电动汽车电池组特征分析及安全防范措施研究

张东明，张晓云

(上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

随着经济的不断发展，我国汽车保有量增长迅速。根据公安部发布的数据，截止2015年底，我国机动车保有量已达2.79亿，其中汽车保有量为1.72亿辆，位居世界第二位。汽车保有量的快速上涨，一方面提高了人们的生活水平，为我们的生活提供了巨大的便利，而另一方面，也给我国的能源供应带来了巨大的压力。如今，中国乃至世界范围内能源短缺状况日益加重，化石能源的大量消耗带来的污染也日益加剧，节能减排的诉求日益高涨。在这种情况下，利用充电电池作为动力来源的电动汽车以及混合动力汽车异军突起，发展迅速，逐渐在汽车市场中占有了一席之地。根据相关的统计数据，2011年我国新能源汽车的产量仅为8 159辆，而到了2014年，这一数字则猛增至74 763辆。可以预测，新能源汽车仍将保持一个较快的发展势头。

新能源汽车的出现在节约了大量宝贵化石能源的同时，也给汽车安全防护带来了新的挑战。通过分析国内外几起电动汽车交通事故可以发现，电动汽车在发生碰撞事故时，如果电池组发生破损，泄露的电解液会在电池外部产生短路回路，造成电池起火甚至爆炸，产生二次事故。对于乘员来说，二次事故的发生增加了事故对人身安全的威胁，也阻碍着电动汽车的进一步推广。因此，针对现有的电动汽车，有必要设计一个适当的装置对电池组进行保护，防止二次事故的发生。

1 被动安全防护

目前国内外针对电动汽车的被动安全防护方法主要有两种：分散撞击能量与吸收撞击能量。分散撞击能量是指通过对汽车车身结构或电池组电池包结构进行优化，使得汽车碰撞所产生的冲击力不直接加载到电池组上，而是分散到汽车的其他非关键部位，达到保护电池组的目的。如在文献[1] 中，针对增程式电动汽车较大的质量会降低碰撞安全性的问题，设计了一种特殊的轻量化电池包结构，并借助有限元数字仿真技术证实了这种结构对电动汽车安全性的提高。吸收撞击能量一般是指利用弹簧、阻尼器或某些特殊的新型材料直接对撞击能量进行吸收。文献[2] 着眼于汽车的B柱，为电动汽车设计了一种由碳纤维制成的轻量化肋条形结构，以保证乘员处在一个安全的空间中，有效地提高了电动汽车在侧面碰撞中的安全性。

1.1 被动安全防护装置结构

依据上述两种设计原则，可设计出如图1所示的电池组被动安全保护装置。

图1 电池组被动安全保护装置

图1所示的电池组被动安全保护装置由3类部件构成。图中所标注1的田字形部件称为迎击面，在碰撞过程中，碰撞产生的冲击力会首先加载到此部件上。在一个电池组被动安全保护装置中，迎击面共有2个。图中所标注2的部件称为缓冲杆，缓冲杆的一端与迎击面的四角相连接，可绕着迎击面上的竖直圆柱杆转动。在一个电池组被动安全保护装置中，缓冲杆共有8个。图中所标注3的部件为扭簧杆，扭簧杆的两端分别安装有一个与扭簧杆同轴的扭簧，并且每个扭簧杆的端部与2个缓冲杆相连接。扭簧杆上扭簧的作用是：当缓冲杆绕着扭簧杆产生相对转动时，扭簧会随之产生一个与相对转动方向相反的力矩，阻碍相对转动的进行。在一个电池组被动安全保护装置中，扭簧杆共有2个。扭簧杆与缓冲杆的连接处如图1中所标注的5处所示，扭簧杆的一个端部可同时与2个缓冲杆相连接。

图1中，标号4处是位于迎击面上的结构，其上预制有若干个螺纹孔。螺纹孔的作用是使得整个电池组缓冲装置可与电动汽车车体相连接，使之固定在车身上。由于固定点位于迎击面上，因此碰撞过程中产生的冲击力会首先加载到迎击面上。

