电动汽车的碰撞性能和安全性设计

开发与应用 电动汽车的碰撞性能和安全性 朱西 产 中国汽车技术研 究中心 【摘要 】巨 大 的 电池质量使 电动 汽车在碰撞 中需耗散的 动 能 明显 大 于相 同尺寸的 内燃机汽车 , 所 以 要求重新设计 电动 汽车的碰撞能量管理 系统 , 以 满足 电动 汽车的安全性要求 。 本文讨论 了 电动 汽车开发的特点 、 时 电动 汽车碰撞性能 的要求和 怎样将计算机碰撞模拟应 用 于 电 动 汽车安全性设 计 。 关键词 电动汽车 碰撞 计算机模拟 。 一 , 邑 , 概述 对环境保护 、 能源结构合理应用 的考虑 和 当今 技术 的进步 , 激励 了市场对电动汽车的需求 。 现在开 发 的电动汽车分两类 一类是利用 现有 内燃机汽 车 成熟部件进行改装 的 电动汽车 另一类 是针 对 电驱 动的特点专 门开发 的电动汽车 。 为满足市场需求 , 电 动汽车面临以 下几方面挑战 。 电动汽车的安全性设计 由于 可供 电动汽车选用 的电池能量 密度低 , 电 动汽车上 巨大的电池质量使其在碰撞事故中需要车 身耗散的动能明显增加 , 所 以 对车身碰撞 能量 管理 系统 的设计需要有新 的构思 , 才能满足汽车安全法 规的要求 。 目前一般改装电动汽车 以 速度 碰撞 的动 能与 同类 内燃机 汽 车 以 速度碰 撞 的动能相 当 。 因此 , 电动汽车开发 中对车身的碰撞 性能研究必须引起足够 的重视 。 , 电动汽车的生存期 电动汽 车是新兴起的产 品 , 其核心技术发展很 快 , 关键零部件的每项改进都会引起设计的更改 , 甚 《世界汽车 》 年第 期 至 于改变整个车型结构 。 所 以 , 现在开发 的电动汽车 产品更新快 , 在市场上 的生存期 明显 比技术上成熟 的内燃机汽车要短得多 。 电动汽车的品种和批量 电动汽车作为下 一世纪看好的产 品 , 各 大汽车 公 司竞争激烈 , 纷纷推出新产品 占领市场 。 但 由于 电 动汽 车运营 的配套公共设施远未 完 善 , 目前 只能在 部分地 区 试运 营 , 市场容量小 , 所 以 , 形成 了 电动汽 车多 品种和小批量 的局面 。 鉴于上述特点 , 电动汽车不 可能象生产批量大 、 市场生存期长 的内燃机汽车一样 , 在开发过程 中用 大量实物试验积 累经验 , 它难 以 承受 昂贵的样 车试 制和试验费用 。 电动汽车的开发必须采用灵活多变 的产品开发程序 , 减少开发费用 , 缩短进人市场的时 间 , 使 电动汽车产 品对技术进 步和 市场需求反应迅 速 。 电动汽车的安全性设计 碰撞性能要求 是 世 界 上 著名 的汽 车安全法 规 , 经过 开发与应用 几年考察后 , 美 国国家道路交通安全局 决 定 电动 汽 车与 内燃 机 汽 车一 样 , 必 须 满足 相 同 的 碰撞性能要求 。 中对汽车碰撞性能 的要求主要有 正 面 固定壁碰撞 中的乘员保护 。 驾驶员 和前 排乘员必须使用安全气囊 , 试验时不 系安全带 。 车顶静压 强度 。 施加的压力 由整车装备质量 决定 , 防止在汽车翻滚时乘员受 到伤害 。 在追尾 、 正 面碰撞 、 侧 面碰撞后燃油泄漏量不 许超标 , 以防事故后发生火灾 。 在可 变形 移动壁侧面 碰撞中的乘员保护 。 前 项 要求 明显 受汽车 质量 变化 的影 响 , 第 项侧面碰撞 中因 为汽 车处 于 静止状态 , 乘员保护性 能与汽车质量关 系不大 。 在 电动汽车改装 中 , 必须改 变车身结构 和合理分配质量 , 才能满足上述碰撞性 能要求 。 对 于 纯 电池 电动汽车 , 碰撞后燃油 泄漏 的要求 变成 了对 电池箱 的安全性考 虑 。 电动汽车的电池装 人 电池箱 中 , 以 防止在碰撞或 翻滚 时分离的电池组 件或危险物飞 出来 , 伤害人员 。 另外 , 电动汽车上还 应装备碰撞 中切 断高压 子 系统 电路 的装置 , 以免碰 撞后 高压 电击伤害人员 。 , 电动汽车的设计方法 电动 汽 车 的 开 发 , 以 虚 拟 原 型 技术为核心 。 图 为传统设计方法和虚拟原 型设计方法 的示意 图 。 虚拟原型技术在设计 中使用 计算机模拟代替实物试验 , 通过模拟计算结果与 由 法规要求建立 的设计 目标相 比较 , 修正设计 , 并进行 重新模拟 , 直到模拟计算结果明设计满足要求时 , 才制造样车进行试验验证 。 就能完成一个#设计#碰撞性能的评价工作 。 但是 如果制造样车进行实物试验 , 则至少需要 个月 , 耗 资 一 万美元 。 虚拟原型设计方法节省 了开发费 用 和 时 间 , 使之能适应生存期短 的小批量 电动 汽车 车型 的开发 。 计算机碰撞模拟在 电动汽车开发 中的应用 传统设 计方 法 过乡士创卫些燮鉴奎封 一 ⋯诬至亘夔二 厂 虚拟原 型 设计方 法 不亡互匹全区迹画卜脸些丝 一巫巫扮 图 传统和虚拟原型设计方法示意图 由于 计算机硬件价格迅 速下 降 、 模拟软件的功 能和集成度迅速提高 , 所 以 , 在设计阶段用计算机模 拟代替实物试验能大大降低整车开发费用 。 概念设计 中使用计算机模拟 , 在一天 或一周 内 计算机碰撞模拟无论是在 电动汽车开发初期的 概念性设计阶段还是在开发 中对结构和新材料碰撞 性能的评价工作阶段都是 十分重要 的 。 在 电动汽车开发初期 , 电动汽车安 全性 概念设 计 阶段 , 计算机碰撞模拟 可 用 于研究 总体布置方案 和提 出子系统和部件的性能要求 。 在 电动汽车 匕 电 池箱重 达 。一 , 这 么 大一 个集 中质 量 在车 身上 的布置方案 , 必须引起设计者足够的重视 。 在概 念级 的整 车模拟 中 , 可 以 只用 一些 主要 结构部件建 模 , 对设计方案进行评价 。 通过模拟计算可 以获得车 身上各处 的冲击加速度值 。 电池箱受 到 的加速度可 用 于 电池箱结构设计 的惯性 载荷 车身上 的加速度 可用于优化碰撞传感器的位置 。 在 电动汽车上 , 要求 安装惯性碰撞传感器 , 以 用 于在碰撞 中切 断高压 系 统的电路 。 在改装 电动汽车的结构设计 中 , 计算机碰撞模 拟可 用于指导 车身加强及 电池箱 固定 等设计方案 。 对于专门开发 的电动汽车 , 为 了控制整车质量 , 正在 研究使用轻质材料 如铝和复合材料 制造车身 。 这 些新材料代替钢板 制造 的车身能减小质量 , 但也使 车身结构 的力学性能更加 复杂 , 并且 汽 车设计 中还 很缺乏使用这些材料的经验 。 因此在开发 中使用计 算机碰撞模拟是很有必要 的 。 汽车碰撞模拟技术在设计 中应用 的主要 障碍是 开发一个整车碰撞模拟模型 的开销太大 。 一个整车 有限元模型从开始建模到完成试验验证大约需要 一 个月 。 这么长 的时间限制了它在 内燃机汽车开 发 中的实用性 , 当然更不适用于 电动汽车的开发 。 作 为实用 的电动汽车碰撞模拟技术 , 要求初 始模 型 能 在 一 周 内建成 一个设计方案的修改 、 预测最好 能在 内完成 。 由于 电动汽 车工 业相对较新 , 在前期 开 发工 作 中很少有试验数据能用于验证电动汽车碰撞性能的 模拟模型 。 为 了能 以最快速度开发 出一个精确的电 动汽车碰撞模拟模型 , 目前采用 的方法是 开发一个 内燃机汽车的整车碰撞模拟模型 。 “ ”冲 , 日 开发与应用 用实车碰撞试验数据修改并验证模型 。 、 把验证后 的模型修改成 电动汽车的基本设计 配置 。 完成 电动汽车碰撞模拟参数的研究 。 用该模 型优化电动汽车结构 , 使乘员室侵人最小 , 尽量缓和 冲击 , 并确保碰撞 中电池箱的完整性 。 制造 电动汽车样车 , 通过碰撞试验修 改和验 证 电动汽车碰撞模拟模型 。 使用验证后 的模型分析各种碰撞形态下 的碰 撞特性 , 并修改设计 。 轿车的车身结构 比较复杂 , 现在 的有 限元碰撞 模拟软件虽然能够真实地模拟整 车 的碰撞过程 , 但 为 了使模拟模 型具有实用价值 , 对模 型做合理的简 化是必要 的 。 