汽车碰撞安全基础 (35).pdf
第1616讲：电动汽车和智能汽车的安全性挑战内容1.电动汽车的碰撞安全与防护2.未来智能汽车与智能交通的安全性挑战与机遇3.汽车轻量化与安全Page 2 锂电池的碰撞变形失效分析、短路判据及预测模型 动力电池的碰撞安全保护与轻量化设计考量 锂电池的碰撞变形失效分析、短路判据及预测模型 动力电池的碰撞安全保护与轻量化设计考量电动车电池碰撞后起火事故 比亚迪 E6 中国深圳，2012.5.26 电动车高速碰撞后电池起火 比亚迪 E6 中国深圳，2012.5.26 电动车高速碰撞后电池起火 特斯拉 Model S 底部异物冲击 美国西雅图2013.10.1 特斯拉 Model S 底部异物冲击 美国西雅图2013.10.1Tesla Model S典型电池布置方式典型电池布置方式电池包是电动车上最重、最大、最贵的部件电池包是电动车上最重、最大、最贵的部件Page 3电动车动力电池碰撞保护设计的目标 如果要求碰撞时电池部件不发生变形，需付出增重的代价 设计目标应为：允许碰撞时电池发生变形，甚至允许发生内部短路只要不起火就行 借鉴人体碰撞保护设计思路：允许一定程度的受伤 以什么碰撞严苛程度为目标？目前的汽车碰撞保护水平下，发生 90 km/h 碰撞时乘员的存活可能性不低 美国 FMVSS 301 法规要求 80 km/h 尾部碰撞测试后油箱无泄漏或起火Page 4车用动力锂离子电池的常见种类及结构与组分电极集流体负极铜箔，正极铝箔，厚度 1020 m，呈现典型的金属材料弹塑性力学行为1 12 23 3电极活性层隔膜材料高分子聚合物材料 PP、PE 等，厚度 1040 m，具有非常强的各向异性及应变率效应由活性颗粒和 PVDF 粘合而成，厚度 5080 m，正极活性层材料主要为 LCO,LMO,NCM,LFP 等，负极活性颗粒主要由石墨组成4 4电解液LiPF6有机溶液，高挥发性，高可燃性，影响电池的整体动态力学响应圆柱体电池硬壳电池软包电池典型软包电池尺寸mm厚度6-12长度180-250宽度130-180Page 5动力电池的碰撞失效和热失控防护研究1.电池组分材料的力学性能2.电池单体计算模型3.电池单体热失控失效判据4.电池模组“力-电-热”耦合5.电池箱碰撞保护6.电动车碰撞安全1.电池组分材料的力学性能2.电池单体计算模型3.电池单体热失控失效判据4.电池模组“力-电-热”耦合5.电池箱碰撞保护6.电动车碰撞安全电池在碰撞事故中的工况电池在碰撞事故中的工况Zhu J,Wierzbicki T,Li W.Journal of Power Sources,2018,378:153-168.电池多尺度建模与碰撞失效及热失控分析电池多尺度建模与碰撞失效及热失控分析Page 6挤压下电池内部损伤演化过程及起始判据负极隔膜间断试验负极涂层与隔膜粘附挤压载荷增大 负极涂层与隔膜粘附增强，隔膜减薄挤压载荷增大 负极涂层与隔膜粘附增强，隔膜减薄直径 20 mm球头挤压直径 20 mm球头挤压结构刚度拐点早于内短路 内部损伤起始 解决了电池短路预测的问题结构刚度拐点早于内短路 内部损伤起始 解决了电池短路预测的问题电芯结构刚度变化曲线电芯结构刚度变化曲线电池包碰撞保护轻量化设计策略 以不发生内短路为前提，允许一定量的电池变形电池包碰撞保护轻量化设计策略 以不发生内短路为前提，允许一定量的电池变形Luo H,Xia Y,Zhou Q.Journal of Power Sources,2017,357:61-70.012340246810Force(kN)Displacemnet(mm)Experiment Simualtion拐点拐点Page 7冲击载荷下电池的动态变形预测及模型1.Luo,Jiang,Xia,Zhou.Fracture mode analysis of lithium-ion battery under mechanical loading.2015 ASME,USA2.Xia,Chen,Zhou,et al.Failure behaviours of 100%SOC lithium-ion battery modules under different impact loading conditions.Engineering Failure Analysis,2017,82:149160.3.Chen,Li,Luo,et al.Influence of mechanical interaction between lithium-ion pouch cells in a simplified battery module under impact loading.2017 ASME Congress.4.Luo H,Xia Y,Zhou Q.Journal of Power Sources,2017,357:61-70.