有關電動汽車碰撞事故特徵與電池約束安全設計探討論文

　　0引言

隨着我國環境問題的日益突出，電動汽車越來越受到人們的青睞，政府的政策扶持更是助推了電動汽車市場份額的擴大。但是，電動汽車的安全性能並不十分令人滿意。現有電動汽車的交通事故都顯示其在安全性能上尚有進一步改善的餘地。我國每年交通事故的死亡人數高達數萬人，因此有必要加強對電動汽車交通事故形態的研究並探討相應的對策。

目前，在交通事故統計方面，電動汽車未單獨分類，同時，作為新興產品，很多電動汽車還處於初期使用階段。但是，對於電動汽車而言，其交通事故的形態有着新的特點。由於電動汽車採用電力驅動，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，交通事故安全防範研究的重點主要集中在傳統的汽油車上，而電動汽車在交通事故發生後有着更為嚴重的二次事故特徵，同時，在汽車碰撞安全檢測方面，電動汽車也存在着更高的難度。因此，加強電動汽車交通安全研究有着非常重要的意義和實用價值。

文中通過對電動汽車碰撞事故特點進行研究，提出了一種新型的電池組防護與約束結構，並通過數值仿真，驗證了其有效性，可為後續相關研究提供參考和借鑑。

　　1電池組安全防範

目前對於電動汽車電池組的安全防護研究主要集中於電池組的充放電保護，側重於電學領域，對於電池組的機械防護研究較少。電池箱是目前絕大多數電動汽車採用的保護手段。從國內外相關文獻來看，對於電動汽車電池組的防碰撞保護主要集中於電池箱結構的改善，包括選用高強度材料、採用加強筋以及設置緩衝裝置等。在實際生產中，電池箱的結構形式多種多樣。以國外的特斯拉為例，公開的US8286743B2號專利詳細描述了特斯拉電動汽車電池箱的結構，整個箱體相當於一個底盤，呈平鋪式結構。在防碰撞保護上，一方面採用高強度的鈦合金板來加強對電池組的保護，另一方面採用橫向的隔板來抵禦側面的撞擊，具體體現在箱體中部的隔板厚於其餘隔板，這對於國內電動汽車電池箱設計具有一定的借鑑意義。

在電池組的試驗規範及安全性要求上，國內外關於電動汽車安全標準和法規主要有:GB/T18384.1-2001《電動汽車安全要求第1部分:車載儲能裝置》、GB/T19751-2005《混合動力電動汽車安全要求》、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，電動汽車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後不得竄入客艙，威脅乘車人安全，第三方保護指電池組受到碰撞後不得從車上掉落或者甩出，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，防止二次事故發生。

　　2電池組防護裝置設計

2.1設計思路

國內的電動汽車電池組以箱體結構為主，不同於特斯拉的底盤式結構。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量的高速衝擊。很多實際及仿真碰撞試驗表明，當車輛碰撞速度達50km/h時，電池組受到這樣的衝擊極其危險。因此對於電池組的防護裝置設計可考慮採用機械緩衝結構，通過緩衝作用來吸收部分碰撞的能量，降低電池組可能受到的衝擊力，從而達到對電池組保護的目的。

2.2設計實例

本文所設計的電池組保護機構內置電池箱。裝置呈開放式結構，有利於散熱。

不同的電動汽車生產製造廠家所採用的電池組尺寸各不相同，參照中華人民共和國汽車行業標準QC/T840-2010中關於電動汽車用蓄電池產品規格尺寸的相關規定，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，豎直方向上由車體支撐，以減輕電池組保護機構的載荷，同時也便於後續的分析。

其基本原理是:首先將橫向的衝擊力通過連桿機構轉換為縱向的衝擊力，然後通過彈簧3來緩衝縱向的衝擊力。同時由於受到連桿的推動，電池約束框1分別向上下兩側運動，逐步釋放約束框內的.電池箱，一旦衝擊力過大，電池箱將被釋放，可在裝置內部自由移動，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度為δ，菱形連桿機構中連桿8的長度為L。為了保證大沖擊力下電池組能夠被成功釋放，設計中兩者關係應當滿足:

δ>1-??32()L

該裝置為純機械結構，可靠性高。值得注意的是上述結構並不代表實際生產中的設計結構，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;為了保證有效抵禦衝擊力防護杆1可增擴展為板型或者網狀結構。

2.3數值仿真及結構改進

為驗證所設計保護裝置的有效性，對上述模型進行了數值仿真對比試驗。首先從直觀上觀察可知防護杆6的結構顯然不利於抵擋來自側向的撞擊，因此將其改為結構強度更好的管狀結構。鑑於模型的對稱性，取其一半進行分析。通過CAD軟件UG建立機構三維模型，然後導入ANSYS軟件中建立有限元分析模型。

在仿真實驗中所有部件材料取為Q235。鑑於大多數電池組外層都有一層金屬保護殼，本文作為探究性實驗，旨在定性地考察所設計裝置對於電池組的保護效果，因此將對被保護對象作合理的簡化。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評估保護機構對於電池組的保護效果。

右側的立方體為簡化的碰撞物，參照SAEJ2464-2009衝擊試驗等級和要求，利用ANSYS中的瞬態動力學分析模塊，在本文中取初速度為10m/s，計算時間5ms。為了驗證防護效果，對沒有防護裝置的電池箱進行碰撞模擬仿真，得到電池箱的最大應力隨時間變化關係。

在對比試驗中，對添加防護裝置的模型進行仿真，計算結果，由圖可知應力主要集中於防護杆及固定裝置部分，且應力超過了材料的許用應力，因此需要對結構做出相應的改進。電池組防護套在碰撞過程中沒有明顯的位移，原因是彈簧剛度過大所致，沒有起到緩衝的效果。觀察電池箱的受力情況，可以發現電池組的主要受力點集中在中部附近，繪製碰撞過程中電池箱的最大應力隨時間變化的關係。可以看到添加防護裝置後最大應力降低了近90%，效果十分明顯。

針對上述計算結果，對結構做出如下改進:適當降低彈簧剛度，電池組最大受力點處增加一層緩衝材料，優化固定裝置和防護杆連接處的結構。

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間變化的關係。可以看到最大應力降低了近66%，改進後的防護效果良好。上述仿真結果顯示碰撞過程中電池組保護殼的最大應力在其許用範圍內，對於殼體內部的電池組能起到良好的防護作用。其中緩衝物質對於降低關鍵點的應力起到了顯著作用，圖8顯示了緩衝物質在碰撞過程中的變化。

　　3結語

本文對電動汽車交通事故的特點進行了分析，電池組作為其核心部件在碰撞事故中有着較大的潛在威脅，應當重點防護，避免發生二次事故。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，同時還在數值仿真的基礎上對結構進行了適當改進，計算結果表明改進後的結構具有更好的防護效果。