽车底部，其与整个车身结构相连，在多种碰撞工况下，车身结构能够很好地保护电池包。但是将电池包安装在汽车底部，电池包的底面是整个电池包最脆弱的地方，路面的碎石可能击穿底部的钢板，造成电池的损坏，甚至其它安全事故。底部布置后部布置两种不同布置形式下的碰撞仿真电池箱体机械碰撞防护5.电池箱体的局部防护底部安装的优缺点第一道防护第二道防护第三道防护为了确保电池在底部碰撞中的安全，通常会在电池箱底部采取一定的防护措施。如：增加地面钢板的厚度；将两种具有不同属性的板堆叠以提高强度；采用高强度材料制造底板；通过喷涂、热处理等工艺提高底部板材的强度装备防撞结构等。特斯拉ModelS底部防撞结构特斯拉ModelS采用三块钛合金防护板来阻止底部冲击对于电池组的危害，三块护板沿纵向布置如图所示。第一块护板形状近似一个半圆形的中空铝条，当汽车行驶过程中遭遇路面碎屑或石块时，半圆形护甲会使物体偏置转向，偏置护甲也可以使其转向至离动力电池组较远的地方。吉利银河H6车型采用底部防撞梁和涂层材料的防护方法，其在1.5mm厚1180DP钢板上涂覆了一层1mm厚的PVC涂层，使其抗拉强度达到了普通钢板的2倍以上。应用实例电池箱体机械碰撞防护5.电池箱体的局部防护常用的电池箱底部防护措施通过吸收外部冲击能量来减小触底冲击对内部电池的损伤，也是箱体碰撞防护中一个重要方式。如通过轻质吸能结构来制造箱体，除能对电池进行保护外，还能在一定程度上减轻电池箱体的质量。上底板下底板波纹板BRAS板1波纹夹芯结构BRAS夹芯结构清华大学周青教授团队研制了用于电池箱底部防护的波纹型填充三明治结构，该结构能够有效减少电池箱的变形，增强电池包在碰撞中的安全性，并与BARS夹芯结构进行了对比。电池箱体机械碰撞防护5.电池箱体的局部防护采用轻质吸能结构制造电池箱体电解液的作用电解液是组成动力电池的核心之一，动力电池在工作时通过向正负电极不断传送阴阳离子，使得电解液内部产生电流，与外部的电极一起构成完整电路。电解液的类型根据电解质的形态可以将电解质分为液体电解质、固体电解质和固液混合电解质三种。其中液体电解质技术较为成熟，是目前市面上大部分动力锂电池所采用的电解质类型。电解液泄露碰撞防护1.电解液的作用及类型现有锂离子动力电池，大都以锂盐作为电解质材料，包括四氟硼酸锂、六氟硼酸锂、六氟砷酸锂等，其中六氟硼酸锂是目前应用最广的锂盐。有机液体电解液，主要由有机溶剂、电解质和添加剂三部分组成，具有化学性质稳定性好、凝固点低、沸点高等特点。电解液组成及常用类型目前，常用有机溶剂包含：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯等有机碳酸类物质。碳酸乙烯酯晶体(室温)六氟硼酸锂添加剂用于针对性地提高电池的某些性能，如稳定性、阻燃性等。电解液泄露碰撞防护2.有机液体电解液的组成123电解液具有腐蚀性，泄露后可能对车身结构以及电缆、电气接口等电子元件造成腐蚀损害，影响车辆安全性。对设备的腐蚀损害目前使用的锂盐电解质存在毒性，泄露后会对环境造成污染，人体接触后可能会出现中毒，对人体和环境造成危害。此外，以LiBF6为例，高温下分解还会产生有毒的PF5气体。污染环境、中毒有机液体电解液泄露后，若遇明火或高温环境，可能引发火灾或爆炸事故，对人员和财产造成重大损失。引发火灾或爆炸的风险毒性！易燃！腐蚀性！有机液体电解液在发生碰撞后，由于电芯外壳破损、内芯受到挤压等原因易出现电解液泄露，存在着一定的安全隐患。电解液泄露碰撞防护3.有机液体电解液的缺点提高电池外壳力学强度01通过改进电池外壳的结构或采用力学性能更好的材料制作电池外壳，提前其力学强度，降低电池英发生过大变形而导致电解液泄露的风险。研发绿色、安全新型锂盐02研发具有绿色、安全、无毒、优异热稳定性的新型锂盐作为锂离子电池的溶质，降低电解液泄露后的危害。选择性能更好的溶剂03选择不易挥发、耐高温、热稳定性好的溶剂，以降低碰撞中电解液泄漏的风险。固体溶质相对于液体溶质具有更小的泄露风险和更高的碰撞安全性电解液泄露碰撞防护4.电解液泄露的防护措施实事求是敢为人先电动汽车整车被动安全二电动汽车整车碰撞安全1.电动汽车的发展

电动汽车的普及随着环保意识的提高和技术的进步，电动汽车在全球范围内的使用越来越广泛。电动汽车市场的增长政府政策支持和技术创新共同推动了电动汽车市场的快速发展。电动汽车产业链的完善电动汽车产业链逐渐形成，包括电池、电机、电控等关键技术的突破。电动汽车整车碰撞安全2.电动汽车碰撞安全的重要性保护乘客和行人安全：在碰撞中保护乘客和行人的生命安全，降低受伤甚至死亡的风险提高车辆性能：通过优化设计提高车辆的抗撞性能，降低事故后车辆的维修成本符合法规要求：满足相关法规和标准，确保车辆的安全性能电动汽车整车碰撞安全3.碰撞事故中的人体损伤机理碰撞事故中乘员受伤的主要原因：1）“一次碰撞”向乘员传递的加速度超出了人体耐受极限，损伤人体器官2）乘员在碰撞时受到外部刚硬物体侵入乘员舱内部的挤压而发生伤亡3）乘员受到单次或多次“二次碰撞”伤害4）乘员在碰撞中因乘员舱变形过大导致乘员生存空间不足而发生伤亡事故电动汽车整车碰撞安全由于电动机的紧凑结构，碰撞时可能对乘客舱造成更大压力。动力系统影响电池组在碰撞时可能发生泄漏、短路或热失控，需要特殊防护措施。电池组安全针对电动汽车的特点，需要重新设计车身结构以增强碰撞安全性。车身结构要求4.