電動汽車正面碰撞安全評價指標(biāo)體系研究

王 鑫，蹇小平

(1.西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院， 西安 710077; 2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院， 西安 710064)

電動汽車正面碰撞安全評價指標(biāo)體系研究

王 鑫1，蹇小平2

(1.西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院， 西安 710077; 2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院， 西安 710064)

伴隨我國電動汽車保有量的增加，致使電動汽車碰撞引發(fā)的交通事故事件也與日俱增。由于我國目前尚無針對電動汽車的統(tǒng)一碰撞安全評價標(biāo)準(zhǔn)，因此無法良好的評估我國市場上電動汽車的碰撞安全性能。針對該問題，根據(jù)電動汽車的結(jié)構(gòu)特點,依據(jù)國內(nèi)外電動汽車碰撞安全法規(guī)和碰撞標(biāo)準(zhǔn),再結(jié)合傳統(tǒng)燃油車成熟的碰撞安全評價指標(biāo)，提出了相應(yīng)的電動汽車正面碰撞的安全評價指標(biāo)體系，為我國以后建立相應(yīng)的電動汽車安全評價標(biāo)準(zhǔn)提供一定的參考。

電動汽車；正面碰撞；安全評價指標(biāo)體系

伴隨能源危機及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動汽車已經(jīng)在世界上逐步普及。我國目前電動汽車發(fā)展勢頭較快，但隨著電動汽車的推廣與使用，電動汽車安全問題成為業(yè)內(nèi)外關(guān)注的焦點。2005年，深圳比亞迪E6電動汽車發(fā)生碰撞后引發(fā)的自燃導(dǎo)致車內(nèi)3人死亡，該交通事故讓公眾對電動汽車的安全性產(chǎn)生了一定的質(zhì)疑。由于我國目前尚無關(guān)于電動汽車的碰撞安全評價的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以對于評價國內(nèi)外各品牌電動汽車的碰撞安全性將十分困難。因此，建立電動汽車碰撞安全評價指標(biāo)已是當(dāng)務(wù)之急。

電動汽車的結(jié)構(gòu)布置和動力來源等各方面與傳統(tǒng)燃油汽車存在許多差異(見表1)[1-2]，使得電動汽車正面碰撞的安全性研究不能夠完全借鑒傳統(tǒng)燃油汽車[1]。電動汽車在發(fā)生正面碰撞后，如果動力電池的約束方式不當(dāng)，動力電池可能竄進乘員艙直接撞擊乘員，而且進一步的擠壓會造成電池體積變小，電池內(nèi)壓升高，從而有發(fā)生爆炸的可能；同時，蓄電池的穿刺和撕裂可能導(dǎo)致電解液從裂縫或殼體和蓋之間的邊緣濺出，電解液的腐蝕性可能灼傷乘員或與周圍金屬反應(yīng)生成有害氣體等[1]。再加上動力電池的泄露引發(fā)的著火現(xiàn)象及高壓線路漏電的危險，極可能在電動汽車發(fā)生碰撞后對乘客帶來較大的傷害。因此，電動汽車的碰撞安全評價指標(biāo)較傳統(tǒng)汽車應(yīng)更加復(fù)雜。

1 影響電動汽車正面碰撞安全因素指標(biāo)分析

由于電動汽車車體結(jié)構(gòu)及總成布置與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車有較大差別，在進行正面碰撞時所考慮的安全評價因素也有所差別。本文在參考美國電動汽車安全法規(guī)FMVSS305、我國在2001制定的《電動汽車安全要求》及GB/T18384.1—2015和C-NCAP 碰撞標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出以下幾點電動汽車正面碰撞安全性因素：

1.1 電氣安全因素指標(biāo)

1) 碰撞后絕緣電阻阻值變化

電動汽車的電氣設(shè)備遠遠多于傳統(tǒng)燃料汽車。一般情況下，電動汽車除傳統(tǒng)電器設(shè)備電路外，還有大量的動力電池供電及控制電路。實際試驗結(jié)果表明：一旦電動汽車發(fā)生碰撞事故，電動汽車前艙內(nèi)的PCU及驅(qū)動電機鏈接失效的風(fēng)險較大，PCU和多處高壓電線存在侵入和擠壓的風(fēng)險，因此有可能出現(xiàn)絕緣層破壞、動力電路短路漏電的安全隱患[3]。對于防止電動汽車碰撞后電路短路傷害乘客，有必要在碰撞試驗前后測量和評價電動汽車絕緣電阻。本文參考我國GB/T18384.1—2015標(biāo)準(zhǔn)要求，如果動力電池系統(tǒng)沒有交流電路或交流電路有附加防護，則絕緣電阻安全限值大于100 Ω/V。測量電動汽車碰撞前后汽車絕緣電阻數(shù)值作為評價指標(biāo)。絕緣電阻的計算公式如下：

