电动汽车正面碰撞安全评价指标体系研究

王 鑫，蹇小平

(1.西安航空学院 车辆工程学院， 西安 710077; 2.长安大学 汽车学院， 西安 710064)

电动汽车正面碰撞安全评价指标体系研究

王 鑫1，蹇小平2

(1.西安航空学院 车辆工程学院， 西安 710077; 2.长安大学 汽车学院， 西安 710064)

伴随我国电动汽车保有量的增加，致使电动汽车碰撞引发的交通事故事件也与日俱增。由于我国目前尚无针对电动汽车的统一碰撞安全评价标准，因此无法良好的评估我国市场上电动汽车的碰撞安全性能。针对该问题，根据电动汽车的结构特点,依据国内外电动汽车碰撞安全法规和碰撞标准,再结合传统燃油车成熟的碰撞安全评价指标，提出了相应的电动汽车正面碰撞的安全评价指标体系，为我国以后建立相应的电动汽车安全评价标准提供一定的参考。

电动汽车；正面碰撞；安全评价指标体系

伴随能源危机及相关技术的不断发展，电动汽车已经在世界上逐步普及。我国目前电动汽车发展势头较快，但随着电动汽车的推广与使用，电动汽车安全问题成为业内外关注的焦点。2005年，深圳比亚迪E6电动汽车发生碰撞后引发的自燃导致车内3人死亡，该交通事故让公众对电动汽车的安全性产生了一定的质疑。由于我国目前尚无关于电动汽车的碰撞安全评价的统一标准，所以对于评价国内外各品牌电动汽车的碰撞安全性将十分困难。因此，建立电动汽车碰撞安全评价指标已是当务之急。

电动汽车的结构布置和动力来源等各方面与传统燃油汽车存在许多差异(见表1)[1-2]，使得电动汽车正面碰撞的安全性研究不能够完全借鉴传统燃油汽车[1]。电动汽车在发生正面碰撞后，如果动力电池的约束方式不当，动力电池可能窜进乘员舱直接撞击乘员，而且进一步的挤压会造成电池体积变小，电池内压升高，从而有发生爆炸的可能；同时，蓄电池的穿刺和撕裂可能导致电解液从裂缝或壳体和盖之间的边缘溅出，电解液的腐蚀性可能灼伤乘员或与周围金属反应生成有害气体等[1]。再加上动力电池的泄露引发的着火现象及高压线路漏电的危险，极可能在电动汽车发生碰撞后对乘客带来较大的伤害。因此，电动汽车的碰撞安全评价指标较传统汽车应更加复杂。

1 影响电动汽车正面碰撞安全因素指标分析

由于电动汽车车体结构及总成布置与传统内燃机汽车有较大差别，在进行正面碰撞时所考虑的安全评价因素也有所差别。本文在参考美国电动汽车安全法规FMVSS305、我国在2001制定的《电动汽车安全要求》及GB/T18384.1—2015和C-NCAP 碰撞标准及法规等内容的基础上，提出以下几点电动汽车正面碰撞安全性因素：

1.1 电气安全因素指标

1) 碰撞后绝缘电阻阻值变化

电动汽车的电气设备远远多于传统燃料汽车。一般情况下，电动汽车除传统电器设备电路外，还有大量的动力电池供电及控制电路。实际试验结果表明：一旦电动汽车发生碰撞事故，电动汽车前舱内的PCU及驱动电机链接失效的风险较大，PCU和多处高压电线存在侵入和挤压的风险，因此有可能出现绝缘层破坏、动力电路短路漏电的安全隐患[3]。对于防止电动汽车碰撞后电路短路伤害乘客，有必要在碰撞试验前后测量和评价电动汽车绝缘电阻。本文参考我国GB/T18384.1—2015标准要求，如果动力电池系统没有交流电路或交流电路有附加防护，则绝缘电阻安全限值大于100 Ω/V。测量电动汽车碰撞前后汽车绝缘电阻数值作为评价指标。绝缘电阻的计算公式如下：

(1)