电动汽车碰撞安全设计的特殊性电动汽车整车碰撞安全5.电动汽车在碰撞中可能对人体造成的额外伤害在碰撞发生时，由于惯性作用蓄电池组可能冲入乘员舱，对乘员造成机械冲击伤害。机械冲击伤害动力蓄电池和电力系统负载可能因为碰撞而导致遮栏/外壳甚至绝缘保护层等破裂电击伤害动力蓄电池中含有腐蚀性的电解液，在碰撞过程中有可能泄漏、飞溅至乘员舱电化学腐蚀电动汽车整车碰撞安全6.碰撞安全性设计要求汽车可以被划分为乘员安全区（1区）和缓冲吸能区（2区）两大类区域在设计上，为了保证乘员舱内人员不因结构侵入而受到伤害，必须要使1区变形较小，减少结构的侵入；2区结构能够发生合理变形，通过塑性变形或结构失效来吸收碰撞能量电动汽车整车碰撞安全7.碰撞安全性研究方法实车碰撞试验法实车碰撞试验法，主要分为实车碰撞试验、台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和静态强度试验四大类。实车碰撞试验法是将整车按照相应法规或规则的要求进行碰撞试验，其中包括固定壁障碰撞、移动壁障碰撞及车对车碰撞等试验。电动汽车整车碰撞安全7.碰撞安全性研究方法计算机仿真模拟法仿真模拟法方法在汽车被动安全领域主要分为如下两种：多刚体动力学方法和有限元仿真方法，其中有限元仿真方法在整车碰撞分析中应用较多，而多刚度动力学方法在乘员约束系统计算分析中应用较多。电动汽车碰撞法规、测试与评估1.正面碰撞安全法规国际标准美国的FMVSS208和欧洲ECER94等，这些标准对正面碰撞安全性能提出了要求GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》对正面碰撞安全性能提出了要求国内标准C-NCAP（新车评价规程）正面100%重叠刚性壁障试验正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）试验电动汽车碰撞法规、测试与评估2.侧面碰撞安全法规国际标准美国的FMVSS218和欧洲ECER95等，这些标准对侧面碰撞安全性能提出了要求GB20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》和GB/T37337-2019《汽车侧面柱碰撞的乘员保护》对侧面碰撞安全性能提出了要求国内标准电动汽车碰撞法规、测试与评估C-NCAP（新车评价规程）侧面柱撞试验电动汽车碰撞法规、测试与评估3.尾部碰撞安全法规国际标准美国的FMVSS301和欧洲ECER34等，这些标准对电动汽车的尾部碰撞安全性能提出了要求GB20072-2006《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》对汽车尾部碰撞安全性能提出了要求国内标准电动汽车碰撞法规、测试与评估4.行人保护安全法规国际标准美国的GTR和欧洲EEVC等，这些标准对行人保护性能提出了要求GB/T24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》对行人保护性能提出了要求国内标准电动汽车碰撞法规、测试与评估5.评价指标与分析乘员保护评估碰撞过程中乘员的伤害程度，主要通过假人身上的传感器收集数据，分析头部、胸部、腹部等部位的加速度、速度等指标。电池包安全评估电池包在碰撞过程中的安全性，包括电池包的位移、挤压、燃烧等情况。结构完整性评估车身结构在碰撞后的完整性，以及关键部位如门框、A柱、B柱等的变形、加速度情况。结果分析根据测试数据，对电动汽车的碰撞安全性能进行综合评价，提出改进建议，为电动汽车的安全设计提供依据。电动汽车碰撞法规、测试与评估电动汽车碰撞安全设计1.正面碰撞安全性设计正面碰撞过程中的传力路径正面碰撞过程中的整车吸能分析正面碰撞安全性设计要点车辆前端结构需要进行合理的设计，使其正面碰撞传力路径完整并且能够引导相应结构件充分变形吸能。2.汽车正面碰撞结构变形控制要求最大变形量控制合理的变形次序不仅能够使结构有效发挥变形吸能作用，同时也能够在一定程度上引导结构的稳定变形模式。汽车耐撞结构在连接失效的情况下，会导致碰撞能量耗散不足，大部分剩余动能输入到刚性较大的乘员舱上，因此，结构的有效性对碰撞安全性有决定作用。正面碰撞过程中车体结构侵入乘员空间造成的接触伤害是乘员损伤的主要成因之一，因此需要控制最大变形量，将碰撞变形限制在一定区域内，实际车辆结构设计中，控制最大变形量的方法是设计变形截止结构。不同变形模式能量吸收能力有很大差异，所以应针对多种碰撞条件设计，使得吸能结构在碰撞中发生稳定的变形，充分发挥变形吸能作用。控制结构变形模式结构变形次序的控制保证结构有效性电动汽车碰撞安全设计3.电动汽车正面碰撞安全性设计的特殊性电池变形情况分析由于电池包在受挤压力过大或者挤压变形量过大的情况下可能产生起火、爆炸现象，因此需要将动力电池挤压方向上的变形量纳入分析当中。由于电池包加速度值过大有可能会使电池包内部发生短路甚至着火爆炸等现象，因此需要将电池包的加速度最大值纳入分析当中。载荷传递路径由于电动汽车采用柔性的高压线传递电能，其空间布置有一定的灵活性，可以通过更好地布置力学传递路径，使整个车身结构参与到碰撞吸能中，有利于碰撞能量的迅速吸收和发散。电池包加速度情况分析电动汽车碰撞安全设计4.侧面碰撞安全性设计侧面碰撞过程中的传力路径侧面碰撞过程中的整车变形分析侧面碰撞安全性设计要点侧面碰撞安全性设计过程中需要针对B柱和车门结构进行改进，避免出现侵入速度过大、侵入量过大等情况。