電動汽車電池組特征分析及安全防范措施研究

張東明，張曉云

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

隨著經濟的不斷發展，我國汽車保有量增長迅速。根據公安部發布的數據，截止2015年底，我國機動車保有量已達2.79億，其中汽車保有量為1.72億輛，位居世界第二位。汽車保有量的快速上漲，一方面提高了人們的生活水平，為我們的生活提供了巨大的便利，而另一方面，也給我國的能源供應帶來了巨大的壓力。如今，中國乃至世界范圍內能源短缺狀況日益加重，化石能源的大量消耗帶來的污染也日益加劇，節能減排的訴求日益高漲。在這種情況下，利用充電電池作為動力來源的電動汽車以及混合動力汽車異軍突起，發展迅速，逐漸在汽車市場中占有了一席之地。根據相關的統計數據，2011年我國新能源汽車的產量僅為8 159輛，而到了2014年，這一數字則猛增至74 763輛。可以預測，新能源汽車仍將保持一個較快的發展勢頭。

新能源汽車的出現在節約了大量寶貴化石能源的同時，也給汽車安全防護帶來了新的挑戰。通過分析國內外幾起電動汽車交通事故可以發現，電動汽車在發生碰撞事故時，如果電池組發生破損，泄露的電解液會在電池外部產生短路回路，造成電池起火甚至爆炸，產生二次事故。對于乘員來說，二次事故的發生增加了事故對人身安全的威脅，也阻礙著電動汽車的進一步推廣。因此，針對現有的電動汽車，有必要設計一個適當的裝置對電池組進行保護，防止二次事故的發生。

1 被動安全防護

目前國內外針對電動汽車的被動安全防護方法主要有兩種：分散撞擊能量與吸收撞擊能量。分散撞擊能量是指通過對汽車車身結構或電池組電池包結構進行優化，使得汽車碰撞所產生的沖擊力不直接加載到電池組上，而是分散到汽車的其他非關鍵部位，達到保護電池組的目的。如在文獻[1] 中，針對增程式電動汽車較大的質量會降低碰撞安全性的問題，設計了一種特殊的輕量化電池包結構，并借助有限元數字仿真技術證實了這種結構對電動汽車安全性的提高。吸收撞擊能量一般是指利用彈簧、阻尼器或某些特殊的新型材料直接對撞擊能量進行吸收。文獻[2] 著眼于汽車的B柱，為電動汽車設計了一種由碳纖維制成的輕量化肋條形結構，以保證乘員處在一個安全的空間中，有效地提高了電動汽車在側面碰撞中的安全性。

1.1 被動安全防護裝置結構

依據上述兩種設計原則，可設計出如圖1所示的電池組被動安全保護裝置。

圖1 電池組被動安全保護裝置

圖1所示的電池組被動安全保護裝置由3類部件構成。圖中所標注1的田字形部件稱為迎擊面，在碰撞過程中，碰撞產生的沖擊力會首先加載到此部件上。在一個電池組被動安全保護裝置中，迎擊面共有2個。圖中所標注2的部件稱為緩沖桿，緩沖桿的一端與迎擊面的四角相連接，可繞著迎擊面上的豎直圓柱桿轉動。在一個電池組被動安全保護裝置中，緩沖桿共有8個。圖中所標注3的部件為扭簧桿，扭簧桿的兩端分別安裝有一個與扭簧桿同軸的扭簧，并且每個扭簧桿的端部與2個緩沖桿相連接。扭簧桿上扭簧的作用是：當緩沖桿繞著扭簧桿產生相對轉動時，扭簧會隨之產生一個與相對轉動方向相反的力矩，阻礙相對轉動的進行。在一個電池組被動安全保護裝置中，扭簧桿共有2個。扭簧桿與緩沖桿的連接處如圖1中所標注的5處所示，扭簧桿的一個端部可同時與2個緩沖桿相連接。

圖1中，標號4處是位于迎擊面上的結構，其上預制有若干個螺紋孔。螺紋孔的作用是使得整個電池組緩沖裝置可與電動汽車車體相連接，使之固定在車身上。由于固定點位于迎擊面上，因此碰撞過程中產生的沖擊力會首先加載到迎擊面上。

參閱中華人民共和國汽車行業標準QC/T 840-2010中對電動汽車電池單體尺寸的規定，本裝置將所要保護的電池組尺寸設定為550×200×600mm。電池組緩沖裝置中，有2個重要的參數需要確定：扭簧的扭轉剛度和緩沖桿之間的初始夾角。為使扭簧在碰撞過程中吸收盡可能多的能量，扭簧的扭簧剛度在理論上應選取得越大越好。但是受限于扭簧桿端部放置扭簧的空間大小，扭簧的扭轉剛度并不能無限大的選取。根據扭簧桿桿件的尺寸[3]，結合國家標準GB/T 1358-2009中所規定的扭簧剛度標準值，可確定扭簧的扭轉剛度為T′=823.7N·mm/(°)。