(1)

2) 碰撞前后單體動力電池電壓變化

在動力電池受到機械沖擊的情況下，為檢驗動力電池防短路性能，可通過在碰撞前后測量單體動力電池電壓參數(shù)變化情況進行分析。如果在碰撞前后單體動力電池電壓參數(shù)變化較大，則反映該電動汽車在發(fā)生正面碰撞時存在動力電池漏電短路的隱患。因此，將碰撞前后單體動力電池電壓參數(shù)變化作為分析動力電池碰撞安全的一個重要指標(biāo)。

3) 動力電池包穿入及電解液泄漏因素

合理布置動力電池的位置以及采用安全穩(wěn)固的固定方式是非常必要的。電動汽車在設(shè)計時動力電池箱盡可能布置在車輛碰撞的非變形吸能區(qū)域內(nèi)，避免動力電池在碰撞中發(fā)生擠壓變形。動力電池箱固定時盡量與車身縱梁等穩(wěn)固件連接，并且單體電池采用獨立穩(wěn)定的整體框架式結(jié)構(gòu)進行固定[5]，以避免動力蓄電池、蓄電池模塊、電解液進入乘客艙內(nèi)。根據(jù)美國電動汽車安全法規(guī)FMVSS305要求，碰撞試驗后在30 min內(nèi)溢出乘客艙的電解液不能超過5 L。

4) 過電流斷開裝置的配備

過電流斷開裝置主要是指：當(dāng)電動汽車發(fā)生碰撞后，若動力蓄電池連接的電路出現(xiàn)短路或過流等現(xiàn)象時,能夠自動斷開與動力蓄電池的連接電路的裝置。根據(jù)GB/T 31498—2015 《電動汽車碰撞后的安全要求》的要求，電動汽車在發(fā)生碰撞后，整車母線電壓、母線搭鐵電壓滿足交流不大于30 V和直流不大于60 V，電能要求高壓母線上的總電能小于0.2 J[6]。對于電動汽車安裝防止短路的過電流斷開裝置，雖然美國標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定,但是對于在碰撞事故中防止乘員觸電是非常有效的保護方式[7]。

1.2 耐撞性安全因素指標(biāo)

1) 汽車結(jié)構(gòu)位移變形評價

汽車結(jié)構(gòu)位移變形是指汽車車身結(jié)構(gòu)在發(fā)生碰撞后發(fā)生的相對位移變化?？梢酝ㄟ^前縱梁、駕駛艙及前門框的變形位移情況反映電動汽車車身的吸能情況、乘員的生存空間及逃逸空間。

2) 吸能特性評價

汽車的吸能效果從一定程度上反映在汽車發(fā)生正面碰撞時對汽車乘員艙沖擊力的衰減效果。在汽車碰撞吸能效果評價中普遍采用整車吸能總值、吸能比(前縱梁吸能值與總車吸能值的比值)和前縱梁質(zhì)量能密度(前縱梁的吸能量與其質(zhì)量的比值)3個指標(biāo)進行評價[8]。

3) 碰撞過程的加速度評價指標(biāo)

參考大量傳統(tǒng)汽車正面碰撞試驗數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)電動汽車以一定初速度行駛與固定障壁發(fā)生碰撞，考慮到汽車碰撞時間極短，假設(shè)汽車在發(fā)生碰撞時未發(fā)生制動，汽車與路面摩擦力較小，此時可近似認(rèn)為汽車碰撞前的總能量幾乎全被車身變形所吸收。碰撞總能量計算公式如下：

(2)

式中：E為碰撞前總能量；v0為電動汽車初始車速；T為電動汽車開始接觸碰撞到碰撞結(jié)束的時間；a(t)為車身減速度；v(t)為碰撞過程中的車身質(zhì)心的速度。