电动汽车碰撞安全设计4.侧面碰撞安全性设计最大变形量控制正面碰撞过程中车体结构侵入乘员空间造成的接触伤害是乘员损伤的主要成因之一，因此需要控制最大变形量，将碰撞变形限制在一定区域内，实际车辆结构设计中，控制最大变形量的方法是设计变形截止结构。控制结构变形模式车门中部和中下部在侧面碰撞过程中侵入量很大，会严重影响乘员的救生效率，因此可以通过增加车门防撞梁来减少车门结构在碰撞中的结构变形。B柱结构是侧面碰撞的主要吸能和受力部件，需要对B柱结构进行合理设计，选择正确的材料，使B柱变形和吸能特性得到提升，进而提升侧面碰撞安全性能。B柱结构设计车门结构设计侧面碰撞发生时，门槛梁部位因为其刚度较弱会产生很大的侵入变形，在设计的时候可以将B柱下端延伸到门槛梁上；也可以在门槛梁里增加支撑板或者改变其材料、厚度，都可使车身侧面结构的侵入量降低。门槛梁设计电动汽车碰撞安全设计5.电动汽车侧面碰撞安全性设计的特殊性B柱最大变形量安装电池包后，B柱下部变形减小，但上部变形增大。安装电池包后，B柱下部传力增大，车顶横梁传力减小。这说明安装电池包后车体下部刚度增大，而上部刚度相对降低，会增加乘员头、胸部伤害风险。地板结构变形由于电动汽车的动力电池包大多布置在车身地板下方，地板结构强度较高，这导致侧面碰撞过程中门槛梁的变形就会相对较小。电动汽车在侧面碰撞过程中前后门的侵入量有所增加，且座椅后安装点处的地板变形较严重。结构截面力电动汽车碰撞安全设计6.行人保护系统设计改变保险杠的材料：通过采用刚度相对较低的复合材料或高分子材料，可以有效降低腿部的损伤程度。设置吸能块：车身保险杠必须有足够的变形空间来限制碰撞时胫骨加速度的峰值，通过改变吸能块的结构，能够增加有效吸能空间和降低腿部所受到的伤害。增大接触面积：增大腿部与保险杠的碰撞接触面积，可以降低小腿的应力、膝关节的侧向弯曲和小腿的弯曲，从而可以有效降低腿部损伤。改变保险杠的位置：适当增加保险杠与发动机罩前的距离、适当降低保险杠的离地高度都将对行人腿部有较好的保护效果。下肢碰撞保护系统设计电动汽车碰撞安全设计6.行人保护系统设计增加碰撞压缩距离：头部重伤往往是由于撞到前舱下的硬物造成的，因此增大碰撞压缩距离可以有效降低头部损伤和吸收头部碰撞动能。调整前舱刚度：降低发动机罩的刚度可以降低行人头部与发动机罩的撞击力，可设计三明治式前舱来降低前舱刚度和增加碰撞深度，还可以通过减小前舱盖外板的厚度，改变前舱内、外板截面形式等来降低前舱的刚度。调整前舱盖铰链设计：一种有效的方法是将铰接点布置在碰撞区域外，或将其设计成可压塌的机构。采用车外安全保护气囊：前风窗玻璃和A柱式头部碰撞的危险区域，采用前风窗玻璃气囊可使行人头部不与前风窗玻璃或A柱接触，从而减小头部撞击HPC值。头部碰撞保护系统设计电动汽车碰撞安全设计未来电动汽车碰撞安全的发展趋势与挑战电池安全技术研发更先进的电池管理系统，提高电池热管理和安全性，降低电池起火风险。车身结构优化利用新材料和结构优化技术，提高电动汽车车身抗撞能力和乘员保护效果。安全辅助系统升级改进碰撞预警和自动紧急制动系统，提高车辆主动安全性能。1.技术创新与新材料的应用2.政策法规与标准制定制定更严格的电动汽车碰撞安全法规针对电动汽车的特点，制定更具体、更严格的碰撞安全标准和测试方法。强化监管力度加强对电动汽车生产企业的监管，确保车辆安全性能达标。建立国际合作机制推动国际间电动汽车碰撞安全标准的统一，促进技术交流与合作。未来电动汽车碰撞安全的发展趋势与挑战3.提高公众对电动汽车碰撞安全的认知与意识通过媒体、网络等渠道，普及电动汽车碰撞安全知识，提高公众安全意识。开展宣传教育活动对电动汽车用户进行安全驾驶培训，指导用户正确使用和维护车辆，避免发生碰撞事故。培训与指导鼓励用户在发生事故后及时报告，为电动汽车碰撞安全研究提供实践案例和数据支持。建立信息反馈机制未来电动汽车碰撞安全的发展趋势与挑战实事求是敢为人先智能约束系统安全性三智能安全带系统近年来，在传统三点式安全带的基础上出现了各种新型安全带，如复合敏感锁止式安全带、限力式安全带、预紧限力式安全带、气囊式安全带和主动预紧式安全带等。英国工程师GeorgeCayley1.概述安全带的起源和发展安全带按固定方式分类，大致可分为两点式、肩带式、三点式和四点式。两点式肩带式三点式四点式1.概述安全带类别智能安全带系统安全带按功能分类大致可分为普通式、限力式、预紧式、预紧限力式和预卷式预紧限力式。1）普通式锁止式安全带：安全带拉到一定长度时，其卷收器就会被卡爪卡住，安全带就不会再拉长，只有安全带回收和卷收器回卷的时候卡爪才会松开。2）限力式安全带：在普通式安全带的基础上，限力式安全带在卷收器中增加了限力杆，它将作用在安全带上的力限制在设定的某一定范围内。3）预紧式安全带：在碰撞时可以感知一定的冲击，是通过气体发生剂等产生动作，瞬间拉近安全带的装置。4）预紧限力式安全：相对限力式，增加了预紧装置。5）预卷式预紧限力式安全带：也被称为主动预紧式安全带、可逆预紧式安全带或电机安全带。这种安全带在预紧限力式的基础上增加了预卷电机系统。智能安全带系统1.概述安全带类别复合敏感锁止式安全带主要由织带、卷收器、带扣、吊环、安装固定点等组成。1）织带用于约束乘员身体，可以拉出和自动回卷。2）带扣是提供锁舌插入及解锁的部件。