緩沖桿之間初始夾角的確定，應遵循反向做功最大原則，即所確定的初始夾角應使得電池組緩沖裝置在整個過程變形過程中吸收的能量最大。利用這一原則，借助MATLAB計算各角度下扭簧的吸能值，最終可確定緩沖桿最適宜的初始夾角應為164°。

確定了上述參數之后，整個裝置的方案即被確定。如圖2與圖3是裝置的主要尺寸。當然，值得一提的是，本裝置的尺寸應視其所保護的電池組尺寸而定。由于各汽車生產廠商所選用的電池組尺寸不盡相同，因此本裝置在應用到不同車型時，其尺寸也應當相應變化。

圖2 裝置主要尺寸(正視圖)

圖3 裝置主要尺寸(俯視圖)

如圖4、圖5所示是電池組緩沖裝置的變形示意圖[4]。圖4是電池組緩沖裝置在未受到撞擊時的形態，圖5是緩沖裝置在受到垂直于迎擊面方向的撞擊后產生了一定變形的形態。通過對比圖4與圖5可以看出，緩沖裝置在受到撞擊之后，兩迎擊面之間的距離縮短，緩沖桿之間的夾角變小，整個裝置在平行于迎擊面的水平方向上被“拉長”。緩沖桿之間角度的變化，使得扭簧產生了一定的彈性勢能。在彈性勢能增加的同時，碰撞帶來的能量被吸收，使整個裝置起到了緩沖的目的。

1.2 裝置選材與強度校核

裝置在受到碰撞的過程中，對于迎擊面來說，沖擊力會首先加載到其與車身相連接的位置(即圖1中所標注的4處)。同時，由于迎擊面的四角均與緩沖桿相連接，在碰撞瞬間迎擊面上的桿件(包括水平的與豎直的)會發生一定的彎曲變形。若將迎擊面與緩沖桿之間的連接視為支點，則迎擊面上桿件的彎曲變形可等效為簡支梁彎曲模型。

電池組緩沖裝置在碰撞事故中所受到的碰撞，可以等效為裝置受到一個質量塊的撞擊。采用ANSYS動力學仿真模塊來模擬這一工況。借助仿真結果，最終將裝置的材料選定為碳鋼Q345。當裝置材料為碳鋼Q345時，如果裝置受到一個速度為10 m/s的撞擊(實際碰撞事故中車速會大于此值，10 m/s是剔除了車輛自身緩沖因素后的值)，則裝置上最大彎曲應力為276.9 MPa，是碳鋼Q345許用彎曲應力的49.9%。選用碳鋼Q345作為材質的裝置，其質量為23.45 kg。

2 主被動結合安全防護

由于電池組緩沖裝置對電池組提供的保護是有限度的，因此在較大的碰撞沖擊力下，電池組仍然有可能破裂漏液，導致二次事故的發生。基于這樣的考慮，可在原有的電池組被動安全防護措施上增加加速度主動安全防護系統。所謂加速度主動安全防護，就是在電池組緩沖裝置上布置一個加速度感應模塊，來測定碰撞給電池組緩沖裝置帶來的加速度大小。加速度感應模塊與單片機相連，以便處理監測到的加速度信號。當加速度超過一定的限度時，單片機向電池組發送斷電信號，使之斷電，避免二次事故的發生。

系統中所采用的加速度感應模塊為常用的ADXL345型加速度感應模塊，該模塊可與單片機開發板相連接，使得測定的加速度信號易于處理。所用到的模塊引腳包括供電引腳(5 V和GND)以及時鐘線(SCL)、數據線(SDA)，模塊的各個功能主要是通過時鐘線與數據線的電平交替變化而實現的[5]。結合ADXL345模塊產品手冊中提供的模塊時序圖，可繪制出此模塊的工作流程圖，如圖6所示。加速度感應模塊在工作時具有固定的指令，使用時只需通過數據線(SDA)向模塊發送指令代碼，即可使模塊完成相應的工作。考慮到加速度感應模塊在使用時會被放置在被動安全保護結構的迎擊面上(因為迎擊面最先受到沖擊)，而迎擊面在碰撞事故中主要以水平方向上的運動為主，因此在設計程序時，為提高程序運行效率，只需讀取加速度感應模塊x、y兩個方向上的加速度，并計算兩個方向上的合成加速度，即可獲知碰撞加速度的大小。

圖6 加速度感應模塊工作流程圖

3 主動安全防護

上述加速度主動安全防護系統，作為電池組緩沖裝置的輔助安全設備，在嚴格意義上說仍屬于被動安全措施的范疇，因為加速度感應模塊所做出的斷電操作發生在碰撞事故之后。為了能在事故發生之前就采取一定的措施，提高電動汽車的安全性，可設計出一套超聲波主動安全防護系統。這種主動安全防護的思路是：在汽車正常行駛的情況下，利用超聲波不斷檢測電動汽車與周圍其他車輛之間的距離及相對速度，利用這兩個指標來判斷是否將要發生碰撞事故。當檢測到事故將要發生時，與超聲波測距模塊相連接的單片機立即對電池組進行斷電操作，防止二次事故的發生。