2) 碰撞前后单体动力电池电压变化

在动力电池受到机械冲击的情况下，为检验动力电池防短路性能，可通过在碰撞前后测量单体动力电池电压参数变化情况进行分析。如果在碰撞前后单体动力电池电压参数变化较大，则反映该电动汽车在发生正面碰撞时存在动力电池漏电短路的隐患。因此，将碰撞前后单体动力电池电压参数变化作为分析动力电池碰撞安全的一个重要指标。

3) 动力电池包穿入及电解液泄漏因素

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。电动汽车在设计时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。动力电池箱固定时尽量与车身纵梁等稳固件连接，并且单体电池采用独立稳定的整体框架式结构进行固定[5]，以避免动力蓄电池、蓄电池模块、电解液进入乘客舱内。根据美国电动汽车安全法规FMVSS305要求，碰撞试验后在30 min内溢出乘客舱的电解液不能超过5 L。

4) 过电流断开装置的配备

过电流断开装置主要是指：当电动汽车发生碰撞后，若动力蓄电池连接的电路出现短路或过流等现象时,能够自动断开与动力蓄电池的连接电路的装置。根据GB/T 31498—2015 《电动汽车碰撞后的安全要求》的要求，电动汽车在发生碰撞后，整车母线电压、母线搭铁电压满足交流不大于30 V和直流不大于60 V，电能要求高压母线上的总电能小于0.2 J[6]。对于电动汽车安装防止短路的过电流断开装置，虽然美国标准中没有规定,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[7]。

1.2 耐撞性安全因素指标

1) 汽车结构位移变形评价

汽车结构位移变形是指汽车车身结构在发生碰撞后发生的相对位移变化。可以通过前纵梁、驾驶舱及前门框的变形位移情况反映电动汽车车身的吸能情况、乘员的生存空间及逃逸空间。

2) 吸能特性评价

汽车的吸能效果从一定程度上反映在汽车发生正面碰撞时对汽车乘员舱冲击力的衰减效果。在汽车碰撞吸能效果评价中普遍采用整车吸能总值、吸能比(前纵梁吸能值与总车吸能值的比值)和前纵梁质量能密度(前纵梁的吸能量与其质量的比值)3个指标进行评价[8]。

3) 碰撞过程的加速度评价指标

参考大量传统汽车正面碰撞试验数据分析可知：当电动汽车以一定初速度行驶与固定障壁发生碰撞，考虑到汽车碰撞时间极短，假设汽车在发生碰撞时未发生制动，汽车与路面摩擦力较小，此时可近似认为汽车碰撞前的总能量几乎全被车身变形所吸收。碰撞总能量计算公式如下：

(2)

式中：E为碰撞前总能量；v0为电动汽车初始车速；T为电动汽车开始接触碰撞到碰撞结束的时间；a(t)为车身减速度；v(t)为碰撞过程中的车身质心的速度。

通过以上分析可知：电动汽车在发生正面碰撞过程中汽车质心加速度参数是评价电动汽车车身正面碰撞的一个重要特性指标。而对于电动汽车质心加速度参数性能指标可根据碰撞过程中的最大加速度、平均加速度及加速度均方根3个指标进行分析。

1.3 乘员保护评价指标

1) 头部碰撞性能指标(HPC)[9]

在试验过程中，如果头部与任何车辆部件不发生接触，则认为符合要求。如果发生头部与车辆部件接触，头部伤害按下列公式计算：

(3)

式中：t1和t2为头部接触起点与记录结束2个时刻(单位为s)，2个时刻之间的某一段时间间隔内HPC值应为最大，时间差符合t2-t1≤36 ms。a为3个方向的合成加速度，测试结果HPC应该小于1 000。

2) 胸部碰撞性能指标(ThPC)

按照GB11551—2003标准，测量胸部变形的绝对值表示胸部碰撞性能指标，以mm为单位。其中胸部碰撞指标参数ThPC值应该小于75 mm。

3) 大腿碰撞性能指标(FPC)