3）吊环是车内布置的安全带织带变向导向件。4）卷收器是实现安全带功能的核心部件，结构复杂。其发展经历了无锁式卷收器、自锁式卷收器、紧急锁止式卷收器、限力式卷收器及预紧限力式卷收器等几次革新。5）安装固定点是用来固定安全带的结构或部件。1-织带2-带扣3-吊环4-卷收器5-安装固定点2.基本组成与原理复合敏感锁止式安全带的组成智能安全带系统1-骨骼支架2-卷簧回卷端3-织带卷轴4-卷收器锁止端1-卷簧端盖2-左棘爪3-卷轴4-棘爪连杆5-惯性摆块6-缓冲簧7-轴套8-锁止摆轮9-右棘爪10-惯性压簧11-锁止端盖12-敏感钢球13-车感座臂组件14-车感底座15-支架16-卷簧盖17-芯头18-卷簧卷收器整体结构卷收器爆炸图2.基本组成与原理复合敏感锁止式安全带卷收器的工作原理智能安全带系统1）卷收器的拉出、回卷原理织带的拉出、回卷是由盘簧侧来实现的。当织带拉出时：卷轴3顺时针转动芯轴5顺时针转动盘簧4由a端8开始顺时针拉卷织带停止拉出当织带释放时：盘簧4自动逆时针回卷带动芯头卷轴逆时针转动织带回卷1-支架2-盘簧压盖3-卷轴4-盘簧5-芯轴6-卷簧端盖7-胀销8-盘簧a端9-盘簧b端拉出、回卷原理2.基本组成与原理复合敏感锁止式安全带卷收器的工作原理智能安全带系统卷收器的拉出、回卷原理2.基本组成与原理复合敏感锁止式安全带卷收器的工作原理智能安全带系统锁止方式有三种：织带拉出加速敏感锁止、车身倾斜锁止、减速敏感锁止。2）卷收器的锁止原理1-圆柱端部2-凹槽a

3-锁止端盖内圈凸起4-摆块左端部5-摆轮凸起6-圆柱凸起a7-卷轴套8-锁止端盖9-惯性摆块10-惯性压簧11-凹槽b12-圆柱凸起b13-倾斜锁止组件14-卷轴a处15-右棘爪16-棘爪连杆17-支架18-卷轴19-卷轴端部中心20-锁止摆轮21-锁止摆轮撑簧a)整体锁止结构b)锁止摆轮内侧细节结构复合敏感锁止式安全带锁止原理2.基本组成与原理复合敏感锁止式安全带卷收器的工作原理智能安全带系统当织带加速度＞0.8g时，卷轴18、锁止摆轮20等逆时针转动；惯性摆块9由于足够的惯性作用克服弹簧10的力绕摆轮6处的轴相对于摆轮顺时针转动；当到达一定的相对角度（5°~8°)时，即摆块左端抬起一定的高度后，摆块左端部被锁止端盖的内圈凸起3(8个凸起中一个）挡住；锁止摆轮在逆时针转动一定角度后，惯性摆块左端被锁止摆轮上的凸起4阻挡，使得惯性摆块和锁止摆轮的运动都被阻止了，相对于支架17和锁止端盖8静止。这时卷轴继续逆时针转动，弹簧21被压缩缓冲，同时，右棘爪15的圆柱凸起12和棘爪连杆16的圆柱端部1分别被与他们接触的锁止摆轮20的凹槽2和11的边缘型线驱动，使得右棘爪绕卷轴14处的轴顺时针相对转动伸出，与支架17的前侧齿圈啮合锁住；棘爪连杆也同时绕卷轴14处的轴顺时针转动，使得另一侧的左棘爪顺时针伸出，与另一侧的支架齿圈啮合；卷轴被锁死，织带不再拉出，锁止完毕。织带拉出加速敏感锁止过程：2.基本组成与原理复合敏感锁止式安全带卷收器的工作原理智能安全带系统车身倾斜及减速敏感锁止机构原理a)完整组件结构b)组件结构剖面

1-车感臂2-车感底座3-铰接轴4-车感座5-钢球6-圆锥斜槽7-车感臂顶端8-车感座侧板1）当汽车车身倾斜时，钢球由于重力作用沿车感座4的圆锥斜槽6滚动，车感臂1抬起。2）当车感臂抬起一定角度的时候，车感臂顶端7会顶住锁止摆轮20周围均布的棘齿，使得锁止摆轮停止运动。3）之后系列动作与织带加速敏感锁止原理叙述中所述的锁止摆轮的运动被阻止后的动作完全一致。1）当车身加速或者急减速时，钢球由于惯性作用，相对于车感座沿圆锥斜槽6运动，使得车感臂抬起。2）当车身加速度或减速度达到一定的值时（一般在0.3g~0.45g)，车感臂抬起到位，起到和倾斜锁止同样的作用。车身倾斜锁止过程：减速敏感锁止过程：2.基本组成与原理复合敏感锁止式安全带卷收器的工作原理智能安全带系统卷收器的锁止原理2.基本组成与原理复合敏感锁止式安全带卷收器的工作原理智能安全带系统预紧限力式安全带：在复合敏感式安全带基础上，整合添加了织带预拉紧功能以及织带拉力限制功能。织带预拉紧功能实现途径：卷收器预紧、锁扣预紧器织带拉力限制功能实现途径：织带拉力限制器-限力杆预紧限力式安全带总成实物钢球式预紧卷收器实物图预紧式锁扣实物图齿轮齿条式预紧卷收器2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理智能安全带系统当汽车发生碰撞事故时，车身传感器输出碰撞信号，预紧器迅速工作，通过：预紧限力式安全带的工作过程向胸部的力胸部位移胸部承受压力小上体移动量小a)碰撞瞬间迅速卷紧b)安全带勒力保持一定限度c)胸部力-位移图普通安全带预紧限力安全带2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理卷收器端以及锁扣端回拉织带，控制乘员位移；而后织带张力快速增加，张力达到一定阈值之后限力器开始发生塑性变形吸收能量，最终降低乘员胸部所受压力。智能安全带系统预紧限力式安全带的工作过程2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理智能安全带系统钢球式预紧器利用钢球以及设计有凹槽的预紧轮组成的传动机构，通过高压气体推动钢球，钢球移动的同时与预紧轮上的凹槽嵌合并推动预紧轮转动，最终实现织带回收。