参阅中华人民共和国汽车行业标准QC/T 840-2010中对电动汽车电池单体尺寸的规定，本装置将所要保护的电池组尺寸设定为550×200×600mm。电池组缓冲装置中，有2个重要的参数需要确定：扭簧的扭转刚度和缓冲杆之间的初始夹角。为使扭簧在碰撞过程中吸收尽可能多的能量，扭簧的扭簧刚度在理论上应选取得越大越好。但是受限于扭簧杆端部放置扭簧的空间大小，扭簧的扭转刚度并不能无限大的选取。根据扭簧杆杆件的尺寸[3]，结合国家标准GB/T 1358-2009中所规定的扭簧刚度标准值，可确定扭簧的扭转刚度为T′=823.7N·mm/(°)。

缓冲杆之间初始夹角的确定，应遵循反向做功最大原则，即所确定的初始夹角应使得电池组缓冲装置在整个过程变形过程中吸收的能量最大。利用这一原则，借助MATLAB计算各角度下扭簧的吸能值，最终可确定缓冲杆最适宜的初始夹角应为164°。

确定了上述参数之后，整个装置的方案即被确定。如图2与图3是装置的主要尺寸。当然，值得一提的是，本装置的尺寸应视其所保护的电池组尺寸而定。由于各汽车生产厂商所选用的电池组尺寸不尽相同，因此本装置在应用到不同车型时，其尺寸也应当相应变化。

图2 装置主要尺寸(正视图)

图3 装置主要尺寸(俯视图)

如图4、图5所示是电池组缓冲装置的变形示意图[4]。图4是电池组缓冲装置在未受到撞击时的形态，图5是缓冲装置在受到垂直于迎击面方向的撞击后产生了一定变形的形态。通过对比图4与图5可以看出，缓冲装置在受到撞击之后，两迎击面之间的距离缩短，缓冲杆之间的夹角变小，整个装置在平行于迎击面的水平方向上被“拉长”。缓冲杆之间角度的变化，使得扭簧产生了一定的弹性势能。在弹性势能增加的同时，碰撞带来的能量被吸收，使整个装置起到了缓冲的目的。

1.2 装置选材与强度校核

装置在受到碰撞的过程中，对于迎击面来说，冲击力会首先加载到其与车身相连接的位置(即图1中所标注的4处)。同时，由于迎击面的四角均与缓冲杆相连接，在碰撞瞬间迎击面上的杆件(包括水平的与竖直的)会发生一定的弯曲变形。若将迎击面与缓冲杆之间的连接视为支点，则迎击面上杆件的弯曲变形可等效为简支梁弯曲模型。

电池组缓冲装置在碰撞事故中所受到的碰撞，可以等效为装置受到一个质量块的撞击。采用ANSYS动力学仿真模块来模拟这一工况。借助仿真结果，最终将装置的材料选定为碳钢Q345。当装置材料为碳钢Q345时，如果装置受到一个速度为10 m/s的撞击(实际碰撞事故中车速会大于此值，10 m/s是剔除了车辆自身缓冲因素后的值)，则装置上最大弯曲应力为276.9 MPa，是碳钢Q345许用弯曲应力的49.9%。选用碳钢Q345作为材质的装置，其质量为23.45 kg。

2 主被动结合安全防护

由于电池组缓冲装置对电池组提供的保护是有限度的，因此在较大的碰撞冲击力下，电池组仍然有可能破裂漏液，导致二次事故的发生。基于这样的考虑，可在原有的电池组被动安全防护措施上增加加速度主动安全防护系统。所谓加速度主动安全防护，就是在电池组缓冲装置上布置一个加速度感应模块，来测定碰撞给电池组缓冲装置带来的加速度大小。加速度感应模块与单片机相连，以便处理监测到的加速度信号。当加速度超过一定的限度时，单片机向电池组发送断电信号，使之断电，避免二次事故的发生。

系统中所采用的加速度感应模块为常用的ADXL345型加速度感应模块，该模块可与单片机开发板相连接，使得测定的加速度信号易于处理。所用到的模块引脚包括供电引脚(5 V和GND)以及时钟线(SCL)、数据线(SDA)，模块的各个功能主要是通过时钟线与数据线的电平交替变化而实现的[5]。结合ADXL345模块产品手册中提供的模块时序图，可绘制出此模块的工作流程图，如图6所示。加速度感应模块在工作时具有固定的指令，使用时只需通过数据线(SDA)向模块发送指令代码，即可使模块完成相应的工作。考虑到加速度感应模块在使用时会被放置在被动安全保护结构的迎击面上(因为迎击面最先受到冲击)，而迎击面在碰撞事故中主要以水平方向上的运动为主，因此在设计程序时，为提高程序运行效率，只需读取加速度感应模块x、y两个方向上的加速度，并计算两个方向上的合成加速度，即可获知碰撞加速度的大小。