按照GB11551—2003标准，测量轴向传递至假人每条大腿的压力表示大腿碰撞性能指标，以kN为单位。大腿碰撞性指标参数FPC数值应小于10 kN。

1.4 乘员约束系统评价指标

乘员约束系统主要指座椅、安全带和安全气囊。乘员约束系统确保电动汽车在发生碰撞后能降低乘员的头部和胸部等部位不直接与方向盘、仪表板或挡风玻璃发生直接碰撞，尽可能地避免乘员与内室发生二次碰撞。目前，国内外采用加权伤害准则WIC来全面评价乘员约束系统的性能，对假人的头部伤害、胸部压缩量、大腿冲击力进行测定，并采用加权加值的方法得到综合评价指标WIC。WIC值越低，说明约束系统的保护性能越好；反之，则越差。

WIC计算公式为：

(4)

式中：HIC为头部伤害值；C3ms为胸部累计3 ms 合成加速度(g)；Ccomp为胸部压缩量(m)；FL max为左大腿骨最大轴向力(kN)；FR max为右大腿骨最大轴向力(kN)。若WIC计算结果小于1，说明该乘员约束系统具有较好的约束效能[10]。

2 电动汽车正面碰撞安全评价模型

2.1 评价指标体系

根据上述描述，电动汽车正面碰撞安全影响因素较多，为进一步综合评价电动汽车正面碰撞的安全性能，本文拟建立一个多层次电动汽车正面碰撞安全评价指标体系。该指标体系包括3个层次:以“电动汽车正面碰撞安全性能评价水平”作为电动汽车正面碰撞安全性的评价体系的目标层;电动汽车的电气安全性、耐撞性、乘员保护性及乘员约束性作为评价体系的准则层。根据上述层次划分，建立电动汽车正面碰撞安全性评价指标体系,如图1所示。

图1 电动汽车正面碰撞安全性能评价指标体系

2.2 建立判断矩阵及权重分析模型

(5)

(6)

(7)

2.3 指标评价值转化

在电动汽车正面碰撞安全性能评价指标中有很多可定量的指标值，例如电动汽车动力电池电压变化值、车身碰撞位移尺寸参数、电动汽车碰撞加速度等均可通过检测设备测出。这些指标值不仅量纲不同，而且数量级也不同，如果不进行处理，这些指标不具有可比性。

本文通过对各测得的数据进行量纲为一化处理，使各个不同量纲指标具有可比性。具体方法是将实测指标值转化为间的分值，方法如下：

(8)

式中：x0为该指标最优值；xmax和xmin分别为该指标对应的最大值和最小值；x为电动汽车碰撞安全指标参数。其中xmax和xmin的数值根据参考行业法规及相关标准进行选取。

2.4 评价等级确定

为了进一步对电动汽车正面碰撞安全进行综合评价，需对不同电动汽车碰撞评价结果根据统一的衡量标准进行等级划分[13]。本文根据电动汽车正面碰撞评价指标及评价方法，提出一种电动汽车正面碰撞安全性能综合评价等级划分模型，如表2所示。

表2 电动汽车正面碰撞安全性能综合评价等级划分

3 电动汽车正面碰撞安全评价案例分析

本文根据电动汽车碰撞安全技术，以电动汽车安全标准及法规的调查研究和专家意见，建立电动汽车正面碰撞安全评价体系模型。为进一步验证该评价模型，本文对两款不同的电动汽车进行碰撞实验，并通过检测数据的结果对评价体系进行实例论证。

3.1 构造判断矩阵及权重计算

根据电动汽车正面碰撞安全评价体系的建立，通过对评价体系的各指标影响因素的分析，再综合长安大学及西安航空学院5位专家的评审意见，通过不确定层次分析法构建判断矩阵，如表3所示。

表3 关于电动汽车正面碰撞安全评价指标A判断矩阵

通过判断矩阵可以分别得出A+和A-矩阵：

(9)

通过采用最小二乘法式(6)(7)，可得到归一化向量w+和w-：

(10)

(11)

根据区间判断的AHP理论算法，分别求得k=0.942,m=1.056,最终带入公式求得判断矩阵A的权重向量：

(12)

(13)