齿轮齿条式预紧器则采用齿轮齿条组成的传动机构，高压气体推动齿条设计有活塞的一端，齿条移动并与安装在卷筒一端的齿轮啮合，实现卷筒的回转回收织带。齿轮齿条式预紧卷收器钢球式预紧卷收器1-气体发生器2-预紧轮3-钢球齿轮齿条式预紧卷收器1-气体发生器2-齿条3-预紧齿轮1）卷收器预紧通过卷收器回转卷筒实现织带回收预紧，常见的有钢球式预紧器和齿轮齿条式预紧器等;2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理钢球式预紧器智能安全带系统钢球与预紧轮的传动方案，其结构较为复杂；齿轮齿条方案，由于齿条的活塞端受到高压气体的集中压力较大，对该处的气缸壁强度要求较高，设计不当可能导致气缸炸裂。两种预紧卷收器优缺点：2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理智能安全带系统锁扣与预紧器之间通过钢缆连接，预紧器的动力来源为气体发生器产生的高压高速气体，气体冲击圆筒内的活塞，活塞在向右运动过程中，带动钢缆下拉锁扣，实现织带的预紧功能。圆筒6侧面采用弧面设计，配置小钢球，避免了织带预紧成功后被复原的情况。2）锁扣预紧器锁扣预紧原理1-线缆2-气体发生器3-织带4-气压5-活塞6-圆筒2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理锁扣预紧器通过回拉锁扣实现织带预紧的目的，其工作原理如图所示。锁扣预紧实物图智能安全带系统锁扣预紧器工作过程2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理智能安全带系统在卷筒内部集成一根限力杆，当织带拉力达到一定阈值时，限力杆发生塑性扭转变形，吸收织带上的部分张力，以降低织带拉力。3）织带拉力限制器限力杆作用原理1-转轴2-支架3-限力杆4-定轴盘

5-转轴套6-棘爪7-转轴右端凸起2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理目前主流的限力机构是限力杆，如图所示，智能安全带系统织带拉力限制器-未发生碰撞时：卷收器正常工作时：转轴1与限力杆3和定轴盘4不发生相对转动，它们一起同步运动，相当于复合敏感锁止式卷收器转轴这一个零件。卷收器正常锁止时：棘爪6伸出使定轴盘4相对于支架不发生转动，又通过7处的铆接限制转轴的运动，从而使织带无法拉出，这时的转轴1、限力杆3和定轴盘4相当于复合敏感锁止式卷收器转轴这个零件。发生碰撞时卷收器快速锁止：定轴盘盖相对于支架不发生转动。但是由于织带带动转轴1产生巨大的冲击，使得7处的铆接凸起被切断，而后转轴1与定轴盘4通过限力杆3的扭转而相对扭转。织带拉力限制器-发生碰撞时：2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理智能安全带系统预紧限力式卷收器工作过程（齿轮齿条式+织带拉力限制器）2.基本组成与原理预紧限力式安全带的组成及工作原理智能安全带系统1）定义和组成主动预紧式安全带也称可逆预紧式安全带或电机安全带，主要由直流电机、传动机构、卷收器、电子控制单元组成。它能够在碰撞事故发生之前进行安全带卷收预紧，并能实现重复可逆预紧的安全带。在主动预紧式安全带基础上，可以集成若干高级驾驶辅助系统，如正面碰撞预警系统、车道偏离警示系统和疲劳驾驶监测系统，它也是未来主动预紧式安全带最具代表性的一种，可以称它为集成主动预紧式安全带。均胜电动安全带

正面碰撞预警系统

车道偏离警示系统疲劳驾驶监测系统

电子控制单元传动机构预警解除碰撞预紧危险提醒通信模块高级驾驶辅助系统主动预紧式安全带功能集成主动预紧式安全带的逻辑结构2.基本组成与原理主动预紧式安全带的组成及工作原理智能安全带系统2）工作原理集成主动预紧式安全带的电子控制单元包含有通信模块、电机驱动和电流检测模块等。电子控制单元通过通信模块总线接收高级驾驶辅助系统传感器的信号，根据提供的危急信号的紧急程度来控制输入电机的电压和电流，控制直流电机执行正反转;通过齿轮传动机构驱动安全带卷收器，实现安全带不同的预紧速度和预紧力;当电机的输入电流达到程序中设定的控制电流值时停止正转进入锁止状态;当高级驾驶辅助系统提供事故风险解除信号时，电子控制单元控制电机执行反转，解除预紧锁止功能。2.基本组成与原理主动预紧式安全带的组成及工作原理集成主动预紧式安全带可多次重复使用，实现预警提醒、主动预紧和解除预紧的功能，还能够提前纠正乘员的非正常坐姿，实现“避撞与降损”的双重目标。优点：智能安全带系统分心驾驶已经成为现今道路上对驾驶者和乘客最主要的威胁之一。研究发现，在超过80%的碰撞中，驾驶者在此前3秒都曾有过分心。自动紧急转向能减少多种碰撞的可能性和严重程度，包括在高速驾驶中发生的轻微重叠碰撞，配备自动紧急转向的车辆能大幅增强道路安全性。然而，乘员在自动紧急转向过程中会产生不同方向的横向离位，从而破坏了原有约束系统的保护效能。相较于传统安全带，配备主动预紧式安全带后，乘员的横向离位可以得到不同程度的改善那么，在主动预紧式安全带介入后改善乘员的横向离位基础上，主动预紧式安全带介入后对乘员的损伤有怎样的改善？3.工程实践先进驾驶辅助系统技术-自动紧急转向（AES）智能安全带系统利用PreScan、CarSim、MatLab/SimuLink三个软件搭建主动安全部分的仿真测试平台，被动安全方面利用PRIMER和MADYMO软件搭建车辆追尾模型和驾驶员侧约束系统。