简析电动汽车安全性隐患及其对策.docx

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简析电动汽车安全性隐患及其对策

简析电动汽车安全性隐患及其对策

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　　汽车是现代社会的重要交通工具,它在给人们带来交通便利的同时,也造成能源的日益短缺,带来巨大的环境问题。

如何继续享用汽车所带来的便利而又不造成污染已成为人们日益关注的问题。

作为零排放的电动汽车是取代污染严重的内燃机汽车,是利用新能源的最佳选择之一。

为了取得未来市场的制高点,各个汽车公司纷纷将电动车的开发作为汽车开发的重要组成部分给予高度重视。

特别是进入90年代以来,电动汽车凭借自身优势加上各国政府的政策法规支持,取得了巨大的发展。

但在电动汽车的研发中,人们对电动汽车的安全性以及由此带来的对电动汽车的一些特殊要求研究较少。

基于此,本文对电动汽车可能存在的安全隐患及其解决方法进行初步探讨。

　　1电动汽车潜在的安全性问题

　　电动汽车以电能为动力,通过电机驱动汽车前进,它与传统燃油汽车相比无论在能量储存方式、汽车驱动形式还是在整车结构方面都存在较大差异。

这决定了电动车在安全性方面有其独特的一面。

燃油汽车可以看作一台机械动力设备,电动汽车则是典型的机电一体化设备。

对这样的机电一体化设备来说,不仅要考虑结构安全性,其电气安全性也是非常重要的安全指标,而且这两方面并不相互独立,而是相互耦合,一方面出问题也可能导致另一方面出问题。

　　电伤害

　　电动汽车需要高的电压来维持驱动电机的运转。

一般电动汽车比燃油汽车的用电设备多,为了减少电传导中的能量损失,更好地利用电能,电动汽车也要求使用高的电压。

从中可以看出,电动汽车的用电电压远远高于人体所能承受的安全电压,一旦发生漏电、触电等事故,乘员将受到较大的伤害。

汽车的运行情况非常复杂,在运行过程中难免会出现部件间的相互碰撞、摩擦、挤压,这有可能使原本绝缘良好的导线绝缘层出现破损;接线端子与周围金属出现搭接。

这些都可能导致漏电和短路使人体发生触电危险。

短路电流产生的巨大热量,导电体的相互搭接产生的电火花还可能点燃周围的可燃物。

　　电池内压力的危害

　　高能电池技术、电控策略和电机技术并称为电动汽车的三大关键技术。

电池的容量直接决定电动汽车的续驶里程。

要真正实现电动汽车的实用化,高能量密度、高功率密度的电池必不可少,因此,各国对电动汽车电池的研究方兴未艾。

目前供电动汽车使用的电池有铅酸蓄电池、NiCd电池、NiMH电池、锂离子电池、Na-S电池等。

这些电池都由正负电极、电解液、隔膜、外壳和盖板组成。

电池的这种固有结构使得电池成为一个相对密闭的压力容器。

通常情况下,电池的内压力处于正常水平,但当电池使用不当或遭受机械冲击时电池的内压力可能超过电池壳体所能承受的极限从而发生爆炸。

例如,铅酸蓄电池在充电后期发生水解反应生成大量气体（即H2O2H2↑+O2↑）,造成电池内压力升高;蓄电池组在充电过程中由于蓄电池组中心部位的蓄电池的热量得不到散失,蓄电池的温度上升使得充电效率大大降低,在短时间内蓄电池产生大量的氧气,如果安全阀不能及时开启,就可能引起电池爆炸,严重时还可能引起整个电池组更大规模的爆炸;氢燃料电动汽车的储气罐受热、受撞变形也会使内压力陡然升高,从而产生安全隐患。

　　燃烧、爆炸危险

　　电动汽车在充电或行驶的过程中由于种种原因可能会引发燃烧爆炸等事故。

如氢燃料电动汽车在罐装氢气时有可能会出现氢气的泄漏挥发,当氢气的浓度达到其临界爆炸浓度时就可能爆炸。

铅酸蓄电池、镍铬电池、镍氢电池都可能因为过充电而产生氢气;Na-S电池工作时,硫必须处于高温熔融状态,电池工作温度高达350°C～380°C,在如此高的温度下,硫也可能蒸发出来。

这些都可能引发爆炸燃烧危险。

　　电解液飞溅危害

　　电池电解液是电池内电路导电介质,并参与电池内部化学反应。

电解液一般为强酸强碱性物质,如铅酸蓄电池的电解液是稀硫酸,镍铬电池、镍氢电池用氢氧化钠水溶液作为电解质。

它们对人体和金属有腐蚀作用。

电动汽车一般工况下电池电解液不会出现大的泄漏和飞溅,但由于电池的生产缺陷可能会当电池处于剧烈振荡时或汽车发生碰撞事故时电池壳体产生破裂导致电解液会大量泄漏和飞溅,从而烧伤乘员。

