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有關(guān)電動(dòng)汽車碰撞事故特征與電池約束安全設(shè)計(jì)探討論文
0引言
隨著我國環(huán)境問題的日益突出，電動(dòng)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(dòng)汽車市場份額的擴(kuò)大。但是，電動(dòng)汽車的安全性能并不十分令人滿意。現(xiàn)有電動(dòng)汽車的交通事故都顯示其在安全性能上尚有進(jìn)一步改善的余地。我國每年交通事故的死亡人數(shù)高達(dá)數(shù)萬人，因此有必要加強(qiáng)對電動(dòng)汽車交通事故形態(tài)的研究并探討相應(yīng)的對策。
目前，在交通事故統(tǒng)計(jì)方面，電動(dòng)汽車未單獨(dú)分類，同時(shí)，作為新興產(chǎn)品，很多電動(dòng)汽車還處于初期使用階段。但是，對于電動(dòng)汽車而言，其交通事故的形態(tài)有著新的特點(diǎn)。由于電動(dòng)汽車采用電力驅(qū)動(dòng)，在交通事故中極易出現(xiàn)二次事故，包括電池組爆炸、漏電以及因此而產(chǎn)生的火災(zāi)等，從而加劇事故的嚴(yán)重程度。目前，交通事故安全防范研究的重點(diǎn)主要集中在傳統(tǒng)的汽油車上，而電動(dòng)汽車在交通事故發(fā)生后有著更為嚴(yán)重的二次事故特征，同時(shí)，在汽車碰撞安全檢測方面，電動(dòng)汽車也存在著更高的難度。因此，加強(qiáng)電動(dòng)汽車交通安全研究有著非常重要的意義和實(shí)用價(jià)值。
文中通過對電動(dòng)汽車碰撞事故特點(diǎn)進(jìn)行研究，提出了一種新型的電池組防護(hù)與約束結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)值仿真，驗(yàn)證了其有效性，可為后續(xù)相關(guān)研究提供參考和借鑒。
1電池組安全防范
目前對于電動(dòng)汽車電池組的安全防護(hù)研究主要集中于電池組的充放電保護(hù)，側(cè)重于電學(xué)領(lǐng)域，對于電池組的機(jī)械防護(hù)研究較少。電池箱是目前絕大多數(shù)電動(dòng)汽車采用的保護(hù)手段。從國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)來看，對于電動(dòng)汽車電池組的防碰撞保護(hù)主要集中于電池箱結(jié)構(gòu)的改善，包括選用高強(qiáng)度材料、采用加強(qiáng)筋以及設(shè)置緩沖裝置等。在實(shí)際生產(chǎn)中，電池箱的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。以國外的特斯拉為例，公開的US8286743B2號專利詳細(xì)描述了特斯拉電動(dòng)汽車電池箱的結(jié)構(gòu)，整個(gè)箱體相當(dāng)于一個(gè)底盤，呈平鋪式結(jié)構(gòu)。在防碰撞保護(hù)上，一方面采用高強(qiáng)度的鈦合金板來加強(qiáng)對電池組的保護(hù)，另一方面采用橫向的隔板來抵御側(cè)面的撞擊，具體體現(xiàn)在箱體中部的隔板厚于其余隔板，這對于國內(nèi)電動(dòng)汽車電池箱設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。
在電池組的試驗(yàn)規(guī)范及安全性要求上，國內(nèi)外關(guān)于電動(dòng)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)主要有:GB/T18384.1-2001《電動(dòng)汽車安全要求第1部分:車載儲能裝置》、GB/T19751-2005《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求》、美國的FMVSS305《電解液溢出及電機(jī)事故防護(hù)》和歐洲的ECER94-1995《在汽車正面碰撞中保護(hù)乘員的統(tǒng)一規(guī)定》等。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，從電池組的安裝上看，電動(dòng)汽車碰撞的安全性要求主要包括乘員保護(hù)和第三方保護(hù)。乘員保護(hù)指電池組受到碰撞后不得竄入客艙，威脅乘車人安全，第三方保護(hù)指電池組受到碰撞后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(shè)計(jì)的電池保護(hù)裝置既要實(shí)現(xiàn)對電池組本身的保護(hù)，又要對其形成空間上的位移約束，防止二次事故發(fā)生。
2電池組防護(hù)裝置設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)思路
國內(nèi)的電動(dòng)汽車電池組以箱體結(jié)構(gòu)為主，不同于特斯拉的底盤式結(jié)構(gòu)。因此受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，普通的方形結(jié)構(gòu)電池箱難以抵擋大質(zhì)量的高速沖擊。很多實(shí)際及仿真碰撞試驗(yàn)表明，當(dāng)車輛碰撞速度達(dá)50km/h時(shí)，電池組受到這樣的沖擊極其危險(xiǎn)。因此對于電池組的防護(hù)裝置設(shè)計(jì)可考慮采用機(jī)械緩沖結(jié)構(gòu)，通過緩沖作用來吸收部分碰撞的能量，降低電池組可能受到的沖擊力，從而達(dá)到對電池組保護(hù)的目的。
2.2設(shè)計(jì)實(shí)例
本文所設(shè)計(jì)的電池組保護(hù)機(jī)構(gòu)內(nèi)置電池箱。裝置呈開放式結(jié)構(gòu)，有利于散熱。
不同的電動(dòng)汽車生產(chǎn)制造廠家所采用的電池組尺寸各不相同，參照中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T840-2010中關(guān)于電動(dòng)汽車用蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸的相關(guān)規(guī)定，確定本文設(shè)計(jì)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(hù)機(jī)構(gòu)的載荷，同時(shí)也便于后續(xù)的分析。
