电动汽车正面碰撞试验技术及评价方法的研究概要.docx
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电动汽车正面碰撞试验技术及评价方法的研究概要
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3001622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FMVSS305、中国GB/T18384.1-2001和GB/T19751-2005以及欧洲ECER100等,但是欧洲ECER100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/T18384.1-2001的标准制定较早,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。
2.1.1确定动力电池结构特点和特性
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:
Ⅰ类设备依靠基本绝缘;Ⅱ类设备使用双重绝缘或加强绝缘。
在车辆中的安装位置和固定方式,测量和检查动力电池的荷电状态SOC以及每个单体电池的电压。
2.1.2试验前车辆准备和试验设备配备
排除车辆内所有液体包括制动液、洗涤液、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10MΩ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。
2.1.3碰撞试验后测量和异常情况处理
1碰撞试验后,立即收集试验车泄漏的液
体或电解液,同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3.1A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1A型车单体电池的数量和类型
图2A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3A型车动力总成底部视图图4A型车动力总成正面视图
3.2A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HybridⅢ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48.3km/h,碰撞试验前电池荷电状态SOC为43.8%。
3.3A型车碰撞安全特殊要求的试验结果分析
从1.1分析中得出主要有5个试验项目和要求。
A型车的碰撞安全特殊要求如表3所示。
从表3中试验结果并结合3.1.3所述的内容可以看出,对于合理布置动力电池的位置以及采用安全稳固的固定方式,是非常必要的。
表3A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6A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号试验前电压试验后电压
13.8143.814273.7663.766533.8513.851
23.8593.859283.8023.80
35
43.8613.862
33.7653.765293.81
43.8165
53.8303.830
43.7933.793303.7313.806563.7893.789
53.7313.731313.7893.789573.7483.748
63.8313.832323.8033.803583.8093.809
73.7823.782333.8153.816593.7973.797
83.7813.781343.8063.806603.8283.829
93.8193.819353.8903.890613.8073.807
103.7913.791363.8113.812623.8133.813
113.8603.860373.8243.824633.8043.804
123.8473.847383.8223.822643.7333.733
133.7603.760393.8393.839653.8563.857
143.8543.854403.8073.807663.8073.807
153.8263.826413.7893.790673.8193.819
163.8473.847423.7663.767683.8123.812
173.8273.827433.7903.790693.7933.793
183.8143.814443.8013.801703.8193.819
193.8313.831453.7703.770713.8403.840
203.8443.844463.8623.863723.7993.800
213.8173.817473.7953.795733.8033.803
223.7843.784483.8633.864743.7583.757
233.8203.820493.7873.787753.7963.796
243.7693.769503.8053.806763.7943.794
253.8623.862513.7463.746773.8183.819
263.7863.786523.7943.795783.7993.799793.8053.806803.7573.757
从实际的碰撞试验结果分析,可获得如下结论:
⑴动力电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。
⑵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。
⑶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。
⑷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A型车略重,主要是动力电池及其固定装置增加的重量。
在约束系统的配置上是完全一致的。
3.4.1乘员伤害指标比较分析
从图5和图6伤害指标的比较看,A型车头部伤害指标比较小,但胸部伤害指标要大于B型车。
A型车胸部伤害指标较大主要是由于前部车身变形较大所造成的。
图5头部伤害指标的比较图6胸部伤害指标的比较
3.4.2整车变形情况高速影像比较分析
以下图7~图12是A型车和B型车的高速影像图,图像以后轴作为基准中心,进行分析。
左侧为A型车图像,右侧为B型车图像。
图70ms碰撞图像图820ms碰撞图像图940ms碰撞图像图1060ms碰撞图像
图1180ms碰撞图像图12100ms碰撞图像从上述图中分析,20ms时车辆前部均已变形,当80ms时车辆前部变形达到最大,A型车前部变形量650㎜,B型车前部变形量520㎜.电动汽车正面碰撞的变形较原型车大,主要是电动汽车前舱内部布置部件的变化,同原型车相比较电动汽车动力总成的所占用的空间较小,致使变形空间较大.对于上述分析,同时也验证了A型车胸部伤害指标较大的原因.3.4.3B柱加速度比较分析车身耐撞性分析,通常使用B柱加速度和时间的历程曲线.从图13的比较中可以看出,在前35ms内,A型车和B型车碰撞所产生的加速度曲线的形状和趋势以及时间相位都相差不多,只是B型车加速度峰值较大.在35ms～100ms时间范围内,B型车的峰值明显增大,并且时间历程在80ms内停止.而A型车的峰值小,并且时间历程较长,A型车的B柱加速度曲线呈矩形波状,变化趋势较为平稳,车身耐撞性好于B型车.4结论碰撞试验前和试验后,对电池状态应有准确地判断.否则,碰撞试验后如果动力电池发生爆炸,图13车身B柱加速度曲线图对试验人员和试验设备将造成极大的危险和伤害.所以应建立一套完整的试验程序和试验方法,并且严格按照试验程序进行试验,以确保试验的安全性.⑴建立了电动汽车一套完整的试验程序和试验方法,并在实车正面碰撞试验中得到了验证.⑵电动汽车碰撞试验前和试验后,增加测量单体电池电压和绝缘电阻等两项评价指标,使定性判定指标和定量指标相结合,便于试验操作和实施.⑶通过分析比较电动汽车和原型车的正面碰撞乘员保护的试验结果,得出电动汽车碰撞安全性能与原型车相比没有恶化.（收稿日期:
2006-05-2540g35302520151050020406080100ms120A型车B型车
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