根据式(11)和(12)可得到评价矩阵指标的范围：

采用同样方式对电气安全指标、耐撞性评价指标、乘员保护评价指标权重进行计算分析，结果见表4～6。

最后将所有2级指标进行综合加权可得到综合指标权重计算结果，如表7所示。

3.2 指标测量结果的评价转化

本文对2辆不同品牌的电动汽车正面碰撞安全评价数据进行分析，其中A型电动汽车所使用的动力电池为锂离子电池，电池总电压为288 V。单体电池数量为80只,单体电池容量和电压分别为50 A·h和3.6 V，采用独立固定整体框架结构方式固定。动力电池箱处于正面碰撞的非吸能变形区域内，位于车辆乘员舱的外部。A型车驾驶舱内装备有驾驶员正面及侧面安全气囊和乘员侧正面安全气囊。B型电动汽车所使用的动力电池为锂离子电池，电池总电压为316 V。单体电池数量为96只,单体电池容量和电压分别为120 A·h和3.3 V，动力电池箱也处于正面碰撞的非吸能变形区域内。B型车驾驶舱内同样装备有驾驶员正面及侧面安全气囊和乘员侧正面安全气囊。

在碰撞实验中，分别对2辆车中的假人使用腰带和肩带进行约束，并在碰撞前将2辆汽车的动力电池SOC值调整到50%，以规定50 km/h车速与固定障碍壁表面垂直相撞，从而确保2辆车的碰撞试验所获得数据具有可比性。

根据碰撞实验结果，分别获得A型车和B型车的碰撞实验参数，见表8～10。

最终，将A型电动汽车和B型电动汽车碰撞安全无量纲化的测试结果代入到电动汽车正面碰撞安全评价指标综合权重体系中，结果见表12。

表4 关于电动汽车正面碰撞电气安全指标B1判断矩阵及权重指标

表5 关于电动汽车正面碰撞耐撞性指标B2判断矩阵及权重指标

表6 关于电动汽车正面碰撞乘员保护指标B3判断矩阵及权重指标

表7 电动汽车正面碰撞安全评价指标综合权重计算

表8 A型及B型电动汽车碰撞电气安全试验参数

表9 A型及B型电动汽车碰撞耐撞性试验参数

表10 A型及B型电动汽车碰撞乘员保护及约束试验参数

表11 A型及B型电动汽车碰撞试验参数量化值

表12 A型电动汽车和B型电动汽车碰撞安全综合加权评价

最终得到A型电动汽车和B型电动汽车正面碰撞安全加权综合评价值为8.27和8.92。由表2电动汽车正面碰撞安全性能综合评价等级划分可以看出，2种电动汽车评价等级都为良，B型电动汽车正面碰撞安全综合水平略高于A型电动汽车。针对上述2类电动汽车，本文在根据综合评价结果提出以下优化措施以便后期改进：

1) 在电气安全评价指标体系中，两种电动汽车整体性能接近，但A型汽车没有安装过电流断开装置，致使在评分上略逊于B型车，建议后期改进时增加该装置。

2) 在耐装性评价指标中，B型车前部在撞击时变形量比A型车大，但驾驶舱和前门框变形较少，说明B型车吸能效果较A型车好。但B型车受车重影响碰撞加速度性能指标不如A型车，建议A型车通过改进前纵梁结构及材料，提高质量能密度；对于B型车建议优化汽车结构，采用新型轻质材料，降低整备质量。

3) 在乘员保护评价指标中，2种电动汽车的胸部碰撞和腿部碰撞的防护性能评价结果并不是最优，可通过改进汽车的前纵梁、前地板和前轮罩的刚度分配和材料刚度来进行优化。

4 结束语

本文根据电动汽车正面碰撞安全性影响因素，参考国内外电动汽车安全标准及法规，建立电动汽车正面碰撞安全性能评价指标体系及评价模型。依据2种不同电动汽车正面碰撞的试验数据和5位专家提供的权重参数进行实例论证，最后根据分析2种电动汽车正面碰撞安全性评价指标提出优化措施，以便后期进行设计改进。

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(责任编辑 刘 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 基金项目：中央高校创新团队项目“插电式小型纯电动场地教练车关键技术研究”(2013G3222004)

王鑫(1984—)，男，硕士研究生，主要从事电动汽车安全技术研究，E-mail:power0913@126.com。

王鑫，蹇小平.电动汽车正面碰撞安全评价指标体系研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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