通過以上分析可知：電動汽車在發(fā)生正面碰撞過程中汽車質(zhì)心加速度參數(shù)是評價電動汽車車身正面碰撞的一個重要特性指標(biāo)。而對于電動汽車質(zhì)心加速度參數(shù)性能指標(biāo)可根據(jù)碰撞過程中的最大加速度、平均加速度及加速度均方根3個指標(biāo)進行分析。

1.3 乘員保護評價指標(biāo)

1) 頭部碰撞性能指標(biāo)(HPC)[9]

在試驗過程中，如果頭部與任何車輛部件不發(fā)生接觸，則認(rèn)為符合要求。如果發(fā)生頭部與車輛部件接觸，頭部傷害按下列公式計算：

(3)

式中：t1和t2為頭部接觸起點與記錄結(jié)束2個時刻(單位為s)，2個時刻之間的某一段時間間隔內(nèi)HPC值應(yīng)為最大，時間差符合t2-t1≤36 ms。a為3個方向的合成加速度，測試結(jié)果HPC應(yīng)該小于1 000。

2) 胸部碰撞性能指標(biāo)(ThPC)

按照GB11551—2003標(biāo)準(zhǔn)，測量胸部變形的絕對值表示胸部碰撞性能指標(biāo)，以mm為單位。其中胸部碰撞指標(biāo)參數(shù)ThPC值應(yīng)該小于75 mm。

3) 大腿碰撞性能指標(biāo)(FPC)

按照GB11551—2003標(biāo)準(zhǔn)，測量軸向傳遞至假人每條大腿的壓力表示大腿碰撞性能指標(biāo)，以kN為單位。大腿碰撞性指標(biāo)參數(shù)FPC數(shù)值應(yīng)小于10 kN。

1.4 乘員約束系統(tǒng)評價指標(biāo)

乘員約束系統(tǒng)主要指座椅、安全帶和安全氣囊。乘員約束系統(tǒng)確保電動汽車在發(fā)生碰撞后能降低乘員的頭部和胸部等部位不直接與方向盤、儀表板或擋風(fēng)玻璃發(fā)生直接碰撞，盡可能地避免乘員與內(nèi)室發(fā)生二次碰撞。目前，國內(nèi)外采用加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC來全面評價乘員約束系統(tǒng)的性能，對假人的頭部傷害、胸部壓縮量、大腿沖擊力進行測定，并采用加權(quán)加值的方法得到綜合評價指標(biāo)WIC。WIC值越低，說明約束系統(tǒng)的保護性能越好；反之，則越差。

WIC計算公式為：

(4)

式中：HIC為頭部傷害值；C3ms為胸部累計3 ms 合成加速度(g)；Ccomp為胸部壓縮量(m)；FL max為左大腿骨最大軸向力(kN)；FR max為右大腿骨最大軸向力(kN)。若WIC計算結(jié)果小于1，說明該乘員約束系統(tǒng)具有較好的約束效能[10]。

2 電動汽車正面碰撞安全評價模型

2.1 評價指標(biāo)體系

根據(jù)上述描述，電動汽車正面碰撞安全影響因素較多，為進一步綜合評價電動汽車正面碰撞的安全性能，本文擬建立一個多層次電動汽車正面碰撞安全評價指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系包括3個層次:以“電動汽車正面碰撞安全性能評價水平”作為電動汽車正面碰撞安全性的評價體系的目標(biāo)層;電動汽車的電氣安全性、耐撞性、乘員保護性及乘員約束性作為評價體系的準(zhǔn)則層。根據(jù)上述層次劃分，建立電動汽車正面碰撞安全性評價指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 電動汽車正面碰撞安全性能評價指標(biāo)體系

2.2 建立判斷矩陣及權(quán)重分析模型

(5)

(6)

(7)

2.3 指標(biāo)評價值轉(zhuǎn)化

在電動汽車正面碰撞安全性能評價指標(biāo)中有很多可定量的指標(biāo)值，例如電動汽車動力電池電壓變化值、車身碰撞位移尺寸參數(shù)、電動汽車碰撞加速度等均可通過檢測設(shè)備測出。這些指標(biāo)值不僅量綱不同，而且數(shù)量級也不同，如果不進行處理，這些指標(biāo)不具有可比性。

本文通過對各測得的數(shù)據(jù)進行量綱為一化處理，使各個不同量綱指標(biāo)具有可比性。具體方法是將實測指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為間的分值，方法如下：