　　电池对人体的热伤害

　　电池在充电和工作过程中会产生热量。

所产生的热量来自三个方面:

电化学反应热效应、电流通过电池的欧姆内阻以及通过极化内阻所产生的热量。

某些电池在工作过程中最高温度可达500°C,如某些采用熔融盐作为电解质的锂离子电池。

用这类热电池作为电动汽车的电源时要合理布置电池的位置,在电池与乘员舱之间进行热隔离,防止电池对乘员造成热伤害。

　　2电动汽车的安全性设计对策

　　通过对电动汽车的安全隐患分析可以看出,动力电池是电动汽车安全性的最关键部件,即电动汽车的安全性在很大程度上取决于电池的安全性。

因此,提高电动汽车的安全性要围绕着减少电池系统对人体的伤害进行。

　　电池的安装及其原则

　　电动汽车的电池安装主要有两种形式:

一种是集中式安装,一种是分布式安装。

集中式安装就是将所有电池集中安装在电动汽车的某一位置。

这种安装形式,电池之间距离短,用较短的导线就可将电池连接起来,有利于电池之间的连接,而且布线清晰,同时较短的导线也减少了导线漏电的几率。

但有时受车身结构和尺寸的限制很难将所有电池都布置在一个位置,这就要采取分布式安装。

分布式安装是指根据电动汽车的空间结构,“见缝插针”、“因地制宜”地对电池进行安装布置。

这种安装形式能有效地利用空间,但电池之间相隔较远必须用长导线相互连接。

这可能使布线混乱,电池之间的连接关系复杂,不便于检修;同时长的导线增加了漏电的几率,使电动车的安全性、可靠性降低。

就安装位置来讲,电池可以安装在电动汽车的前部、中部和后部。

　　将电池安装在电动汽车前部能够充分利用原属于发动机的空间,而且便于电池的更换和检修。

这种安装位置对汽车的改动小,非常适用于由燃料汽车改装而成的电动车。

但将电池安装在这个位置对电动汽车的碰撞安全性不利。

因为所有事故类型中正面碰撞发生率最高,当汽车发生正面碰撞时处在这一位置的电池很容易受到碰撞、挤压,产生严重变形、破裂、漏液,甚至爆炸。

特别是当汽车发生偏置碰撞时车体只有部分参与变形吸能,变形刚度小,变形量大,电池很容易侵入乘员舱对乘员造成伤害。

　　电池布置在汽车中部,可以有效利用座椅下部空间,空间利用率高。

同时电池所处位置比较隐蔽,当汽车发生碰撞事故时电池一般不会受到直接撞击,这样对电池的保护较好。

当电池安装在车架内侧时更能给电池提供良好的保护,并且电池安装在这里使汽车重心较低,汽车具有良好的操纵稳定性。

但这种安装位置使电池不便于拆装和检修。

电池安装在电动车尾部时电池便于拆卸,但可能会占据行李箱空间。

　　以上几种电池安装形式和布置位置各有优缺点,电动汽车进行电池安装布置时一方面要考虑汽车结构、空间利用率等,最重要的还是从整车安全的角度考虑电池的布置,尽量将电池布置在受碰撞几率小的部位。

　　电池系统的通风与散热

　　电动汽车在运行和充电过程中会产生诸如H2、CO之类的可燃气体,当气体达到一定的浓度后可能发生燃烧爆炸事故。

有些电池还会产生SO2、H2S等有害气体,气体达到一定浓度也会对人体造成伤害。

因此,在进行车身设计时要保证电动汽车电池系统有良好的通风性能,使电动车不会由于蓄电池排出气体聚集而造成潜在危害。

　　电池充电和运行过程中会产生大量的热量。

如前所述,电池系统的发热也是电动汽车不安全因素之一。

从这方面来讲也需要电池系统有好的通风性能以利散热,有时甚至使用专门的散热设备给电池散热。

为使电池散热良好,保证电池系统安全,一般可采取下列措施:

　　①蓄电池外壳采用散热性好的材料。

　　②电池组在设计时各电池间预留出一定的空间以利于电池散热。

　　③采用新型结构。

例如,将电池设计成双极圆柱形,一方面提高了电池中活性金属的利用率,另一方面减小了电池的热梯度,增大了电池间间隔,有利于散热。

　　④安装温度、电流和电压传感器对电池的充电状态进行实时监控,确保电池的充电电压低于冒气电压,防止电池的过反应,并且当温度过高时自动切断充电电源。

　　电池的约束

　　电动汽车电池放置于电池架中,电池架可由角钢、钢条焊接而成,也可用专用的冲压件。

它们通过焊接或其它方式同定于车身。

无论采用哪种电池架,都必须保证对电池有可靠的约束。

汽车的运行工况十分复杂,或加速或减速或上下颠簸产生剧烈的扭转与振动,电池之间、电池与其它物体之间难免会相互摩擦碰撞挤压和上下跳动。

过于剧烈的相对运动会使电池接线脱落,电池之间连接导线磨损,电池破裂漏液。

因此,电池架对电池要有一定的夹紧力并采用防跳动挡板减小电池跳动、窜动等相对运动。

电池架本身与车身也应有高的连接强度,不能出现电池架自行脱落、侵入乘员舱等事故。

　　电动汽车的碰撞安全性对策

　　汽车的碰撞安全性是指当汽车发生碰撞事故时汽车能够对乘员施以有效保护,减小其损伤指标的能力。

电动汽车与燃油汽车一样属于高速运载工具,也就同样存在碰撞安全性问题。

因此,适用于燃油汽车的碰撞安全法规、碰撞安全性设计准则也同样适用于电动汽车。

　　电动汽车的续驶里程直接由电动汽车动力电池的电量决定。

就目前的技术水平,电动汽车用动力电池还不具有足够高的能量密度,电动汽车只有增加动力电池的数量来获得更长的续驶里程。

这样电动汽车与同类型的燃油汽车相比,质量一般要大10%～20%。

这就决定了在同样的碰撞速度下,电动汽车的吸能装置要耗散更多的动能。

这就对吸能装置和部件提出了更高的要求。

　　电动汽车所携带的大量电池还给汽车碰撞安全性带来其他负面影响,包括电绝缘问题、电解液在汽车碰撞中泄漏、电解液的相互作用、物理化学爆炸等。

因此,电动汽车在车体结构具有良好吸能特性的基础上,还必须考虑电池的碰撞安全性。

当电动汽车发生碰撞时,系统要能够自动地、可靠地切断电能供给,断开电池间连接,减小系统端电压以防止对人体的电伤害。

电池要尽量安装在汽车受撞几率小的部位,同时安放电池的电池架要有足够的强度,能够经受电池巨大惯性力的冲击,保证电池系统不脱离车身,更不会侵入乘员舱。

该电池组紧挨后座安装于汽车后部,电池总质量69kg。

电池架整体前倾,最大前倾量达80mm。

可以看出电池架强度不够,变形大,不足以对电池提供有效的约束和支撑。

电池可能由于受力不均而破裂,并且由于电池组位置特殊,电池架的较大变形会使电池组直接侵入乘员舱。

通过采取改变焊点位置、在下电池架对角增加斜拉板3改善下电池架受力、将下电池架上拉板1由原来的扁钢换为角钢4,防止上拉板受压屈曲等措施对电池架进行加强后电池架变形大为减小。

　　值得一提的是,电动车动力电池的质量一般在500kg以上,质量很大,除了发生碰撞外,翻车事故时可能使原本约束很好的电池系统由于电池架的过大变形等原因而脱出电池架,对乘员安全构成威胁。

因此,电池架应能够保证在汽车发生翻车事故时同样能够很好地约束电池系统。

　　燃油汽车发生碰撞事故时可能出现燃油泄漏,严重时会导致燃烧和爆炸。

电动汽车能量储存方式不同于燃油汽车,碰撞时不会出现燃油泄漏情况,但可能由于电池安装位置不合理,事故中电池遭受直接碰撞而导致电解液泄漏;电池在惯性力的作用下与电池架发生剧烈碰撞也可能导致电解液泄漏。

因此,要采取适当措施减少电解液的泄漏量,如设计电池避让机构,当汽车发生碰撞时,该机构能使电池系统自动脱离原来位置而免受直接撞击;采用吸能型电池架,使电池系统的一部分动能由电池架变形吸收,而不是通过焊点传递给车身、单纯由车身吸收,从而降低电池碰撞减速度峰值,减小碰撞剧烈程度,进而减小电解液泄漏量。

　　电动汽车用柔性的电传动来代替燃油汽车刚性的机械传动,这大大增加了整车结构布置的灵活性,便于使用全新的结构布局来提高电动汽车的碰撞安全性。

一种新型的电动汽车底盘,4个车轮呈菱形布置,它利用前后两轮转向,中间两轮进行驱动,电池主要安装在汽车中部两轮之间和汽车后部等受撞几率小的部位,这种布置能尽量避免电池在汽车碰撞事故中受到直接撞击,即使在侧面碰撞事故中由于中间驱动轮的抵挡和缓冲作用电池系统也不会受到较大冲击。

因此有着良好的碰撞安全性。

　　3结束语

　　节能、环保与安全是未来汽车的三大主题,电动汽车在节能与环保方面无疑已具有无可比拟的优势,因此安全性研究对于电动汽车尤显重要。

本文初步探讨了电动汽车可能存在的一些安全隐患及相应处理对策,后续相关研究还将继续进行。

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