1）仿真测试场景的搭建场景假设：由于前方行人从道路旁的树丛中突然窜出，白色卡车采取制动措施，后方雅力士（车速为80km/h）由于距离过近不得不采取自动紧急转向操作，在转向过程中与旁车道的SUV（车速为20km/h）发生追尾事故。3.工程实践模型建立及工况智能安全带系统2）追尾车辆有限元模型的建立选用2010款丰田雅力士整车碰撞有限元模型为研究车型3）被追尾车辆模型的建立被追尾车辆选择某款SUV4）驾驶员侧约束系统的建立安全带限力安全带预紧时间安全气囊泄气孔直径安全气囊点爆时间转向管柱压溃行程转向管柱压溃力3500N18ms30mm20ms80mm2200N对约束系统参数进行设置，在驾驶员侧放置HybridIII男性第50百分位假人，根据正碰试验报告调整合适的假人坐姿，最终建好驾驶员侧约束系统。5）转向强度转向强度选为0.6g3.工程实践模型建立及工况智能安全带系统左倾离位状态下主动预紧式安全带的介入前后损伤对比右倾离位状态下主动预紧式安全带的介入前后损伤对比3.工程实践主动预紧式安全带的介入结果分析：智能安全带系统以右倾离位为例，同时刻下假人与安全气囊接触情况对比，可以发现在主动预紧式安全带介入后，假人与气囊的接触时间相对晚一些，这避免了气囊在弹开阶段与假人发生接触产生更大的伤害。a)

ACR介入前b)ACR介入后3.工程实践主动预紧式安全带的介入结果分析：智能安全带系统随着汽车电子技术的迅速发展，安全带将朝着多功能，集成化和智能化方向不断发展。将安全带系统与车载娱乐系统相连接，提供视频、音乐等娱乐功能，提升驾驶体验。安全带织带安装微型麦克风，使安全带具备通讯功能；安全带织带变宽功能，改善乘员的保护性能；发光锁扣，具备夜间提醒功能，还能具备氛围感；安装乘员健康监测功能，如心率、呼吸传感器，实时感知乘员的身体状况。安全带的无线充电功能，可给智能手机等设备充电。1）多功能2）集成化安全带集成到座椅并集成一系列高级驾驶辅助系统，实现驾乘过程中的危急提醒、碰撞预紧、解除预紧等功能。4.发展趋势智能安全带系统通过集成更多的传感器和算法，实现安全带系统的智能化控制，例如自动调节安全带松紧度、自动识别乘客体型等。集成主动安全技术的预紧式安全带正成为安全带未来发展的主流方向，其主要功能是智能化探测危险，主动预紧；自适应限力式安全带也是未来发展趋势之一，通过传感器识别判断乘员的碰撞能量，根据碰撞能量的大小给予乘员最优的限力值，从而达到最佳的乘员保护效果。3）智能化4.发展趋势智能安全带系统智能安全座椅系统静态舒适性与座椅的几何特性、调节特性、物理特性等有关。1）座椅几何特性：座面宽度、高度、深度、倾角，靠背宽度、高度、倾角，头枕宽度、高度、倾角等。舒适坐姿的关节角度10°<α1<20°，15°<α2<35，80°<α3<90°，90°<α4<115°，100°<α5<120°，85°<α6<95°。2）座椅调节特性：前后行程、座面高度、靠背倾角等。4）要有合理的体压分布，座椅上人体的体压分布直接关系人体乘坐的舒适性。5）座椅要有良好的横向稳定性和相协调的空间。O1—加速踏板点O2—踵点O3—膝点O4—胯点O5—肩点O6—肘点O7—腕点1.座椅舒适性和安全性概述汽车座椅的静态舒适性动态舒适性和振动特性有着较大的联系人体是一个复杂的振动系统，坐在座椅上的乘员所受的振动冲击当中，垂直方向的振动对人体脊柱和与之相关的神经系统的危害最大。在座椅动态舒适性设计时，应尽量避开人体敏感的振动区域。人体各主要部位的共振频率1.座椅舒适性和安全性概述汽车座椅的动态舒适性智能安全座椅系统汽车座椅主动安全性，主要是指汽车座椅能够帮助驾驶员有效预防事故发生的能力。汽车座椅主动安全性与汽车座椅设计的结构样式及空间布置有关，同时与座椅的静态及动态舒适性有很大的联系。

利用主动悬架系统，座椅可以主动减振，提高乘员驾乘舒适性；结合主动安全技术，座椅能够提前感知碰撞，并采取避撞措施。当碰撞不可避免时，主动调整座椅的位置和姿态，对车内乘员进行有效保护，降低乘员损伤。汽车座椅主动安全技术：1.座椅舒适性和安全性概述汽车座椅的主动安全性智能安全座椅系统汽车座椅的被动安全性，主要是指汽车在发生无法避免的交通事故中和交通事故发生以后，座椅对车内乘员的有效保护能力，及降低乘员受到损伤的能力。1）汽车正面碰撞时，当座椅的自身强度不足或者与车身连接不够紧固，座椅和车身发生错位移动，安全带和安全气囊就不能起到应有的保护作用，容易对成员造成损伤。2）汽车发生追尾事故时，由于座椅靠背向前的冲击作用，乘员的胸部瞬间会产生向前的冲击加速度，使身体向前运动，而头颈部由于惯性作用和身体之间有一定速度差，致使颈椎各节间存在相对运动，颈部脊柱经呈现“S”形，造成挥鞭样损伤。3）汽车发生侧面碰撞时，碰撞的能量主要靠座椅来吸收。因此，要加强座椅侧面结构的连接强度，避免座椅发生失效问题，同时研究安装座椅侧面气囊对乘员的保护作用，提高座椅的被动安全性，保护乘员安全。1.座椅舒适性和安全性概述汽车座椅的被动安全性智能安全座椅系统传统汽车座椅一般由头枕、靠背、座垫、座椅骨架、座椅连接件和一些调节机构等组成。1-滑轨2-坐垫3-靠背4-头枕5-座椅骨架6-座椅连接件7-调角器靠背和座垫一般由发泡海绵外加座椅蒙皮组成座椅骨架支撑着整个座椅，是座椅的基础结构，它包括头枕骨架、靠背骨架和座垫骨架座椅的调节机构包括调角器、升降机、滑轨等装置2.