电池模组碰撞测试电池模组碰撞测试动态变形预测模型动态变形预测模型电池受压下的 力/电/热 响应关系电池受压下的 力/电/热 响应关系Page 8车用动力电池的碰撞安全评估和抗撞设计技术T型电池包地板平铺电池包正面柱撞侧面柱撞底部侵入托底碰撞速度速度速度 48 km/h 48 km/h安全性 vs 电池包轻量化1.Zhang,Zhou,Xia.Influence of Mass Distribution of Battery and Occupant on Crash Response of Small Lightweight Electric Vehicle.SAE-2015-01-0575,2015 SAE Congress,Detroit,US2.Xia,Wierzbicki,Sahraei,Zhang,Damage of cells and battery packs due to ground impact,Journal of Power Sources 267(2014)78-97Page 9内容1.电动汽车的碰撞安全与防护2.未来智能汽车与智能交通的安全性挑战与机遇3.汽车轻量化与安全Page 10汽车安全性能体系车身耐撞性乘员约束系统被动安全/碰撞安全主动安全/碰撞规避汽车安全Pre-CrashSafetyNew行车环境监控乘员状态识别碰撞预警和预判有预先信息下的碰撞保护和救治Page 11目前的汽车碰撞保护技术和设计与实际需求的差别 未实现对真实事故工况的最优保护 未针对中国事故工况和中国人体型Page 12道路使用者和交通事故工况的多样性PedestrianPedestrianCyclistCyclistE-bike riderE-bike riderObese occupantObese occupantElderlyElderlyChildChildFemaleFemale10.470.2800.10.20.30.40.50.60.70.80.91Relative Tolerance16-3536-6566-85Age Category0.471.000.28Vehicle safety under autonomous drivingVehicle safety under autonomous drivingTraffic accidents situations in ChinaTraffic accidents situations in ChinaZHOU Qing,1996Real accidentsReal accidents050100150-1001020304050加速度(9.81m/s2)时间(ms)56km/h 40km/hPage 13自动驾驶车辆安全性的目标 目前的道路交通是否安全？很不安全 道路交通事故导致全球每年 125 万人死亡 很安全 美国 2014 年 汽车 每 1 亿英里行驶里程死亡 1.08人 目前的道路交通事故中，90%以上的事故成因是人的错误引起的 把司机从驾驶系统里去除，改为自动驾驶，事故风险是否降低了90%呢？否！不外乎是把犯错误的主体换成电脑了 安全性目标：自动驾驶汽车的驾驶水平至少应达到目前人类司机的平均水平Page 14自动驾驶汽车技术开发1.1.能在规范的道路环境和简单的交通场景下正常行驶 easy2.2.能判断与规避常见的行车风险 challenging3.3.智能车辆安全性评测 new 4.4.智能碰撞保护 new 周青 等，汽车安全与节能学报，2017碰撞保护是自动驾驶车辆上路的最终保障！碰撞保护是自动驾驶车辆上路的最终保障！Page 15智能交通环境下车辆动力学响应与控制的边界 复杂交通场景、传感器故障、软件错误、通讯延迟、黑客入侵、机械故障 智能系统需容忍发生一定的误报或漏报预警 假设预警信息能及时准确传送，汽车以最大能力制动，针对不同的行车场景，发生意外后，多少辆车会撞在一起，碰撞速度分布？车辆的动力学响应需要时间！Page 16新技术、新资源、新工具Videos and sensors provide info for detailed traffic accident reconstruction and analysisVideos and sensors provide info for detailed traffic accident reconstruction and analysisPre-crash sensing enables adaptive restraint systems to provide individualized protectionPre-crash sensing enables adaptive restraint systems to provide individualized protectionHuman body models allow tissue level injury assessmentHuman body models allow tissue level injury assessmentPage 17自适应乘员约束系统 提供有针对性的保护不同身材尺寸、体重、年龄、性别、坐姿 不同碰撞严重性不同身材尺寸、体重、年龄、性别、坐姿 不同碰撞严重性文献见周青团队过去10年的学位论文和发表论文，Nie BB,Zhou Q,Xia Y,Tang L,Luo M,Liu Q,Huang Y,Huang J,Lin Z,Lai XH,Wang C,Zhang XW,Gu J,Ji PJ,Tang JS,et al.1.Ji and Zhou.Preliminary Study of Uniform Restraint Concept for Protection of Rear-Seat Occupant under Mid and High Crash Severities.SAE 2016-01-1528.2.Ji,Huang,Zhou.Mechanisms of using knee bolster to control kinematical motion of occupant in reclined posture for lowering injury risk.Int.J.Crashworthiness,2017.