其基本原理是:首先將橫向的沖擊力通過連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為縱向的沖擊力，然后通過彈簧3來緩沖縱向的沖擊力。同時(shí)由于受到連桿的推動(dòng)，電池約束框1分別向上下兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，逐步釋放約束框內(nèi)的電池箱，一旦沖擊力過大，電池箱將被釋放，可在裝置內(nèi)部自由移動(dòng)，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(shè)約束框與電池箱在縱向的單側(cè)接觸長度為δ，菱形連桿機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)中兩者關(guān)系應(yīng)當(dāng)滿足:
δ>1-槡32()L
該裝置為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，可靠性高。值得注意的是上述結(jié)構(gòu)并不代表實(shí)際生產(chǎn)中的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，只是提供一種防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)理念，具體方案根據(jù)實(shí)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(shè)計(jì)為封閉式結(jié)構(gòu);為了保證有效抵御沖擊力防護(hù)桿1可增擴(kuò)展為板型或者網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
2.3數(shù)值仿真及結(jié)構(gòu)改進(jìn)
為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的有效性，對上述模型進(jìn)行了數(shù)值仿真對比試驗(yàn)。首先從直觀上觀察可知防護(hù)桿6的結(jié)構(gòu)顯然不利于抵擋來自側(cè)向的撞擊，因此將其改為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更好的管狀結(jié)構(gòu)。鑒于模型的對稱性，取其一半進(jìn)行分析。通過CAD軟件UG建立機(jī)構(gòu)三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS軟件中建立有限元分析模型。
在仿真實(shí)驗(yàn)中所有部件材料取為Q235。鑒于大多數(shù)電池組外層都有一層金屬保護(hù)殼，本文作為探究性實(shí)驗(yàn)，旨在定性地考察所設(shè)計(jì)裝置對于電池組的保護(hù)效果，因此將對被保護(hù)對象作合理的簡化。在仿真計(jì)算中，保護(hù)機(jī)構(gòu)中間的電池組用一立方殼體代表，這樣就可以根據(jù)殼體的變形情況來評估保護(hù)機(jī)構(gòu)對于電池組的保護(hù)效果。
右側(cè)的立方體為簡化的碰撞物，參照SAEJ2464-2009沖擊試驗(yàn)等級和要求，利用ANSYS中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊，在本文中取初速度為10m/s，計(jì)算時(shí)間5ms。為了驗(yàn)證防護(hù)效果，對沒有防護(hù)裝置的電池箱進(jìn)行碰撞模擬仿真，得到電池箱的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系。
在對比試驗(yàn)中，對添加防護(hù)裝置的模型進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果，由圖可知應(yīng)力主要集中于防護(hù)桿及固定裝置部分，且應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力，因此需要對結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的改進(jìn)。電池組防護(hù)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，沒有起到緩沖的效果。觀察電池箱的受力情況，可以發(fā)現(xiàn)電池組的主要受力點(diǎn)集中在中部附近，繪制碰撞過程中電池箱的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系�？梢钥吹教砑臃雷o(hù)裝置后最大應(yīng)力降低了近90%，效果十分明顯。
針對上述計(jì)算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)做出如下改進(jìn):適當(dāng)降低彈簧剛度，電池組最大受力點(diǎn)處增加一層緩沖材料，優(yōu)化固定裝置和防護(hù)桿連接處的結(jié)構(gòu)。
保持初始碰撞條件不變，重新計(jì)算得到電池箱的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系�？梢钥吹阶畲髴�(yīng)力降低了近66%，改進(jìn)后的防護(hù)效果良好。上述仿真結(jié)果顯示碰撞過程中電池組保護(hù)殼的最大應(yīng)力在其許用范圍內(nèi)，對于殼體內(nèi)部的電池組能起到良好的防護(hù)作用。其中緩沖物質(zhì)對于降低關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力起到了顯著作用，圖8顯示了緩沖物質(zhì)在碰撞過程中的變化。
3結(jié)語
本文對電動(dòng)汽車交通事故的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，電池組作為其核心部件在碰撞事故中有著較大的潛在威脅，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)防護(hù)，避免發(fā)生二次事故。為此，提出了一種針對電池箱的外層機(jī)械防護(hù)結(jié)構(gòu)，可靠性高，同時(shí)還在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，計(jì)算結(jié)果表明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)具有更好的防護(hù)效果。
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