系統中所采用的超聲波測距模塊為HC-SR04型測距模塊[6]。該模塊上包含一個超聲波發生頭、一個超聲波接收頭以及若干個引腳。首先將模塊上的對應引腳與單片機相連，在本系統中，模塊上最為關鍵的引腳為控制引腳(Trig)以及Echo引腳(初始狀態為低電平)。使用時，通過單片機向模塊的控制引腳發送控制信號，使模塊的超聲波發射頭發出超聲波。當模塊發出一組超聲波之后，Echo引腳由初始狀態下的低電平變為高電平。發出的超聲波經待測物體反射后，被超聲波測距模塊上的超聲波接收頭接收，此時Echo引腳又重新變為低電平。通過單片機中的時鐘測定超聲波發出與被接收之間的時間差，經過計算即可得到待測物體的距離。而相對速度則可通過所測定的距離值的變化速度來反映。

根據超聲波測距模塊的工作原理及時序，可得如圖7所示的超聲波測距工作流程圖。超聲波主動安全防護，借助電動汽車與周圍汽車的距離及相對速度來判斷碰撞事故是否發生，而具體的判斷標準，可通過分析汽車的制動過程獲得。汽車的制動過程，按照時間順序可以分成3個階段：駕駛員發現危險存在并做出制動動作階段、汽車制動系統起作用階段以及汽車開始制動直至汽車停止(或達到某一較低速度)階段。對于駕駛員做出反應的階段，文獻[7] 設定了車輛在道路上行駛容易遇到的6種常見工況，并對這6種工況下駕駛員的反應時間進行統計，得出6種工況下駕駛員的平均反應時間為1.02～1.36s。若取中間值，則駕駛員反應時間為τ1=1.19s，在這段時間內汽車的制動距離為S1=vτ1=1.19vτ1。

圖7 超聲波測距流程圖

汽車制動系統起作用的時間一般取0.2～0.9s，且τ2時間內所包含的制動減速度爬升時間相對較短，可近似認為在τ2時間內汽車仍然做勻速運動。若取τ2=0.6s，則這段時間內汽車的制動距離：S2=vτ2=0.6v。

S=S1+S2+S3=v2/16.67+1.79v

為簡化編程，提高系統的反應時間，可對求得的制動距離進行分段線性化。最終所得到的判斷是否會發生碰撞事故的標準為：

其中：S為測定的兩車距離，m；v是兩車之間的相對速度，m/s。

4 結語

通過一系列的研究，得出如下結論：

1) 相對于傳統汽車，電動汽車在發生交通事故時，電池組若受到撞擊破裂，易導致二次事故的發生，威脅乘員的生命安全。

2) 借助所設計的帶有扭簧的電池組緩沖結構，可以在一定限度內減輕電池組在碰撞事故中所受到的沖擊，降低二次事故發生的可能性。

3) 通過加速度感應模塊與電池組緩沖裝置的結合，可使電池組緩沖裝置在受到較大沖擊時，及時對電池組進行斷電操作。在這種情況下，電池組緩沖裝置即使受到了較大沖擊力依然能夠防止二次事故的發生。

4) 利用超聲波感應模塊實現的主動安全防護，可在碰撞事故發生之前對電池組進行斷電操作，進一步提高了電動汽車在事故中的安全性。

[1] Jiangqi Long, Wenhao Huang, Wuhu Zhang, Changjun Zheng. Lightweight Investigation of Extended-Range Electric Vehicle Based on Collision Failure Using Numerical Simulation[J]. Shock and Vibration, 2015(10):17-18.

[2] Gundolf Kopp, Elmar Beeh, Roland Schsll, Alecander Kobilke, Philipp Strasburger, Michael Krieschera. New Lightweight Structures for Advanced Automotive Vehicles-Safe and Modular. [J]. Procedia-Social and Behavioral Science, 2012,48:350-362.

[3] 成大先. 機械設計手冊：單行本. 彈簧[M].北京：化學工業出版社，2010.

[4] 宋曉華，馬曉麗，汪建平. 利用UG實現機構的運動仿真和分析[J]. 實驗技術與管理，2005,22(3):65-68.

[5] SU Yan-ping, GONG Mao-fa, AN Bin, ZHANG Jian-yu, ZHAO Xu-jie. Design of a titl angle measurement system based on ADXL345 sensor[J]. Journal of Measurement Science and Instrumentation,2014,5(4):18-22.

[6] 蘇琳. 基于HC-SR04的超聲波測距器的設計[J]. 機械與電子，2012,9:124-125.

[7] 李霖，朱西產，馬志雄. 駕駛員在真實危險交通工況中的制動反應時間[J]. 汽車工程，2014,36(10):1225-1229.