姿态控制姿态控制姿态调整姿态调整均衡约束载荷均衡约束载荷Page 18智能安全技术提升汽车乘员安全性乘员评价需求车辆安全性要求的复杂程度未来事故场景自动驾驶智能交通碰撞预判常规坐姿、标准体型借助虚拟评价试验和物理假人物理假人所能实现的边界离位姿态体型、年龄、性别多样自适应乘员约束系统多样化乘坐姿态个体差异主、被动一体化正撞儿童侧撞尾撞小偏置主动安全Page 19汽车安全技术的现状与未来事故成因人机器针对工况可调多元乘车环境参数不可调单一乘车环境标准化体型欧美人体参数多样化体型涵盖中国人体参数主动肌肉力人体模型实车碰撞主被动一体化虚拟试验评价碰撞场景乘员约束人体模型测试方法现状未来事故形态速度范围，发生频率，事故车数量、车辆尺寸Page 20面向未来交通场景的汽车乘员安全保护未来城市交通与自动驾驶环境下的碰撞事故特点与乘员伤害形式最小损伤风险的理想乘员姿态和约束形式智能乘员约束系统设计策略与概念装置一体化和虚拟化的汽车乘员安全评价方法与技术标准人体主被动力学响应传递路径具备高生物逼真度的人体数值模型决策开发评估未来事故场景与乘员行为特点智能乘员碰撞保护策略人体主动响应与损伤机理及其数值表征损伤风险最低的理想乘员姿态与最优乘员约束准则Page 21Characteristics of future traffic and vehicles Small Lightweight Electrified Environmental friendly Energy efficient Intelligent Connected Autonomous Shared IndividualizedSmart EfficientConvenientSafety!Page 22内容1.电动汽车的碰撞安全与防护2.未来智能汽车与智能交通的安全性挑战与机遇3.汽车轻量化与安全Page 23车重随技术发展的变化Page 241910-19201950-19601980-19902000-2010汽车的小型化和轻量化与提倡节约型社会 传统家用轿车使用方式的两大浪费 大部分行驶都只有一名乘员 大部分时间都在停驶状态 自动驾驶、小型、轻量、电动、智能、网联等技术，以及城市化趋势和节能环保等要求，将颠覆汽车的设计、制造和使用Renault Twizy E-CarRenault Twizy E-CarK-Car in JapanK-Car in JapanPage 25轻量化对汽车安全利大于弊 几个事实 多数严重碰撞事故是单车事故 多数两车碰撞事故是低强度碰撞 严重事故中，对等情况下，大而重的车对自身乘员保护有利 越野车更容易发生滚翻事故 轻车对行人和骑车人的危害小 质量轻使主动安全控制措施更有效 降低平均车重能减少道路交通事故的净伤亡 机理：系统的总动能低了！Page 26讨论：肥胖乘员碰撞时更安全吗？初始动能变大，碰撞接触力变大 肌肉和骨骼的抗撞能力并不同比增强！肌肉和骨骼的抗撞能力不与重量同比例增强！肌肉和骨骼的抗撞能力不与重量同比例增强！正常体型正常体型肥胖体型肥胖体型 吸能空间变小，脂肪不承力，无衬垫效应 非标体型造成与安全带及气囊匹配不佳 碰撞中运动姿态响应不理想 事故统计表明，肥胖乘员在事故中具有更高的损伤风险Page 27轻量化材料碰撞大变形力学性能表征和仿真Page 28010203040506005101520253035Force(kN)Displacement(mm)c-6-5 Simulation汽车小型化和轻量化的意义 节约、节能、环保 降低碰撞中的动能，提升车队的整体安全性 增加电动汽车的续航里程，弥补电池能量密度的不足 增强智能汽车的动力学控制效果和安全性Page 29清华大学汽车安全与轻量化团队周青夏勇聂冰冰智能乘员碰撞保护弱势道路使用者安全防护碰撞假人研发及建模人体冲击损伤机理与防护智能乘员碰撞保护弱势道路使用者安全防护碰撞假人研发及建模人体冲击损伤机理与防护材料和连接碰撞失效表征与仿真材料冲击试验技术电池碰撞损伤与安全防护碰撞能量吸收结构及优化设计材料和连接碰撞失效表征与仿真材料冲击试验技术电池碰撞损伤与安全防护碰撞能量吸收结构及优化设计轻量化材料与结构碰撞失效人体冲击损伤保护Page 30汽车碰撞安全的主要科研问题动力电池安全动力电池安全人员碰撞保护人员碰撞保护汽车碰撞事故中的人员保护结构轻量化安全结构轻量化安全材料碰撞破坏预测不准接头冲击失效防控不足破坏与短路机理不明缺失热失控预测模型真实事故碰撞波形严苛能量吸收位移严重不足Page 31Page 33