(8)

式中：x0為該指標(biāo)最優(yōu)值；xmax和xmin分別為該指標(biāo)對應(yīng)的最大值和最小值；x為電動汽車碰撞安全指標(biāo)參數(shù)。其中xmax和xmin的數(shù)值根據(jù)參考行業(yè)法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行選取。

2.4 評價等級確定

為了進一步對電動汽車正面碰撞安全進行綜合評價，需對不同電動汽車碰撞評價結(jié)果根據(jù)統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)進行等級劃分[13]。本文根據(jù)電動汽車正面碰撞評價指標(biāo)及評價方法，提出一種電動汽車正面碰撞安全性能綜合評價等級劃分模型，如表2所示。

表2 電動汽車正面碰撞安全性能綜合評價等級劃分

3 電動汽車正面碰撞安全評價案例分析

本文根據(jù)電動汽車碰撞安全技術(shù)，以電動汽車安全標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)的調(diào)查研究和專家意見，建立電動汽車正面碰撞安全評價體系模型。為進一步驗證該評價模型，本文對兩款不同的電動汽車進行碰撞實驗，并通過檢測數(shù)據(jù)的結(jié)果對評價體系進行實例論證。

3.1 構(gòu)造判斷矩陣及權(quán)重計算

根據(jù)電動汽車正面碰撞安全評價體系的建立，通過對評價體系的各指標(biāo)影響因素的分析，再綜合長安大學(xué)及西安航空學(xué)院5位專家的評審意見，通過不確定層次分析法構(gòu)建判斷矩陣，如表3所示。

表3 關(guān)于電動汽車正面碰撞安全評價指標(biāo)A判斷矩陣

通過判斷矩陣可以分別得出A+和A-矩陣：

(9)

通過采用最小二乘法式(6)(7)，可得到歸一化向量w+和w-：

(10)

(11)

根據(jù)區(qū)間判斷的AHP理論算法，分別求得k=0.942,m=1.056,最終帶入公式求得判斷矩陣A的權(quán)重向量：

(12)

(13)

根據(jù)式(11)和(12)可得到評價矩陣指標(biāo)的范圍：

采用同樣方式對電氣安全指標(biāo)、耐撞性評價指標(biāo)、乘員保護評價指標(biāo)權(quán)重進行計算分析，結(jié)果見表4～6。

最后將所有2級指標(biāo)進行綜合加權(quán)可得到綜合指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果，如表7所示。

3.2 指標(biāo)測量結(jié)果的評價轉(zhuǎn)化

本文對2輛不同品牌的電動汽車正面碰撞安全評價數(shù)據(jù)進行分析，其中A型電動汽車所使用的動力電池為鋰離子電池，電池總電壓為288 V。單體電池數(shù)量為80只,單體電池容量和電壓分別為50 A·h和3.6 V，采用獨立固定整體框架結(jié)構(gòu)方式固定。動力電池箱處于正面碰撞的非吸能變形區(qū)域內(nèi)，位于車輛乘員艙的外部。A型車駕駛艙內(nèi)裝備有駕駛員正面及側(cè)面安全氣囊和乘員側(cè)正面安全氣囊。B型電動汽車所使用的動力電池為鋰離子電池，電池總電壓為316 V。單體電池數(shù)量為96只,單體電池容量和電壓分別為120 A·h和3.3 V，動力電池箱也處于正面碰撞的非吸能變形區(qū)域內(nèi)。B型車駕駛艙內(nèi)同樣裝備有駕駛員正面及側(cè)面安全氣囊和乘員側(cè)正面安全氣囊。

在碰撞實驗中，分別對2輛車中的假人使用腰帶和肩帶進行約束，并在碰撞前將2輛汽車的動力電池SOC值調(diào)整到50%，以規(guī)定50 km/h車速與固定障礙壁表面垂直相撞，從而確保2輛車的碰撞試驗所獲得數(shù)據(jù)具有可比性。

根據(jù)碰撞實驗結(jié)果，分別獲得A型車和B型車的碰撞實驗參數(shù)，見表8～10。

最終，將A型電動汽車和B型電動汽車碰撞安全無量綱化的測試結(jié)果代入到電動汽車正面碰撞安全評價指標(biāo)綜合權(quán)重體系中，結(jié)果見表12。