基本组成及原理汽车座椅的组成结构智能安全座椅系统智能辅助驾驶环境下，座椅往智能化方向发展。1）座椅合理设计和布置保证静态舒适性的前提下，在传统无悬架座椅的基础上增加悬架系统以增强驾驶动态舒适性2）结合高级驾驶辅助系统，提出主动式座椅。主动安全技术实现智能感知技术，提前预判碰撞，主动调整座椅或座椅部件的位置和姿态，如主动旋转座椅和主动式头枕等。3）在传统座椅上进行功能附加，如座椅带有按摩、生理指标监测等功能。2.基本组成及原理汽车座椅的组成结构智能安全座椅系统汽车座椅可分为无悬架座椅和悬架座椅从有无能源输入的角度，座椅悬架又分为被动悬架、主动悬架以及半主动悬架；根据工作原理，主动悬架与半主动悬架可归为智能悬架。1）被动悬架系统被动座椅悬架系统刚度系数与阻尼系数为恒定值，在不同工况路面进行行驶时无法对刚度以及阻尼进行调控以适应不同的需求。常见的几种被动座椅悬架结构如图所示。结构1结构2结构3结构42.基本组成及原理汽车座椅悬架系统智能安全座椅系统被动座椅悬架又可以分为线性座椅悬架和非线性座椅悬架。线性座椅悬架的弹性元件刚度为定值，固有频率几乎不变。线性座椅悬架对乘坐舒适性的提高非常有限。非线性座椅悬架具有更好的隔振性能，其中应用较为广泛的是空气弹簧座椅悬架，其基本结构如图所示。空气弹簧由主气室、辅助气室以及高度控制阀组成，利用可压缩空气实现变刚度特性。主气室与辅助气室之间通过节流孔连接，该节流孔同时起到阻尼的作用。通过调节辅助气室的容积和节流孔的直径能够优化座椅悬架的隔振性能。2.基本组成及原理汽车座椅悬架系统智能安全座椅系统SSTCounterRide™被动座椅悬架的运动和振动吸收能力2.基本组成及原理汽车座椅悬架系统智能安全座椅系统2）智能悬架系统控制器根据传感器测得的座椅位移或加速度信号计算出所需的控制力，并由作动器完成控制力的输出，从而实现振动的控制。主动座椅悬架理论上可以实现全频带隔振，并且驾驶员的重量不会影响控制的效果，是一种理想的隔振技术。主动座椅悬架根据控制系统的实现方式可分为电液式悬架、电动式悬架、气动式悬架以及电气动式悬架。a)不含弹簧、阻尼器b)作动器与弹簧并联c)作动器与弹簧串联主动座椅悬架结构布置2.基本组成及原理汽车座椅悬架系统智能安全座椅系统在汽车追尾碰撞事故发生后迅速向上向前运动，从远离头部的舒适位置运动到靠近头部的更为安全的位置，减小头枕与乘员头部的间隙，有效降低乘员颈部挥鞭损伤。根据机械系统方案分类：纯机械式主动头枕、电机驱动主动式头枕、弹簧驱动主动式头枕、电磁驱动式头枕、溃缩式主动头枕和活性物质驱动主动式头枕等。根据控制系统方案分类：雷达测距预判式主动头枕、激光测距主动式头枕、基于碰撞传感器的碰撞响应式头枕和智能主动头枕等。机械式头枕装置的触发机构多布置在靠背处，需要对座椅结构做较大的改动，结构复杂，不利于头枕装置的普及适用。基于雷达传感器和激光测距控制的主动式头枕装置，主要问题是价格昂贵，无法适用于中低端车辆。2.基本组成及原理主动式头枕传统的座椅头枕在由于要综合考虑舒适性、安全性及侧面视野等因素，在追尾碰撞中颈部防护效果不佳，而主动式安全头枕兼顾安全性和舒适性，其工作过程如下：智能安全座椅系统主动式头枕-碰撞响应式工作流程如下：包括执行器、传感器和控制器碰撞传感器检测碰撞情况，距离传感器获取头枕与头部距离信息；控制器接收到碰撞信号后，进一步判断检测到的距离是否小于或等于预设距离；如果是，头枕不需要启动，如果否，启动头枕，主动头枕运动一定时间到达一定位置后锁止头枕。控制器可以控制头枕向头部运动的速度，在即将接触头部的时候可锁止头枕。2.基本组成及原理主动式头枕智能安全座椅系统丰田汽车-减少颈部扭伤的座椅和主动头枕2.基本组成及原理主动式头枕智能安全座椅系统座椅结合主动安全技术，感知碰撞的发生，并主动调整座椅的位置和姿态，降低发生碰撞后乘员的损伤。1）主动移动式座椅，利用智能红外摄像头结合智能处理器来感知碰撞的发生，收到指令后座椅底部的气

压压缩器和气压发射管喷射出大量高压气体使其座椅向后或者向前移动使其远离碰撞点，进而减小伤害。2）主动式旋转座椅，碰撞前改变人体受力方向，提高碰撞安全性。座椅主动旋转保护方式的整个保护过程为在碰撞前0.1~0.35s识别不可避免的碰撞状态，并在200ms内对座椅施加一个旋转运动，将座椅旋转到使得乘员碰撞损伤最小的角度后，再使其承受碰撞冲击。主动式座椅包含主动移动式座椅和主动式旋转座椅附加功能座椅在传统座椅基础上集成如防侧滑与下滑、加热、通风、空调、生理指标监控、按摩和记忆等功能的智能舒适座椅。2.基本组成及原理主动式座椅智能安全座椅系统相较于传统座椅，汽车配备主动式旋转座椅后，碰撞发生后座椅主动旋转保护过程乘员的损伤机理如何？主动式座椅作为未来智能辅助驾驶汽车特有的保护形式，不仅需要考虑其在碰撞过程中所起到的作用，还要考虑座椅主动保护过程本身对乘员是否会造成伤害。下面以座椅主动旋转为例，探究座椅旋转过程中对乘员颈部造成的伤害。3.工程实践主动式旋转座椅智能安全座椅系统1）乘员-传统座椅-安全带模型为了对比分析，这里建立两种乘员-座椅-安全带模型，分别是乘员-传统座椅-安全带模型、乘员-新型座椅-安全带模型，并建立乘员颈椎有限元模型，最后在指定工况下进行模拟仿真。包括汽车传统座椅模型、Hybrid_Ⅲ_50th乘员模型和安全带模型。