要搞清楚哪些部件在碰撞 中需要仔细 地描述大变形 , 哪些部件仅包含刚体运动 。 一种有效 的方法是先建立一个几何精度很高的初始模型 , 但 把其 中大部分 的材料特性都设置成 刚体 , 而后 在优 化模型时按需要逐步把必要的部件由刚体变成变形 体 。 这样开发出来的模型计算时间最短 , 在大量的设 计方案评价中比较实用 。 我国的电动汽车开发 在 内燃机轿车发展 中 , 我 国走 的是 引进和大批 量生产 的道路 。 现在还没有完全形成独立开发轿车 整车的能力 。在汽车安全方面 , 由于没有实施实车碰 撞试验 , 汽车整 车安全性 能的评价 和安全车身 开发技术都还处于研究阶段 。 计算机碰撞模拟技术 作为一项有前途的新技术 , 已 引起汽车行业的注视 。 几 个 著 名 的软 件 如 一 、 一 和 等已 在 国内使用 。 但在内燃机汽车设 计 中 , 我 国现有轿车车型多为引进 国外的成熟车型 , 对计算机碰撞模拟技术的需求并不迫切 。 政府对电 动汽车开发很重视 。 在“ 九五 ”期间 , 电动汽车的总体 目标是 到 年要研制出具有 中国特色的达到国 际 上 年代水平的 电动汽车 概念 车 , 并 为在 世纪产业化准备条件 。 概念车的生命力在于技术创 新 。 作为 世纪 的电动汽车必须注重安全性 。 我 国 电动汽车的开发 , 不应该再走引进产 品和大批量生 产的道路 。 目前 国外 的电动汽车还都是小批量生产 的试探性车型 。 随着 电动汽车核心技术的突破 , 势必 要改变电动汽车的结构形式 。 如果不掌握关键的设 计技术 , 不形成独立开发的能力 , 靠引进 国外的电动 汽车车型来生产电动汽车是行不通 的 。 基于 电动汽车开发 的特点 , 我 国电动汽车开发 研究工作应 以提高 自主开发能力为主 , 并通过 电动 汽车开 发带动汽车安全车身开发 、 轻型 车身材料等 技术的发展 , 跟踪 国外新技术 , 走技术创新之路 。 本文编辑 崔淑 兰 收稿 日期 一 一 名二飞‘匆 注么用名几‘翎乡 之‘月名月‘飞‘月子飞 勺名 名 之月乡毛之月名角 穴子 兑名飞之匆名月 月子飞子 曰多抽 角韶多毛 注名月艺甩招内 注 乡毯若 名月公飞名注“几 门 久‘匀若 名多毛子毛 目乙 之几了 全国汽车标准化技术委员会电动车辆 分技术委员会成立会在津召 开 为配合我国电动车辆产品的发展 , 充分发挥各科研 、 生产 、使用 和监督检验等方面专家的作用 , 更好地开 展电动车辆标准化工作 , 经 国家技术监督局批准 , 特在全 国汽车标准化技术委员会下增设电动车辆分技术委 员会 。 委员会主要负责电动车辆标准化方面的技术归 口 工作 。 委员会设主任委员 、 副主任委员 和秘书长各 名 , 委员共 人 , 秘书处设在 中国汽车技术研究 中心标准化所 。 委员会 的工作任务是负责组织制定电动车辆 标准体系表 , 提出制定 、 修订电动车辆标准的规划 、 年度和标准制 、 修订项 目建议 组织 、 协调 电动汽车国 家标准和行业标准 的制 、 修订工作 组织 电动车辆标准送审稿的审查工作及 电动车辆标准的解释工作 承担 国际标准化组织 和 国际 电工委员会 等相应技术委员会的对 口 回函工作 。成立会 于 年 月 日在天津召开 , 会议受到了国家科委 、 国家技术监督局及机械部汽车司领导 的高度重 视 , 有关领导到会并讲话 。 委员会近期准备开展的主要工作是 秘书处应尽快安排 以下几方面标准的制定 名词术语标准 、 安全标准 、 接 口 及部件尺寸标准和整车的试验方法标准 。 尽可能地搜集国际及国外标准 , 秘书处组织翻译 , 供行业 内部使用 。 电动车辆分技术委员会 的成立标志着我 国电动车辆标准化工作全面启动 , 对推动我 国电动车辆事业 的 发展必将起到积极的促进作用 。 电动 车辆分标委秘 书处 供稿 《世界汽车 》 年第 期 ‘西