表4 關(guān)于電動汽車正面碰撞電氣安全指標(biāo)B1判斷矩陣及權(quán)重指標(biāo)

表5 關(guān)于電動汽車正面碰撞耐撞性指標(biāo)B2判斷矩陣及權(quán)重指標(biāo)

表6 關(guān)于電動汽車正面碰撞乘員保護指標(biāo)B3判斷矩陣及權(quán)重指標(biāo)

表7 電動汽車正面碰撞安全評價指標(biāo)綜合權(quán)重計算

表8 A型及B型電動汽車碰撞電氣安全試驗參數(shù)

表9 A型及B型電動汽車碰撞耐撞性試驗參數(shù)

表10 A型及B型電動汽車碰撞乘員保護及約束試驗參數(shù)

表11 A型及B型電動汽車碰撞試驗參數(shù)量化值

表12 A型電動汽車和B型電動汽車碰撞安全綜合加權(quán)評價

最終得到A型電動汽車和B型電動汽車正面碰撞安全加權(quán)綜合評價值為8.27和8.92。由表2電動汽車正面碰撞安全性能綜合評價等級劃分可以看出，2種電動汽車評價等級都為良，B型電動汽車正面碰撞安全綜合水平略高于A型電動汽車。針對上述2類電動汽車，本文在根據(jù)綜合評價結(jié)果提出以下優(yōu)化措施以便后期改進：

1) 在電氣安全評價指標(biāo)體系中，兩種電動汽車整體性能接近，但A型汽車沒有安裝過電流斷開裝置，致使在評分上略遜于B型車，建議后期改進時增加該裝置。

2) 在耐裝性評價指標(biāo)中，B型車前部在撞擊時變形量比A型車大，但駕駛艙和前門框變形較少，說明B型車吸能效果較A型車好。但B型車受車重影響碰撞加速度性能指標(biāo)不如A型車，建議A型車通過改進前縱梁結(jié)構(gòu)及材料，提高質(zhì)量能密度；對于B型車建議優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)，采用新型輕質(zhì)材料，降低整備質(zhì)量。

3) 在乘員保護評價指標(biāo)中，2種電動汽車的胸部碰撞和腿部碰撞的防護性能評價結(jié)果并不是最優(yōu)，可通過改進汽車的前縱梁、前地板和前輪罩的剛度分配和材料剛度來進行優(yōu)化。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)電動汽車正面碰撞安全性影響因素，參考國內(nèi)外電動汽車安全標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)，建立電動汽車正面碰撞安全性能評價指標(biāo)體系及評價模型。依據(jù)2種不同電動汽車正面碰撞的試驗數(shù)據(jù)和5位專家提供的權(quán)重參數(shù)進行實例論證，最后根據(jù)分析2種電動汽車正面碰撞安全性評價指標(biāo)提出優(yōu)化措施，以便后期進行設(shè)計改進。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Research on Full Frontal Crash Safety Evaluation Index System for Electric Vehicle

WANG Xin1， JIAN Xiaoping2

(1.School of Vehicle Engineering, Xi’an Aeronautical University， Xi’an 710077, China; 2.School of Automobile, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

With the increase of the electric vehicle ownership in China, the traffic accident of electric vehicle collision events have increase in recent. There is not setting up the unification of the electric vehicle collision safety evaluation standard in China, therefore we can not assess electric vehicle collision safety performance in China market well. According to the structure features and characteristics for electric cars and the corresponding safety regulations and standards of domestic and foreign electric car crash test, it put forward the corresponding electric vehicle frontal crash safety evaluation standard to provide a certain amount of research for China to establish the corresponding electric vehicle safety evaluation index system.

electric vehicle; full frontal crash; safety evaluation index system

2016-08-24 基金項目：中央高校創(chuàng)新團隊項目“插電式小型純電動場地教練車關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013G3222004)

王鑫(1984—)，男，碩士研究生，主要從事電動汽車安全技術(shù)研究，E-mail:power0913@126.com。

王鑫，蹇小平.電動汽車正面碰撞安全評價指標(biāo)體系研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(8):28-36.

format：WANG Xin，JIAN Xiaoping.Research on Full Frontal Crash Safety Evaluation Index System for Electric Vehicle[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):28-36.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.005

U461.91

A

1674-8425(2017)08-0028-09