图6 加速度感应模块工作流程图

3 主动安全防护

上述加速度主动安全防护系统，作为电池组缓冲装置的辅助安全设备，在严格意义上说仍属于被动安全措施的范畴，因为加速度感应模块所做出的断电操作发生在碰撞事故之后。为了能在事故发生之前就采取一定的措施，提高电动汽车的安全性，可设计出一套超声波主动安全防护系统。这种主动安全防护的思路是：在汽车正常行驶的情况下，利用超声波不断检测电动汽车与周围其他车辆之间的距离及相对速度，利用这两个指标来判断是否将要发生碰撞事故。当检测到事故将要发生时，与超声波测距模块相连接的单片机立即对电池组进行断电操作，防止二次事故的发生。

系统中所采用的超声波测距模块为HC-SR04型测距模块[6]。该模块上包含一个超声波发生头、一个超声波接收头以及若干个引脚。首先将模块上的对应引脚与单片机相连，在本系统中，模块上最为关键的引脚为控制引脚(Trig)以及Echo引脚(初始状态为低电平)。使用时，通过单片机向模块的控制引脚发送控制信号，使模块的超声波发射头发出超声波。当模块发出一组超声波之后，Echo引脚由初始状态下的低电平变为高电平。发出的超声波经待测物体反射后，被超声波测距模块上的超声波接收头接收，此时Echo引脚又重新变为低电平。通过单片机中的时钟测定超声波发出与被接收之间的时间差，经过计算即可得到待测物体的距离。而相对速度则可通过所测定的距离值的变化速度来反映。

根据超声波测距模块的工作原理及时序，可得如图7所示的超声波测距工作流程图。超声波主动安全防护，借助电动汽车与周围汽车的距离及相对速度来判断碰撞事故是否发生，而具体的判断标准，可通过分析汽车的制动过程获得。汽车的制动过程，按照时间顺序可以分成3个阶段：驾驶员发现危险存在并做出制动动作阶段、汽车制动系统起作用阶段以及汽车开始制动直至汽车停止(或达到某一较低速度)阶段。对于驾驶员做出反应的阶段，文献[7] 设定了车辆在道路上行驶容易遇到的6种常见工况，并对这6种工况下驾驶员的反应时间进行统计，得出6种工况下驾驶员的平均反应时间为1.02～1.36s。若取中间值，则驾驶员反应时间为τ1=1.19s，在这段时间内汽车的制动距离为S1=vτ1=1.19vτ1。

图7 超声波测距流程图

汽车制动系统起作用的时间一般取0.2～0.9s，且τ2时间内所包含的制动减速度爬升时间相对较短，可近似认为在τ2时间内汽车仍然做匀速运动。若取τ2=0.6s，则这段时间内汽车的制动距离：S2=vτ2=0.6v。

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

为简化编程，提高系统的反应时间，可对求得的制动距离进行分段线性化。最终所得到的判断是否会发生碰撞事故的标准为：

其中：S为测定的两车距离，m；v是两车之间的相对速度，m/s。

4 结语

通过一系列的研究，得出如下结论：

1) 相对于传统汽车，电动汽车在发生交通事故时，电池组若受到撞击破裂，易导致二次事故的发生，威胁乘员的生命安全。

2) 借助所设计的带有扭簧的电池组缓冲结构，可以在一定限度内减轻电池组在碰撞事故中所受到的冲击，降低二次事故发生的可能性。

3) 通过加速度感应模块与电池组缓冲装置的结合，可使电池组缓冲装置在受到较大冲击时，及时对电池组进行断电操作。在这种情况下，电池组缓冲装置即使受到了较大冲击力依然能够防止二次事故的发生。

4) 利用超声波感应模块实现的主动安全防护，可在碰撞事故发生之前对电池组进行断电操作，进一步提高了电动汽车在事故中的安全性。

[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. 机械设计手册：单行本. 弹簧[M].北京：化学工业出版社，2010.

[4] 宋晓华，马晓丽，汪建平. 利用UG实现机构的运动仿真和分析[J]. 实验技术与管理，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] 苏琳. 基于HC-SR04的超声波测距器的设计[J]. 机械与电子，2012,9:124-125.

[7] 李霖，朱西产，马志雄. 驾驶员在真实危险交通工况中的制动反应时间[J]. 汽车工程，2014,36(10):1225-1229.