乘员只受一个三点式安全带的限制，安全带集成到座椅上，可随座椅一起旋转，安全带卷收器的力限值设置为4kN，预紧力设置为2kN，座椅靠背角度和坐垫角度分别设置为24°和14.7°。座椅头枕、靠背和坐垫材料设置为聚氨酯泡沫（缓冲吸能特性较好）。3.工程实践模型建立及工况智能安全座椅系统2）乘员-新型座椅-安全带模型在传统座椅模型的基础上添加腿部挡板和脚部支撑等约束装置，其参数设置与乘员-传统座椅-安全带模型相同3）乘员颈椎有限元模型建立完整的乘员颈椎有限元模型；赋予颈椎骨骼特性的材料参数：密度为1.9g/cm3，弹性模量为10GPa，泊松比为0.29；各向同性，采用实体单元进行的仿真模拟。4）旋转工况传统座椅和新型座椅在200ms内分别向顺时针和逆时针旋转90°。结合两种座椅布置方式，座椅主动旋转模拟过程共有四组仿真结果。3.工程实践模型建立及工况智能安全座椅系统座椅主动旋转中安全带肩带与乘员颈部接触的四种情况对比在座椅旋转90°的过程中，只有传统座椅逆时针旋转这种情况下，颈部与肩带接触，最终导致颈部的损伤；其他的情况并不一定就意味着绝对的安全，将座椅旋转角度改为180°，那么在这个角度下旋转的角速度、角加速度都会相应增大，此时乘员颈部的损伤严重程度也会相应的增大。3.工程实践旋转座椅对乘员颈部的损伤机理结果分析：智能安全座椅系统通过仿真分析，可知座椅的旋转对乘员颈部的损伤机理：颈部损伤情况是乘员惯性与座椅旋转速度两者之间的博弈，乘员的惯性受身材体重和座椅约束的影响，座椅的旋转速度受旋转角度和旋转时间的影响。1）颈部与肩带为相背运动时，没有接触力，但如果旋转角度过大，座椅的旋转角速度会相应增大，加上乘员的反向侧偏量，这时可能会出现肩带脱离肩部，从而使乘员处于脱离肩带约束的危险。2）对于颈部与肩带同向运动的情况。无论谁追谁，它们之间是否会接触，这取决于座椅的旋转速度和乘员的惯性作用谁的影响占上风。3）对于颈部与肩带相向运动的情况，即传统座椅旋转方向为逆时针时，颈部损伤的风险最高，这种情况的座椅主动旋转保护方式必须予以舍弃。3.工程实践旋转座椅对乘员颈部的损伤机理结果分析：智能安全座椅系统1）多场景化未来智能辅助驾驶汽车中，智能座舱可以是移动办公空间，生活空间，娱乐空间等，为了满足人们对不同应用场景的要求，智能座椅识别到相应的场景后，快速调整座椅到合适姿态。2）安全智能化包括智能感知、智能控制和智能监测。智能感知：结合主动安全技术，实现智能感知技术，提前预判碰撞，主动调整座椅的位置和姿态。智能控制：通过传感器与座椅融合，座椅控制方式也将从传统的按键方式，发展为APP控制，手势控制，意图感知控制等。智能监测：在座椅上集成人体温度、湿度、电信号、心率、呼吸频率等传感器，实现乘员的健康智能监测乘员的生理指标。在汽车“智能化、电动化、网联化和共享化”等四化发展背景下，未来，智能座椅将与车联网深度融合，为乘客提供智能化驾驶安全性和舒适感知性体验。多场景化、安全智能化、模块化、定制化与个性化、轻量化和零重力将成为未来汽车座椅主要发展趋势。4.发展趋势智能安全座椅系统3）模块化和轻量化模块化缩短座椅开发时间、降低制造成本；汽车座椅轻量化是实现汽车节能减排的有效措施。4）定制化与个性化在智能辅助驾驶时代，随着驾驶员角色的减弱，汽车座椅的功能会变得定制化和个性化，例如在场景体验、软硬度自适应、色彩氛围等方面满足乘客对感官和功能的不同需求。未来的智能汽车座椅可以结合人工智能算法自主分辨乘客和识别客户特征，并提供座椅定制化服务。5）零重力汽车座椅汽车座椅应让乘客产生良好的静压感，使乘员在保持自然状态的瞭望姿势时，肌肉能处于放松状态，体压力分布合理，不影响血液循环和不易使乘员疲劳，零重力座椅很好地满足了这个要求。4.发展趋势智能安全座椅系统智能座舱乘员约束系统智能汽车的座舱将逐渐智能化，智能座舱内的乘员不会被方向盘、座椅、安全带等完全约束。智能辅助驾驶的情况下，乘员不再需要执行驾驶任务，乘坐姿态和车内环境的形态将更为多样，车内空间布置更为灵活。在车辆碰撞工况下，复杂多样的乘坐环境和乘员姿态将会引起更高的碰撞伤害风险。多样的乘员坐姿变化、更加智能化的车内结构变化和智能辅助驾驶介入后的碰撞场景变化，这些对乘员约束系统的安全保护形成新的挑战。智能辅助驾驶概念车“F015LuxuryinMotion”乘坐环境1.概述如上所述，智能座舱将深彻地改变驾乘人员的坐姿，使碰撞工况复杂多样。如何应对全新的安全挑战，保障驾乘人员的安全性？普通乘员约束系统在应对复杂多样的实际碰撞事故时已呈现明显的局限性为克服传统乘员约束系统的缺点，提高乘员约束系统的防护效果，设计开发可适应多种碰撞工况和多种乘员类型的新型乘员约束系统非常有必要。这种新型乘员约束系统被称为智能乘员约束系统或可适应乘员约束系统。可适应乘员约束系统体现了“以人为本”的设计理念，它可以感知碰撞类型、碰撞强度、乘员姿态和乘员类型，根据感知信息进行实时综合判断和调整，提供最优的乘员约束系统构型，进而更有效的保护乘员。智能座舱乘员约束系统1.概述与传统的约束系统相比，自适应约束系统在硬件上增加了碰撞工况感应装置和可调乘员约束装置。2.基本组成及原理自适应乘员约束系统的组成智能座舱乘员约束系统通过车辆内部的传感器监测，实时检测车辆是否发生碰撞或即将发生碰撞。传感器监测数据采集信号处理传感器采集车辆的加速度、速度、位移等数据，用于判断碰撞的严重程度。对采集的数据